碳、工业化和温室气体

对比非常明显。

前工业社会利用的差不多都是即时的太阳能量流，对实际上取之不尽的太阳辐射能量进行的转化则少到几乎可以忽略不计。

现代文明依赖于提取巨大的能量储蓄，耗尽有限的化石燃料。虽然对核裂变的依赖和对其他可再生能源的利用一直在增加，但直到2015年，化石燃料仍然占全球初级能量的86%，这一比例只比一代人之前的1990年少4%。

通过利用这些丰富的储藏，我们所创造的社会转化了前所未有的巨大能量，最终产生了新的高能耗的服务型经济，也造成了许多令人担忧的后果。它们造成了全球生物圈的不稳定，尤其是全球变暖的相对加快带来了许多糟糕的结果。

前所未有的力量

关于全球统计数据的最佳汇编显示，自19 世纪人们开始大规模开采化石燃料以来，它们的生产持续呈指数级增长。

从1810—1910年，煤炭开采量从10Mt增加到了1Gt，增长了100 倍; 煤炭开采量在1950年达到1.53Gt，2000年达到4.7Gt，它于2015年下降至7.9Gt 之前曾达到8.25Gt。

原油开采量从19世纪80年代末的不到10Mt，增加到1988年的超过3Gt，增长了约300倍;2000年为3.6 Gt ，2015年为近4.4 Gt。天然气产量增加了1000倍，从19世纪80年代末的不足2Gm3 增加到1991年的2Tm3;2000年為2.4Tm3，2015年为 3.5Tm3。在整个20世纪期间，全球化石能源开采总量增长了14倍。

要追溯这种扩张有个更好的方法，就是计算真正的有用能量的增长：用实际传递的热、光和动量来表达增长。

早期的化石燃料转化效率相当低（白炽灯<2%，蒸汽机车<5%，热发电<10%，小型煤炉<20%），燃煤锅炉和炉灶的改善很快就使这些效率翻了一番，家用炉具以及工业和电厂锅炉能以较高的效率转化液态碳氢化合物。

只有使用汽油的乘用车内燃机效率较低。无论是高炉、锅炉还是燃气轮机，使用天然气都是高效的，效率通常超过90%。初级电力的转换效率也是如此。

1900年，全球的能量使用平均加权效率不高于20%;到2015年，全球化石燃料和初级电力转化的平均量已达到商业能量投入总量的50%。国际能源署的统计表明，2013年全球初级能量供应为18.8Gt油当量，最终消费量为9.3Gt 油当量。

与此同时，化石能源的总供应量在20世纪增长14倍，能量供应效率稳步增长，和 1990年相比，增长30倍以上。

结果就是，在1900年已经使用化石燃料做主要能量供应源的富裕国家，现在每一个单位的初级能量供应所提供的有用能量，是一个世纪前的两倍甚至三倍;直到20世纪下半叶才由现代化能量主导的低收入国家，每个单位的初级能量供应所提供的有用能量普遍可以达到一个世纪前的5—10倍。

能量使用的急剧增长，也将人均消耗水平提升到了前所未有的高度。

采集社会人们所需的能量主要来自食品供应，当时的人均年消耗量不超过 5—7GJ。埃及新王国时期人均年消耗量不超过10—12GJ，关于罗马帝国早期的能量消耗情况的最佳估值约为每人每年 18GJ。

早期工业社会轻而易举地使传统人均能量消耗翻了一番。增加的消耗量大多来自由煤的燃烧支撑起来的制造业和交通运输业。估计1500年欧洲平均值约为每人每年消耗 22GJ，后一直停滞在16.6—18.1GJ，直至1800年。

美国的年人均消耗量，从1820年的不到70GJ增长到1910年的150GJ。一个世纪后，所有富裕欧洲国家的年人均能量消耗量都达到150GJ 以上，美国的人均值则超过300GJ。在能量消耗升高的同时，能量结构也发生了改变。

在采集社会，食物是唯一的能量来源。估计在罗马帝国早期，食物和饲料占能量来源的45%。在前工业时代的欧洲，食物和饲料占能量来源的 20%—60%，到 1820年，所占份额的平均值不超过 30%;到1990年，在英国和德国它们的份额不到10%。

到20世纪60年代，饲料供应能量的份额跌到了可以忽略不计的程度，在最富裕的社会，食物能量不超过总量的3%，甚至低于2%。

在这些富裕国家，工业、交通和居民家用的燃料和电变成了能量消耗的主力。在高收入经济体中，人均电力输送值升高了两个数量级。到 2010年，西欧的人均年电力输送值达到7MWh，美国为13MWh。个人直接控制的能量流之间的对比同样让人印象深刻。

1900年，北美大平原上的一名农场主牵着6匹大型马的缰绳耕种麦田。他坐在钢制座椅上，常常全身覆满灰尘，要付出相当的体力劳动，控制着不超过 5kW的生物能量。一个世纪后，他的曾孙高高地坐在装有空调的舒适的拖拉机驾驶室里，轻松控制着功率超过250kW的柴油发动机。

1900年，一名工程师操作一台1MW蒸汽动力的燃煤火车头拉着列车，以100km/h 的速度行驶——这已是手动加煤所能表现出的最好性能了。到2000年，飞行员驾驶波音747在11km的高空飞过跨越大陆的航线。在4个燃气轮机输出的120MW功率的力量推动下，飞机以900km/h 的速度飞行。

能量越集中，也就要求更安全的防护措施。

直至19世纪，坐在城际交通马车上的车夫，稳定控制的能量通常不超过3kW（4匹马拉的马车），搭载4—8名乘客。城际喷气飞机驾驶员则操控着30MW的喷气发动机，搭载150—200名乘客。在操控有着4个数量级差别的两种能量（即3kW和30MW）的过程中，短暂的走神或判断失误带来的后果明显存在着巨大差别。控制此类风险的一个显而易见的办法是采取电子控制。

电子控制和连续监控，已经与被广泛使用的电脑和移动电子设备一样，成了电力需求的主要新类型。

“煤基”工业化

“工业革命”一词既相当具有吸引力，又有误导性，这个概念的英语起源至少要回溯到16 世纪后期，但英国全面的工业发展要等到 1850年之前才开始。即便到那时，传统工匠的数量也大大超过在工厂里操作机器的工人：1851 年人口普查显示，英国的鞋匠比煤矿工更多，铁匠比炼铁工人更多。

关键的国家特质导致了迥异的工业化模式。

法国注重水力发展，美国和俄罗斯长期依赖木材，日本则有着细致工艺的传统。煤和蒸汽最初并不是工业化的革命性因素。慢慢地，它们才以前所未有的程度和可靠性来提供热和机械能。此时工业化进程才开始扩大和加速，最终成为化石能源消费膨胀的代名词。

对工业扩张而言，采煤业并非必不可少——但它对于工业化的加速发展无疑是至关重要的。

比利时和荷兰的比较能说明这种影响。高度城市化的荷兰社会，有着出色的航运能力和相对发达的商业和金融，却最终落后于起初比较贫穷但煤炭资源丰富的比利时。比利时在19 世纪中叶成为欧洲大陆工业化完成度最高的国家。以煤为基础的经济较早腾飞的欧洲地区还包括莱茵—鲁尔地区、哈布斯堡帝国的波希米亚和摩拉维亚以及普鲁士和奥地利的西里西亚。

以煤炭为基础的工业化发展模式，在西欧和中欧之外也曾反复出现。

拥有优质无烟煤的宾夕法尼亚州和拥有优质烟煤的俄亥俄州，成為美国工业化发展的早期领导者。在一战前的俄国，储量丰富的乌克兰顿涅茨克煤矿的发现和 19 世纪70年代巴库油田的开发，带动了随后的快速工业扩张。

明治时代，日本的现代化发展也得益于九州北部的煤。日本开放国门仅仅48年后的1901年，九州北部的八幡制铁所（日本钢铁公司的前身）东田1号高炉的开炉，标志着日本的第一座现代化综合钢铁厂开始投入生产。

印度最大的商业帝国（塔塔集团）则起源于J. 塔塔1911年在贾姆谢德布尔建立的使用比哈里焦炭的高炉。

一旦有了煤和蒸汽动力的推动，传统制造商就能以更低的成本生产更多的优质产品。这一成就是大众消费必要的先决条件。廉价而可靠的机械能供应，确保了加工工艺变得越来越复杂。反过来，这又导致零件、工具和机器的制造开始变得更复杂和更专业。

那些以煤、焦炭和蒸汽为动力的新产业形成后，便以前所未有的速度为国内和国际市场供应货物。1810 年后，高压锅炉和管道开始投入制造。1830年后，铁路、机车和货车产量迅速增加。水轮机和螺旋桨的产量则在1840年后开始增长。

1850年后，钢铁船体和海底电报线缆有了巨大的新市场。生产廉价钢材的商业方法——先是 1856年之后的贝塞麦转炉，然后是19世纪60年代的“西门子—马丁”平炉——创造了更大的新兴制成品市场，从餐具到铁轨、从铁犁到建筑横梁等。

燃料投入的增加和以机器替代工具，使得人体肌肉变成了一种边缘能量源。人类劳动不断地转到支持、控制和管理生产过程的工作上来。

对英格兰和威尔士一个半世纪的人口普查和劳动力调查结果进行分析，可很好地说明这一趋势。1871年，大约24%的劳动者从事“肌肉力量”型工作（农业、建筑和工业），只有约1% 的人在从事“管理”型工作（健康和教育、儿童和家庭护理、福利工作）。

到2011年，“管理”型工作占到了 12%，“肌肉力量”型工作仅占 8%。且今天的许多“肌肉力量”型工作（如清洁、家政服务以及常规的工厂流水线工作）都在很大程度上实现了机械化。

即使人类劳动的重要性开始下降，最近的一些对个人任务和完整工业流程的系统性研究仍表明，通过对肌肉活动进行优化、重新安排和标准化，劳动生产率可以大大提高。

弗雷德里克·温斯洛·泰勒（Frederick Winslow Taylor，1856—1915）是这类研究的先驱。从1880年开始，他花费了26年的时间来量化钢铁切割中涉及的所有关键变量，将他的所有发现简化为一套简单的计算规则，并在《科学管理原理》（The Principles of Scientific Management）中总结了关于效率管理的一般结论。

一个世纪之后，它仍在指导着世界上的一些最成功的消费品制造商。

电力的革命

当蒸汽机因电气化而黯然失色，一个全新的工业化时代便随之来临了。

电是一种更好的能量形式（不仅在与蒸汽动力相比时如此）。只有电可以即时轻松地接入，且能非常可靠地为每一种消费（飞行除外）提供服务。只需拨动开关，我们就能将电转换为光、热、动能或化学能量。电流易于调节，实现了前所未有的精度、速度和过程控制。

20世纪全球电力输出的增速甚至超过了化石能源开采的增长——后者的年增长率约为3%。

1900年，不到2%的燃料被转化为电力，到20世纪末，这一比例已上升至近 25%。除此之外，新的水电站（在第一次世界大战后大规模发展）和新的核电设施使得发电量进一步扩大。

1900-1935年间，全球电力供应每年增长约11%，此后以超过9%的年增长率一直持续增长到20世纪70年代早期，在剩余时间里，发电量的年增长率降至3.5%左右，很大程度上是高收入经济体需求量更低、转化率更高的结果。

蒸汽机替代水车，并没有改变工业生产中的机械能传输方式。因此，这种替代对工厂的整体布局几乎没有影响。工厂天花板下的空间里依然挤满了与主轴连接的一堆副轴，它们通过皮带将动力传送到各个机器。

最初的电动机能够驱动的传动轴更短，它们只能为一小组机器提供动力。

1900 年后，独立的单元驱动迅速成为常态。1899—1929年，美国制造业的机械总装机功率增长了约3倍，工业电动机的容量增长了近60 倍，提供了82%以上的可用功率。在19世纪末，这一份额还不到 5%。

从19世纪90年代后期开始，电动机只用了30年就基本取代了蒸汽动力和直接由水力驱动的装置。这种高效又可靠的单元动力供应的影响，远不只消除了头顶杂乱的管道（和由之而来的不可避免的噪声与事故风险）。

传动轴的拆除解放了天花板，后者因此得以安装更好的照明和通风系统，并使工厂的设计更灵活，更容易扩展。电动机的高效以及在更好的工作环境中的精确、灵活和独立的动力控制，最终大大提高了劳动生产率。

电气化还创造了大量的专门产业，一开始是灯泡、发电机和输电线的制造（1880 年以后），之后是蒸汽轮机和水轮机的生产（1890年以后）。

1920年后诞生了燃烧粉状燃料的高压锅炉，使用大量钢筋混凝土的巨型水坝也在10年后开始建造。1950年后，各地普遍开始安装空气污染控制设施。第一座核电厂于 1960 年前投入生产。

电力需求的不断增长也促进了地球物理勘探和燃料的开采与运输的发展。在材料特性、工程控制和自动化方面的大量基础研究，对于生产更好的钢铁、其他金属和合金是必需的，对那些用于提取、运输和转换能量的昂贵设备的可靠性的提高和寿命的延长也是必要的。

可靠又便宜的电力的可用性，几乎改变了所有的工业活动。

经典但已过时（略显僵化）的福特式流水线是基于1913年发明的输送带发展而来的，现代灵活的日式流水线则依赖于零部件的即时传送和分工明确的工人。

这种在丰田工厂中采用的系统，将美国的经验元素和日本本土的实践与原创思想结合在了一起。丰田生产系统依赖于产品的不断改进与对最佳质量控制的不断追求。同样，所有这些行为的基本共同点都是尽量减少能量浪费。

廉价的电力供应也催生了全新的金属生产和电化学工业。通过电解冰晶石（Na3AlF6）溶剂中的氧化铝（Al2O3），大规模提取并熔炼铝成为可能。

从20 世纪30 年代开始，对于种类越来越多的塑料的合成和塑造以及最近一类新的复合材料（特别是碳纤维）的推出，电力都是必不可少的。这些材料的能量成本约为铝的3倍，其最大的商业用途是在商业飞机制造中替代铝合金：最新的波音787按体积计算，约有80%由复合材料组成。

正当新型轻质材料已经在很多地方取代钢铁的同时，炼钢过程本身正越来越多地使用电弧炉。新型的更轻但更强韧的钢材具备多种用途，尤其是在汽车制造业中。

如果没有电力，具备严格公差的大规模微机械加工产业便不可能出现，也就不可能有如今常见的喷气发动机或医疗诊断设备。当然，也不会有准确的电子控制，更别提遍布世界各地的电脑和数十亿台电信设备了。

冶炼的进化

能量和材料的大量流动，是工业化过程的基础;金属仍是典型的工业材料;以多种钢材形式出现的铁，仍是主要的金属。

2014年，钢铁产量比四大有色金属（即铝、 铜、锌和铅）的产量总和高出近 20 倍。使用高炉冶炼铁矿石，然后在氧气顶吹转炉中炼钢，以及在电弧炉中冶炼二次回收的钢材，仍然主导着钢铁生产。如果没有更大更高效的高炉，钢铁产量的庞大增长是不可能的。

同样，炼钢技术效率的提高不仅在于能量耗费的减少，还在于产量的提高。

早期的贝塞麦转炉的转化率一开始不到60%，后来升至70%出头（把铁变成钢）。平炉的转化率最终可达80%左右。

于20世纪50年代开始使用的氧气顶吹转炉，如今最高转化率可达95%。电弧炉的转化率高达97%。电弧炉在今天每生产1吨钢铁，耗电量低于350kWh在1950年时则高于700kWh。

这些收益还伴随着废物排放率的降低：1960—2010年，美國每生产1吨 铁水的二氧化碳排放下降了近50%，粉尘排放下降了98%。通过对铁水进行持续铸造，能量成本进一步降低。这一创新取代了传统的铸铁生产过程。

由此而来的产量增幅非常大，即使按人均计算也是指数级增长：1850年（现代钢铁产业开始之前），每年的钢铁产量不足100kt，平均到每人只有 75g，且全部以手工方式生产。

1900年，钢铁总产量为30Mt，全球人均值为18kg。到2000年，总产量为850Mt，人均140kg。到2015年，全球钢铁总产量达到1，650Mt，人均225kg，约为1900 年时的12.5 倍。

据估计，2013年全球钢铁生产至少需要 35EJ 的燃料和电力，占全世界初级能量供应总量的不到7%。因此，钢铁业是全世界能量消耗最大的工业领域。相比之下，其他所有工业的能耗总和为23%，交通运输为 27%，住宅用途和服务业为36%。

迄今为止，铝冶炼技术的进步是有色冶金领域最重要的创新。

铝元素于1824年首次被提纯出来，要等到1866年才出现可以大规模生产铝的经济的工艺。美国的查尔斯.马丁.霍尔（Charles M. Hall）和法国的埃鲁（P. L. T. Héroult）各自的独立发明是建立在氧化铝的电解技术之上的。

当时提取铝金属所需的能量至少要比熔炼钢铁高出6倍以上。即便在大规模发电开始后，铝业发展仍然缓慢。在19世纪80年代，冶铝的具体电力消耗超过了每吨5万千瓦时，后来霍尔—埃鲁工艺的稳步改进，使这一比率到1990年降低了 2/3以上。

铝的用途的扩大起初是由航空业的发展推动的。20 世纪20年代后期，金属机身取代了木材和布料制作的机身。之后，第二次世界大战期间建造战斗机和轰炸机的需求使得对铝的需求急剧增加。

自1945年以来，只要哪个领域的设计同时需要材料的轻便和高强度，铝和铝合金就会在这个领域替代钢铁，这些应用场景包括汽车、铁路用漏斗车和宇宙飞船。需注意一点，新型轻质钢合金在这些市场也能起到作用。

自20世纪50年代以来，钛已经在高温应用场景中（特别是超音速飞机）取代了铝。不过，钛生产的过程能量密集度至少是铝的3倍。尽管在一个专注于最新电子技术进步的社会，大规模量产金属的根本重要性经常被人们忽视，但毫无疑问，通过与现代电子产品的不断融合，现代制造业已经发生变化。

二者的结合，带来了前所未有的精确控制和灵活性，极大地丰富了可用设计的选择，并改变了营销、分销和绩效监控方式。

一项全球性的对比显示，2005 年，美国制造商从外部企业购买的服务的费用占工业成品附加值的30%，在欧盟主要经济体中这一份额也相似（23%——29%）。2008 年，与服务相关的职位略高于美国制造业所有就业岗位的一半（53%），而在德国、法国和英国也达到了44%——50%，在日本则是32%。

“地球物理实验” 

化石燃料和电的供应与使用，是大气污染和温室气体排放最主要的人为因素，也是导致水污染和土地利用发生变化的主要原因。

当然，无论哪种化石燃料的燃烧都和碳的快速氧化有关，都会增加二氧化碳排放量。

甲烷（CH4）作为一种效果更显著的温室气体，会在天然气的生产和运输过程中被释放出来;化石燃料的燃烧过程也会释放少量的一氧化二氮（N2O）。

在过去，煤的燃烧是颗粒物质、硫和氮的氧化物（SOx 和 NOx）的主要来源，如今这些物质的固定排放大部分被静电除尘器、脱硫和氮氧化物去除过程控制住了。即便如此，煤燃烧排放的物质仍会对健康产生重大影响。

燃料和电力也会间接造成更多污染和生态系统退化，其中最明显的是工业生产（主要来自黑色冶金和化学合成）、农业化学品、城市化和交通运输。

相比于过去，这些影响在程度和强度上都有所增加，影响范围也从地方拓展到了地区。这些代价已经迫使所有主要经济体越来越重视环境管理。

到20世纪60年代，环境退化的表现之一是中欧、西欧和北美东部的酸雨。它主要是由大型煤电厂的硫氧化物和氮氧化物排放与汽车排放造成的，影响范围一度覆盖半个大陆。

直到20世纪80年代中期，酸雨一直被富裕国家普遍视为所面临的最紧迫的环境问题。一系列行动——使用低硫煤和无硫天然气发电，使用更清洁的汽油和柴油以 及更高效的汽车发动机，在主要污染源安装烟气脱硫设施——不仅阻止酸化的加深，到1990年还使情况发生了逆转。1990年以来，同样的问题在东亚又出现了。

南极洲和周围海域上空的臭氧层被部分破坏，曾短暂地成为与能量使用相关的环境问题中的首要话题。早在1974 年科学家就准确预见到，保护地球免受过度紫外线辐射的平流臭氧层浓度可能会降低。直到 1985 年，人们才首次在南极洲上空测量到该现象。

臭氧损失主要是氯氟烃（CFCs，主要用作制冷剂）的排放造成的。世界各国在 1987 年 签署了一项有效的国际条约，即《蒙特利尔议定书》，并使用危害较小的化合物来替代氯氟烃，很快缓解了这一担忧。

对臭氧层的威胁只是气候变化引发全球性后果的几个新问题中的第一个。

自 20 世纪80 年代后期以来，有一个全球性气候问题一直尤为紧要：人为排放的温室气体导致气候相对迅速变化，尤其是对流层变暖、海洋酸化与海平面升高。

早在19 世纪末，人类就对温室气体的性质以及它们可能造成的变暖效应有了相当的了解。最主要的人为因素是二氧化碳，它是所有化石燃料和生物质燃料有效燃烧的最终产物。森林（尤其是在潮湿的热带地区）和草原的退化一直是二氧化碳排放第二大来源。

自1850年——当时大气里只有 54Mt 碳（转化为二氧化碳时需乘以3.667）——以来，全球的人为二氧化碳排放呈指数级增长，与化石燃料消费的增加保持同步：到 1900 年，大气中的碳含量已上升到534Mt，到 2010 年超過9Gt（Boden and Andres 2015）。

1957 年，汉斯·聚斯（Hans Suess）和罗格·雷维尔（Roger Revelle）总结道：

人类正在进行一场大规模的地球物理实验。

这种实验在过去不可能发生，在未来也不会再现。我们在短短几个世纪的时间里，向大气和海洋倾泻着大自然用数亿年的时间才沉积储存在岩层中的浓缩有机碳。

第一次系统测量二氧化碳浓度上升情况的实验是由查尔斯.基林（Charles Keeling，1928—2005）组织的，于 1958 年在夏威夷莫纳罗亚火山山顶附近和南极点开展（Keeling 1998）。

莫纳罗亚火山的二氧化碳浓度数据一直是对流层二氧化碳浓度上升的全球性指标：1959年其平均值约为316ppm（ppm指百万分比浓度，1ppm=0.001‰），1988 年超过350ppm，到2014年达到 398.55ppm。

人类活动释放的其他温室气体体积比二氧化碳小得多，但由于它们的分子能吸收更多的红外辐射（20年中，甲烷吸收的红外辐射是二氧化碳的86倍，一氧化二氮吸收的红外幅射是二氧化碳的268倍），它们加起来贡献因人为因素而增强的热辐射的35%。

目前人们的共识是：为避免全球变暖造成最严重的后果，平均气温的上升幅度应限制在2℃以内。这需要立即大幅削减化石燃料的使用，并迅速过渡到非碳能源时代。

这个方案虽不是毫无可能，但非常难以实现。

因为要考虑到化石燃料在全球能源系统中所占的主导地位，以及低收入社会对能源的庞大需求：我们可以用可再生发电来满足某些新的大规模能源需求，目前在运输燃料、生产化工原料（氨、塑料）和铁矿石冶炼方面，还没有经济实惠且可大规模应用的替代能源。

本文选编自《能量与文明》，瓦茨拉夫·斯米尔著，吴玲玲、李竹译，九州出版社出版，后浪出品方授权刊载，2021年5月出版。