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能源替代：工業革命的“核心動力”

我們已經經歷了兩次波瀾壯闊的工業革命，第一次的推動力看似是蒸汽機，實則是煤炭；第二次的推動力看似是電力，實則是石油。從木柴到煤炭再到石油，人類的歷史被化石能源改變，人類的未來則系于可再生能源。
　　可再生能源如何替代化石能源？未來又會發生什么？

里夫金的“五大支柱說”

2011年5月24日，《第三次工業革命》一書的作者、享有國際聲譽的美國未來學家杰里米·里夫金出現在了經濟合作與發展組織（OECD，簡稱“經合組織”）第50屆部長級周年會議的開幕式現場。在開幕式上，他向參會的首腦和政府部長們提出了一個至關重要的規劃：第三次工業革命五大支柱經濟計劃。
　　在過去的20年里，這位目光如炬的賓夕法尼亞大學沃頓商學院教授，幾乎顛覆了前人關于“第三次工業革命”的理論體系和重要觀點。
　　在里夫金之前，“第三次工業革命”的定義已經有了一個世界通用的版本，甚至還被寫進了高中課本：它是人類文明史上繼蒸汽技術革命（第一次工業革命）和電力技術革命（第二次工業革命）之后科技領域里的又一次重大飛躍，是以原子能、電子計算機、空間技術和生物工程的發明和應用為主要標志，涉及信息技術、新能源技術、新材料技術、生物技術、空間技術和海洋技術等諸多領域的一場信息控制技術革命。
　　對此，里夫金的回答是：“高中課本里的概念大錯特錯。”在他看來，真正的工業革命包含兩個同時存在、互相影響的因素：能源革命和信息傳播方式的革命。照此推理，前兩次工業革命的本質其實是：第一次工業革命時期（18世紀60年代~19世紀40年代），通信技術發生了革命性變化，即從手工印刷到蒸汽機動力印刷，后者可以實現低成本大量印制并傳播信息，類似于今天的互聯網所帶來的變化，人們利用新的通信系統管理以煤炭為基礎的新能源系統；第二次工業革命時期（19世紀70年代~20世紀初），通信與能源再度攜手，集中的電力、電話以及后來的無線電和電視機可以管理更復雜的石油管道網、公路網，進而為城市文化的興起提供了可能性。
　　20世紀90年代，在長期研究的基礎上，里夫金徹底顛覆了前人對第三次工業革命的理解，提出了新定義：這是一場能源互聯網與可再生能源相結合而催生的人類社會、經濟的重大變革。
　　以前的經濟學家在研究第三次工業革命時，有的目光只集中在能源上，有的把重點放在通信上，里夫金則創造性地將兩者結合起來，并自信地得出結論：通信是社會有機體的神經系統，能源則是血液。如今，分布式的信息和通信技術正與分布式的可再生能源“強強聯合”，共同孕育真正的第三次工業革命。
　　為了傳播自己的“顛覆性”結論，里夫金撰寫了大量論文，發表在國際著名的《經濟學人》、《世界金融評論》等刊物上，并陸續出版了一系列著作—《工作的終結》、《生物技術的世紀》、《路徑時代》等，每本書都被翻譯成15種以上的語言。《第三次工業革命》則是其理論的集大成者。
　　除了在沃頓商學院的講臺上和書齋中激揚文字外，里夫金還是個活動家。從2000年開始，他一直穿梭于大西洋兩岸，講學、擔任顧問、組織基金會，奔走游說，身體力行，將自己2/5的時間留在了歐盟國家。
　　里夫金成功地使“第三次工業革命”這一概念成為歐盟各國首腦口中的政治名詞。2006年，里夫金開始與歐洲議會的高級官員共同起草第三次工業革命的經濟發展計劃。2007年5月，歐洲議會發布了一份正式書面聲明，宣布把第三次工業革命作為長遠的經濟規劃以及歐盟發展的路線圖。目前，歐洲委員會的諸多機構及其成員國正在執行第三次工業革命路線圖。
　　在2011年5月那個開幕式現場，里夫金展示了自己的最新研究成果—第三次工業革命五大支柱經濟計劃：（1）向可再生能源轉型；（2）將每一大洲的建筑轉化為微型發電廠，以便就地收集可再生能源；（3）在每一棟建筑物以及基礎設施中使用氫和其他存儲技術，以存儲間歇式能源；（4）利用互聯網技術將每一大洲的電力網轉化為能源共享網絡，調劑余缺，合理配置；（5）運輸工具轉向插電式以及燃料電池動力車，所需電源來自上述電網。
　　這五大支柱經濟計劃中的核心詞匯無一不與新能源有關，例如可再生能源、微型發電廠、存儲技術、能源共享網絡、電池動力車……也就是說，第三次工業革命與新能源的關系終于被提上了議事日程。

從木柴到煤炭再到石油

讓我們沿著里夫金的理論體系，回顧一下前兩次工業革命與能源革命的關系。
　　在古代，人類的主要能源來自木柴，中間雖然也有對煤炭和石油的利用，但這些利用僅限于零星的生活燃料和金屬冶煉，對人類文明的推動作用十分有限。因此，這一時代可以被稱作“植物能源時代”。
　　人類社會從植物能源時代跨越到化石能源時代的轉折發生在18世紀60年代的英國。從16世紀末到17世紀后期，英國的采礦業，特別是煤礦，已具備一定的規模，僅憑人力、畜力已難以滿足排除礦井地下水的需求，而現場又有豐富而廉價的煤炭作為燃料。現實的需要促使人們致力于尋找新的、更強大的動力來源。1698年，英國德文郡的托馬斯·塞維利發明了世界上第一臺蒸汽機。1712年，托馬斯·紐科門對其進行改進，制造出“紐科門式蒸汽機”。1769年，蘇格蘭發明家詹姆斯·瓦特在前人發明成果的基礎上，改良了蒸汽機的一系列技術設計，制造出了第一臺現代意義上的蒸汽機。
　　在前人的論述中，“瓦特式蒸汽機”的意義主要集中在技術革命方面—它所采用的汽缸、活塞、飛輪、飛錘調速器、閥門和密封件等均是構成多種現代機械的基本元件，這一系列技術催生了現代機械制造業；隨后，現代熱力學和機構學興起，為汽輪機和內燃機的發展奠定了基礎；它還推動了機械工業的發展，解決了大機器生產中最關鍵的問題，推動了交通運輸的巨大進步……
　　在我看來，發明蒸汽機更重要的意義在于，它讓人們告別了過去以木柴為主的植物能源時代，進入到以煤炭為主的化石能源時代。
　　蒸汽機促使人們從手工勞動向動力機器大規模轉向，紡織工業迅猛發展，植物能源時代所依托的土地、森林、有限的糧食等已經無法支撐大工業的發展與商業運輸的需求。隨著機械制造業、鋼鐵行業的發展，人類也不得不面對這樣的問題：即使砍光地球上所有的森林，也無法滿足人們對鐵礦石冶煉的需求。那么，能否找到足量的能源為蒸汽機提供充足的能量呢？ 
　　于是，人們不得不求助于煤炭。1709年，亞伯拉罕·達比嘗試在高爐煉鐵中用廉價的焦炭代替當時在英國已開始匱乏的木炭，取得了成功。亞伯拉罕家族的鐵廠也成為18世紀英國最成功的煉鐵及鑄造企業。隨著亞伯拉罕的成功，已經廢棄的古代煉鐵場—科爾布魯克戴爾逐漸成為鋼鐵冶煉中心，最后發展為工業重鎮。
　　1738年，煤炭已被視為“英國制造業的靈魂”。一向熱衷于航海和經商的盎格魯–撒克遜民族由此開始引領世界的工業化進程。
　　1800年，英國生產的煤和鐵比世界其他地區合在一起的產量還多。英國的煤產量從1770年的600萬噸上升到1800年的1 200萬噸，進而上升到1861年的5 700萬噸。同樣，英國的鐵產量從1770年的5萬噸增長到1800年的13萬噸，進而增長到1861年的380萬噸。至此，鐵這一原料已經豐富和便宜到足以普及一般建設。人類不僅進入了蒸汽時代、鋼鐵時代，同時也進入了煤炭時代。
　　這就是人類歷史上的“第一次工業革命”，從能源的角度理解，完成的是煤炭對木柴的替代。
　　化石能源的一大缺陷就是，采用之后會減少且不可再生。1820年之后的100年間，以煤炭為主要能源的國家都面臨著煤炭資源逐漸枯竭的現實。
　　回顧歷史，人類社會以往的兩次工業革命都以“能源替代”為內容和標志，第三次工業革命當然也不例外。
　　英國在1861年產煤5 700萬噸，到1865年時就達到1億噸量級。1900年，英國的產煤量已經達到2.25億噸，比1820年增加了13倍之多，比1865年增加了將近1.3倍。“一戰”前夕，英國的產煤量達到2.7億噸的最高峰，1929年前后又下降到2.4億噸。1950年前后，英國的產煤量僅為2億噸多一點。2010年左右，英國的產煤量僅為2 000萬噸左右，但煤炭使用量已經累計達到近200億噸，整個國家剩余的煤炭資源已不足1/3。
　　19世紀中葉，英國面臨嚴重的“能源危機”和“能源安全”問題。于是，第二次工業革命順勢走上歷史舞臺，這一次能源替代的主角是石油。
　　傳統觀點認為，“第二次工業革命”的首要內容就是電力的廣泛應用：1831年，英國科學家法拉第發現電磁感應現象；1866年，德國人西門子制成發電機；1870年，比利時人格拉姆發明電動機。電力工業和電器制造業迅速發展，人類跨入了“電氣時代”。
　　傳統觀點還認為，第二次工業革命還應該包括三方面的內容：內燃機和新交通工具的創制、新通信手段的發明、化學工業的建立。
　　我認為，用以上四個方面總結“第二次工業革命”的主要內容當然正確，但還不夠深刻。這樣的總結還是偏向技術革命，而忽略了背后隱藏的共同推動因素—能源革命。
　　我們從內燃機的發明講起。
　　1876年，德國人奧托制成了第一臺四沖程內燃機，以煤氣為燃料。19世紀80年代中期，德國發明家卡爾·本茨和他的同事成功研制出了以汽油為燃料的輕內燃發動機。19世紀90年代，德國工程師狄塞爾設計了一種效率較高的內燃發動機，由于它以柴油為燃料，故被稱作柴油機。
　　內燃機的發明解決了交通工具的發動機問題。19世紀晚期，新型的交通工具—汽車出現了。19世紀80年代，卡爾·本茨成功地制成了第一輛由汽油內燃機驅動的汽車，并由此成立了全球著名的奔馳汽車公司；1896年，美國人亨利·福特制造出他的第一輛四輪汽車，隨后成立了福特汽車公司，并創造了工業界沿用至今、號稱“福特主義”的工業生產模式。
　　隨后，以內燃機為動力的內燃機車、遠洋輪船、飛機等不斷涌現。1903年，美國萊特兄弟制造的飛機試飛成功，實現了人類在天空中翱翔的夢想，預示著交通運輸新紀元的到來。另一方面，內燃機的發明推動了石油開采業的發展，石油化學工業也應運而生。
　　簡言之，由于以石油作為能源基礎的電力成為補充和取代蒸汽動力的新能源，人類才得以跨入“電氣時代”；由于石油逐漸成為最基本的燃料來源，人類才得以開啟交通新紀元；同樣，石油業的發展催生了現代工業。
　　與煤炭相比，石油的物理性能更優越：同質量、同體積的石油產生的能量是煤炭的2倍，直接使用效果則達到3倍左右；石油極易汽化，可以實現連續性燃燒。因此，在第二次工業革命中，全世界的石油開采量越來越大，石油的重要地位也日益突出。
　　從產量的增加看，1870年，全球石油產量只有80萬噸，1900年猛增至2 000萬噸，1940年達到2.78億噸，1950年達到5.19億噸。
　　從石油與煤炭的比重看，以美國為例，1900年美國的石油產量為870萬噸，約占其煤炭產量的6.3%；1913年達到0.34億噸，相當于其煤炭產量的10.7%；1920年為0.61億噸，相當于其煤炭產量的18.5%；1950年為2.69億噸，相當于其煤炭產量的96%。
　　不僅如此，石油時代也是美國主導的時代。1920年，美國的石油產量約占全球的10%；1940年，美國的石油產量為1.91億噸，占全球產量的68.7%；1950年，美國的石油產量為2.69億噸，占全球產量的51.8%。
　　由此，我可以大膽地得出結論：第二次工業革命最核心的內容其實是能源革命，其本質內容是石油取代煤炭成為人類的第一大能源。主導這場變革的國家是美國。
　　回顧了從木柴到煤炭再到石油的發展史后，我們可以從能源更迭的角度將前兩次工業革命歸納如下：自1820年前后開始的100多年是化石能源時代的第一階段—煤炭時代。在這個階段，人類建立了煤炭能源經濟體系。到20世紀早期，煤炭的主導地位開始被石油取代，此時人類進入化石能源時代的第二階段—石油時代，建立了石油能源經濟體系。換言之，人類的工業革命史既是一部技術經濟遞進史，又是一部能源替代史。

新替代正在發生

20世紀后半葉，新一輪工業革命的概念開始在美國萌芽。從20世紀70年代開始，美國學者就開始了對“第三次工業革命”的探討，赫爾夫戈特、格林伍德、莫厄里等學者注意到了新技術（尤其是信息技術）對工人在企業中的地位、產業研發結構等的影響，進而推斷新的工業革命即將發生。
　　隨著21世紀的到來，石油和其他化石能源的枯竭態勢日漸明顯，隨之而來的全球氣候變化給人類的持續生存構成了威脅。同時，化石燃料驅動的原有工業經濟模式難以支撐全球的可持續發展，這就需要尋求一種能使人類進入“后碳”時代的新模式。于是，“第三次工業革命”的理論被正式提出。
　　進入21世紀，“第三次工業革命”理論的代表性人物共有兩位，一位是杰里米·里夫金，另一位是保羅·馬基利。
　　保羅·馬基利長期關注制造業技術和數字制造的發展。他認為，第三次工業革命這一數字化革命將帶來制造模式的重大變革，大規模流水線制造模式將宣告終結，人們可以完全按照自己的意愿來設計、制造。第三次工業革命甚至還可能帶來反城市化浪潮，取代城市生活的將是一種分散式的、自給自足的（農村）生活方式。
　　如前所述，里夫金的論述與保羅·馬基利的理論有一定的差別，他提出互聯網、綠色電力和3D（三維）打印技術正引導資本主義進入可持續、分布式發展的第三次工業革命時代，而所謂的第三次工業革命，就是能源互聯網與可再生能源結合導致人類生產生活、社會經濟發生重大變革。
　　同樣是“能源替代”，第三次工業革命與以往的工業革命有兩個根本不同：
　　第一，內容不同。前兩次工業革命是用一種化石能源替代另一種化石能源或木柴，而第三次工業革命則是用性質完全不同的新能源（即可再生能源）替代化石能源。將來也不會有更新的能源來替代可再生能源，所以這次替代可以被稱作“終極替代”。
　　第二，宗旨不同。第三次工業革命的能源替代不再以單純追求財富為終極目標，而是把改善人類生存質量和促進社會文明可持續發展放在主導地位。
　　拋開學術上的差別不談，我們將圍繞里夫金強調的可再生能源，展開對于“第三次工業革命”的展望。
　　可再生能源是一個與新能源緊密相關的概念。1980年召開的“聯合國新能源和可再生能源會議”對新能源的解釋是：以新技術和新材料為基礎，使傳統的可再生能源得到現代化的開發和利用，用取之不盡、周而復始的可再生能源取代資源有限、對環境有污染的化石能源，重點開發太陽能、風能、生物質能、潮汐能、地熱能、氫能和核能。
　　簡單地說，所謂新能源就是非常規能源，是一個與傳統能源、常規能源相對應的概念。這一概念絕大多數時候與可再生能源重合，但有時又會有所區別，比如，水能是可再生能源，但是因為水電的開發利用已經有一段歷史，按照目前的能源分類標準，往往被視為傳統能源。
　　
　　伴隨著第三次工業革命的進程，新能源不是補充而是替代化石能源。到2035年，清潔能源將占全球一次能源利用總量的50%，新能源大規模替代化石能源的時代已經來臨！
　　化石能源越來越不適應社會進步的需求。比如，它會導致能源緊缺、電網安全事故頻發、油價高漲；同時，它具有高碳排放的弊端，使得環境污染日益嚴重。所以，以環保和可再生為特質的新能源越來越受各國重視。
　　2003年8月14日，北美地區發生有史以來最嚴重的大面積斷電事故，波及美國1/4的地區。據美林公司首席經濟學家戴維·羅森伯格估計，整體經濟損失大概為250億~300億美元。這場事故給現代工業文明帶來了極大沖擊—連這個發明電燈電話、百年前就把帝國大廈點亮的強國，電網安全形勢同樣不容樂觀。
　　2004年9月，第19屆世界能源大會在悉尼舉行，來自全球的2 500名官員、業界領袖及學者參加了大會。大會的主題正是“實現可持續性：能源工業的機遇和挑戰”。在這次大會上，專家們普遍認為，21世紀的油價高漲可能成為長期趨勢。
　　的確如此。石油時代的巔峰時期是1950~1980年，當時石油價格低廉，供應充足。而經過長達60余年的巨量消費，全球石油供應已進入戰略枯竭期，石油價格飆升。
　　由于石油價格的飛速上漲，目前全球有1/3的人享受不到現代能源服務。而且，從以往案例來看，現有的以石油為主導的能源體系無法保證能源安全，也無法滿足環境保護的需求。

2013年1月，中國華北、華中大片地區連續出現了嚴重的霧霾天氣，北京尤為嚴重。一個月里只有4天是好天氣，其余的日子都籠罩在昏暗的霧霾之中。造成如此嚴重霧霾天氣的罪魁禍首就是以化石能源消費為主的人為污染。
　　不單單是中國，世界各地的科學報告都對地球面臨的日益嚴重的環境危機提出了警告。科學界的一個激進觀點是，假如二氧化碳濃度無法從2008年的430ppm（1ppm為百萬分之一）回落，地球冰蓋的局部融化將導致洪水泛濫，除非人類設法將2050年的二氧化碳排放量減至50億~100億噸，否則人類將面臨滅頂之災。
　　能源危機意味著整個時代呼吁能源替換。正是基于化石能源導致的資源價格飆升、能源枯竭、安全與環境等種種無可回避的問題，無論從安全的角度還是可持續發展的角度出發，整個人類社會都迫切需要建立新能源體系。正如杰里米·里夫金在《第三次工業革命》一書中描述的那樣，在不遠的將來，每個建筑都是小型發電廠，人人都是綠色能源的自主生產者。除此之外，人們可以將生產出的多余能量上傳至電網，這就是我經常說的“自發自用，多余上網”。
　　不管人們承認與否，人類都即將步入“后碳”時代，互聯網信息技術與可再生能源的融合將帶來一場全新的工業革命。
　　在這場革命中，可再生能源將是關鍵所在。每一次工業革命的本質要素之一—能源替代極有可能再次上演，新能源將替代傳統能源。
　　傳統能源的代表是煤炭和石油，那么誰能成為新能源的主要代表呢？

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