碳、工業化和溫室氣體

對比非常明顯。

前工業社會利用的差不多都是即時的太陽能量流，對實際上取之不盡的太陽輻射能量進行的轉化則少到幾乎可以忽略不計。

現代文明依賴于提取巨大的能量儲蓄，耗盡有限的化石燃料。雖然對核裂變的依賴和對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級能量的86%，這一比例只比一代人之前的1990年少4%。

通過利用這些豐富的儲藏，我們所創造的社會轉化了前所未有的巨大能量，最終產生了新的高能耗的服務型經濟，也造成了許多令人擔憂的后果。它們造成了全球生物圈的不穩定，尤其是全球變暖的相對加快帶來了許多糟糕的結果。

前所未有的力量

關于全球統計數據的最佳匯編顯示，自19 世紀人們開始大規模開采化石燃料以來，它們的生產持續呈指數級增長。

從1810—1910年，煤炭開采量從10Mt增加到了1Gt，增長了100 倍; 煤炭開采量在1950年達到1.53Gt，2000年達到4.7Gt，它于2015年下降至7.9Gt 之前曾達到8.25Gt。

原油開采量從19世紀80年代末的不到10Mt，增加到1988年的超過3Gt，增長了約300倍;2000年為3.6 Gt ，2015年為近4.4 Gt。天然氣產量增加了1000倍，從19世紀80年代末的不足2Gm3 增加到1991年的2Tm3;2000年為2.4Tm3，2015年為 3.5Tm3。在整個20世紀期間，全球化石能源開采總量增長了14倍。

要追溯這種擴張有個更好的方法，就是計算真正的有用能量的增長：用實際傳遞的熱、光和動量來表達增長。

早期的化石燃料轉化效率相當低（白熾燈<2%，蒸汽機車<5%，熱發電<10%，小型煤爐<20%），燃煤鍋爐和爐灶的改善很快就使這些效率翻了一番，家用爐具以及工業和電廠鍋爐能以較高的效率轉化液態碳氫化合物。

只有使用汽油的乘用車內燃機效率較低。無論是高爐、鍋爐還是燃氣輪機，使用天然氣都是高效的，效率通常超過90%。初級電力的轉換效率也是如此。

1900年，全球的能量使用平均加權效率不高于20%;到2015年，全球化石燃料和初級電力轉化的平均量已達到商業能量投入總量的50%。國際能源署的統計表明，2013年全球初級能量供應為18.8Gt油當量，最終消費量為9.3Gt 油當量。

與此同時，化石能源的總供應量在20世紀增長14倍，能量供應效率穩步增長，和 1990年相比，增長30倍以上。

結果就是，在1900年已經使用化石燃料做主要能量供應源的富裕國家，現在每一個單位的初級能量供應所提供的有用能量，是一個世紀前的兩倍甚至三倍;直到20世紀下半葉才由現代化能量主導的低收入國家，每個單位的初級能量供應所提供的有用能量普遍可以達到一個世紀前的5—10倍。

能量使用的急劇增長，也將人均消耗水平提升到了前所未有的高度。

采集社會人們所需的能量主要來自食品供應，當時的人均年消耗量不超過 5—7GJ。埃及新王國時期人均年消耗量不超過10—12GJ，關于羅馬帝國早期的能量消耗情況的最佳估值約為每人每年 18GJ。

早期工業社會輕而易舉地使傳統人均能量消耗翻了一番。增加的消耗量大多來自由煤的燃燒支撐起來的制造業和交通運輸業。估計1500年歐洲平均值約為每人每年消耗 22GJ，后一直停滯在16.6—18.1GJ，直至1800年。

美國的年人均消耗量，從1820年的不到70GJ增長到1910年的150GJ。一個世紀后，所有富裕歐洲國家的年人均能量消耗量都達到150GJ 以上，美國的人均值則超過300GJ。在能量消耗升高的同時，能量結構也發生了改變。

在采集社會，食物是唯一的能量來源。估計在羅馬帝國早期，食物和飼料占能量來源的45%。在前工業時代的歐洲，食物和飼料占能量來源的 20%—60%，到 1820年，所占份額的平均值不超過 30%;到1990年，在英國和德國它們的份額不到10%。

到20世紀60年代，飼料供應能量的份額跌到了可以忽略不計的程度，在最富裕的社會，食物能量不超過總量的3%，甚至低于2%。

在這些富裕國家，工業、交通和居民家用的燃料和電變成了能量消耗的主力。在高收入經濟體中，人均電力輸送值升高了兩個數量級。到 2010年，西歐的人均年電力輸送值達到7MWh，美國為13MWh。個人直接控制的能量流之間的對比同樣讓人印象深刻。

1900年，北美大平原上的一名農場主牽著6匹大型馬的韁繩耕種麥田。他坐在鋼制座椅上，常常全身覆滿灰塵，要付出相當的體力勞動，控制著不超過 5kW的生物能量。一個世紀后，他的曾孫高高地坐在裝有空調的舒適的拖拉機駕駛室里，輕松控制著功率超過250kW的柴油發動機。

1900年，一名工程師操作一臺1MW蒸汽動力的燃煤火車頭拉著列車，以100km/h 的速度行駛——這已是手動加煤所能表現出的最好性能了。到2000年，飛行員駕駛波音747在11km的高空飛過跨越大陸的航線。在4個燃氣輪機輸出的120MW功率的力量推動下，飛機以900km/h 的速度飛行。

能量越集中，也就要求更安全的防護措施。

直至19世紀，坐在城際交通馬車上的車夫，穩定控制的能量通常不超過3kW（4匹馬拉的馬車），搭載4—8名乘客。城際噴氣飛機駕駛員則操控著30MW的噴氣發動機，搭載150—200名乘客。在操控有著4個數量級差別的兩種能量（即3kW和30MW）的過程中，短暫的走神或判斷失誤帶來的后果明顯存在著巨大差別?？刂拼祟愶L險的一個顯而易見的辦法是采取電子控制。

電子控制和連續監控，已經與被廣泛使用的電腦和移動電子設備一樣，成了電力需求的主要新類型。

“煤基”工業化

“工業革命”一詞既相當具有吸引力，又有誤導性，這個概念的英語起源至少要回溯到16 世紀后期，但英國全面的工業發展要等到 1850年之前才開始。即便到那時，傳統工匠的數量也大大超過在工廠里操作機器的工人：1851 年人口普查顯示，英國的鞋匠比煤礦工更多，鐵匠比煉鐵工人更多。

關鍵的國家特質導致了迥異的工業化模式。

法國注重水力發展，美國和俄羅斯長期依賴木材，日本則有著細致工藝的傳統。煤和蒸汽最初并不是工業化的革命性因素。慢慢地，它們才以前所未有的程度和可靠性來提供熱和機械能。此時工業化進程才開始擴大和加速，最終成為化石能源消費膨脹的代名詞。

對工業擴張而言，采煤業并非必不可少——但它對于工業化的加速發展無疑是至關重要的。

比利時和荷蘭的比較能說明這種影響。高度城市化的荷蘭社會，有著出色的航運能力和相對發達的商業和金融，卻最終落后于起初比較貧窮但煤炭資源豐富的比利時。比利時在19 世紀中葉成為歐洲大陸工業化完成度最高的國家。以煤為基礎的經濟較早騰飛的歐洲地區還包括萊茵—魯爾地區、哈布斯堡帝國的波希米亞和摩拉維亞以及普魯士和奧地利的西里西亞。

以煤炭為基礎的工業化發展模式，在西歐和中歐之外也曾反復出現。

擁有優質無煙煤的賓夕法尼亞州和擁有優質煙煤的俄亥俄州，成為美國工業化發展的早期領導者。在一戰前的俄國，儲量豐富的烏克蘭頓涅茨克煤礦的發現和 19 世紀70年代巴庫油田的開發，帶動了隨后的快速工業擴張。

明治時代，日本的現代化發展也得益于九州北部的煤。日本開放國門僅僅48年后的1901年，九州北部的八幡制鐵所（日本鋼鐵公司的前身）東田1號高爐的開爐，標志著日本的第一座現代化綜合鋼鐵廠開始投入生產。

印度最大的商業帝國（塔塔集團）則起源于J. 塔塔1911年在賈姆謝德布爾建立的使用比哈里焦炭的高爐。

一旦有了煤和蒸汽動力的推動，傳統制造商就能以更低的成本生產更多的優質產品。這一成就是大眾消費必要的先決條件。廉價而可靠的機械能供應，確保了加工工藝變得越來越復雜。反過來，這又導致零件、工具和機器的制造開始變得更復雜和更專業。

那些以煤、焦炭和蒸汽為動力的新產業形成后，便以前所未有的速度為國內和國際市場供應貨物。1810 年后，高壓鍋爐和管道開始投入制造。1830年后，鐵路、機車和貨車產量迅速增加。水輪機和螺旋槳的產量則在1840年后開始增長。

1850年后，鋼鐵船體和海底電報線纜有了巨大的新市場。生產廉價鋼材的商業方法——先是 1856年之后的貝塞麥轉爐，然后是19世紀60年代的“西門子—馬丁”平爐——創造了更大的新興制成品市場，從餐具到鐵軌、從鐵犁到建筑橫梁等。

燃料投入的增加和以機器替代工具，使得人體肌肉變成了一種邊緣能量源。人類勞動不斷地轉到支持、控制和管理生產過程的工作上來。

對英格蘭和威爾士一個半世紀的人口普查和勞動力調查結果進行分析，可很好地說明這一趨勢。1871年，大約24%的勞動者從事“肌肉力量”型工作（農業、建筑和工業），只有約1% 的人在從事“管理”型工作（健康和教育、兒童和家庭護理、福利工作）。

到2011年，“管理”型工作占到了 12%，“肌肉力量”型工作僅占 8%。且今天的許多“肌肉力量”型工作（如清潔、家政服務以及常規的工廠流水線工作）都在很大程度上實現了機械化。

即使人類勞動的重要性開始下降，最近的一些對個人任務和完整工業流程的系統性研究仍表明，通過對肌肉活動進行優化、重新安排和標準化，勞動生產率可以大大提高。

弗雷德里克·溫斯洛·泰勒（Frederick Winslow Taylor，1856—1915）是這類研究的先驅。從1880年開始，他花費了26年的時間來量化鋼鐵切割中涉及的所有關鍵變量，將他的所有發現簡化為一套簡單的計算規則，并在《科學管理原理》（The Principles of Scientific Management）中總結了關于效率管理的一般結論。

一個世紀之后，它仍在指導著世界上的一些最成功的消費品制造商。

電力的革命

當蒸汽機因電氣化而黯然失色，一個全新的工業化時代便隨之來臨了。

電是一種更好的能量形式（不僅在與蒸汽動力相比時如此）。只有電可以即時輕松地接入，且能非常可靠地為每一種消費（飛行除外）提供服務。只需撥動開關，我們就能將電轉換為光、熱、動能或化學能量。電流易于調節，實現了前所未有的精度、速度和過程控制。

20世紀全球電力輸出的增速甚至超過了化石能源開采的增長——后者的年增長率約為3%。

1900年，不到2%的燃料被轉化為電力，到20世紀末，這一比例已上升至近 25%。除此之外，新的水電站（在第一次世界大戰后大規模發展）和新的核電設施使得發電量進一步擴大。

1900-1935年間，全球電力供應每年增長約11%，此后以超過9%的年增長率一直持續增長到20世紀70年代早期，在剩余時間里，發電量的年增長率降至3.5%左右，很大程度上是高收入經濟體需求量更低、轉化率更高的結果。

蒸汽機替代水車，并沒有改變工業生產中的機械能傳輸方式。因此，這種替代對工廠的整體布局幾乎沒有影響。工廠天花板下的空間里依然擠滿了與主軸連接的一堆副軸，它們通過皮帶將動力傳送到各個機器。

最初的電動機能夠驅動的傳動軸更短，它們只能為一小組機器提供動力。

1900 年后，獨立的單元驅動迅速成為常態。1899—1929年，美國制造業的機械總裝機功率增長了約3倍，工業電動機的容量增長了近60 倍，提供了82%以上的可用功率。在19世紀末，這一份額還不到 5%。

從19世紀90年代后期開始，電動機只用了30年就基本取代了蒸汽動力和直接由水力驅動的裝置。這種高效又可靠的單元動力供應的影響，遠不只消除了頭頂雜亂的管道（和由之而來的不可避免的噪聲與事故風險）。

傳動軸的拆除解放了天花板，后者因此得以安裝更好的照明和通風系統，并使工廠的設計更靈活，更容易擴展。電動機的高效以及在更好的工作環境中的精確、靈活和獨立的動力控制，最終大大提高了勞動生產率。

電氣化還創造了大量的專門產業，一開始是燈泡、發電機和輸電線的制造（1880 年以后），之后是蒸汽輪機和水輪機的生產（1890年以后）。

1920年后誕生了燃燒粉狀燃料的高壓鍋爐，使用大量鋼筋混凝土的巨型水壩也在10年后開始建造。1950年后，各地普遍開始安裝空氣污染控制設施。第一座核電廠于 1960 年前投入生產。

電力需求的不斷增長也促進了地球物理勘探和燃料的開采與運輸的發展。在材料特性、工程控制和自動化方面的大量基礎研究，對于生產更好的鋼鐵、其他金屬和合金是必需的，對那些用于提取、運輸和轉換能量的昂貴設備的可靠性的提高和壽命的延長也是必要的。

可靠又便宜的電力的可用性，幾乎改變了所有的工業活動。

經典但已過時（略顯僵化）的福特式流水線是基于1913年發明的輸送帶發展而來的，現代靈活的日式流水線則依賴于零部件的即時傳送和分工明確的工人。

這種在豐田工廠中采用的系統，將美國的經驗元素和日本本土的實踐與原創思想結合在了一起。豐田生產系統依賴于產品的不斷改進與對最佳質量控制的不斷追求。同樣，所有這些行為的基本共同點都是盡量減少能量浪費。

廉價的電力供應也催生了全新的金屬生產和電化學工業。通過電解冰晶石（Na3AlF6）溶劑中的氧化鋁（Al2O3），大規模提取并熔煉鋁成為可能。

從20 世紀30 年代開始，對于種類越來越多的塑料的合成和塑造以及最近一類新的復合材料（特別是碳纖維）的推出，電力都是必不可少的。這些材料的能量成本約為鋁的3倍，其最大的商業用途是在商業飛機制造中替代鋁合金：最新的波音787按體積計算，約有80%由復合材料組成。

正當新型輕質材料已經在很多地方取代鋼鐵的同時，煉鋼過程本身正越來越多地使用電弧爐。新型的更輕但更強韌的鋼材具備多種用途，尤其是在汽車制造業中。

如果沒有電力，具備嚴格公差的大規模微機械加工產業便不可能出現，也就不可能有如今常見的噴氣發動機或醫療診斷設備。當然，也不會有準確的電子控制，更別提遍布世界各地的電腦和數十億臺電信設備了。

冶煉的進化

能量和材料的大量流動，是工業化過程的基礎;金屬仍是典型的工業材料;以多種鋼材形式出現的鐵，仍是主要的金屬。

2014年，鋼鐵產量比四大有色金屬（即鋁、 銅、鋅和鉛）的產量總和高出近 20 倍。使用高爐冶煉鐵礦石，然后在氧氣頂吹轉爐中煉鋼，以及在電弧爐中冶煉二次回收的鋼材，仍然主導著鋼鐵生產。如果沒有更大更高效的高爐，鋼鐵產量的龐大增長是不可能的。

同樣，煉鋼技術效率的提高不僅在于能量耗費的減少，還在于產量的提高。

早期的貝塞麥轉爐的轉化率一開始不到60%，后來升至70%出頭（把鐵變成鋼）。平爐的轉化率最終可達80%左右。

于20世紀50年代開始使用的氧氣頂吹轉爐，如今最高轉化率可達95%。電弧爐的轉化率高達97%。電弧爐在今天每生產1噸鋼鐵，耗電量低于350kWh在1950年時則高于700kWh。

這些收益還伴隨著廢物排放率的降低：1960—2010年，美國每生產1噸 鐵水的二氧化碳排放下降了近50%，粉塵排放下降了98%。通過對鐵水進行持續鑄造，能量成本進一步降低。這一創新取代了傳統的鑄鐵生產過程。

由此而來的產量增幅非常大，即使按人均計算也是指數級增長：1850年（現代鋼鐵產業開始之前），每年的鋼鐵產量不足100kt，平均到每人只有 75g，且全部以手工方式生產。

1900年，鋼鐵總產量為30Mt，全球人均值為18kg。到2000年，總產量為850Mt，人均140kg。到2015年，全球鋼鐵總產量達到1，650Mt，人均225kg，約為1900 年時的12.5 倍。

據估計，2013年全球鋼鐵生產至少需要 35EJ 的燃料和電力，占全世界初級能量供應總量的不到7%。因此，鋼鐵業是全世界能量消耗最大的工業領域。相比之下，其他所有工業的能耗總和為23%，交通運輸為 27%，住宅用途和服務業為36%。

迄今為止，鋁冶煉技術的進步是有色冶金領域最重要的創新。

鋁元素于1824年首次被提純出來，要等到1866年才出現可以大規模生產鋁的經濟的工藝。美國的查爾斯.馬丁.霍爾（Charles M. Hall）和法國的埃魯（P. L. T. Héroult）各自的獨立發明是建立在氧化鋁的電解技術之上的。

當時提取鋁金屬所需的能量至少要比熔煉鋼鐵高出6倍以上。即便在大規模發電開始后，鋁業發展仍然緩慢。在19世紀80年代，冶鋁的具體電力消耗超過了每噸5萬千瓦時，后來霍爾—埃魯工藝的穩步改進，使這一比率到1990年降低了 2/3以上。

鋁的用途的擴大起初是由航空業的發展推動的。20 世紀20年代后期，金屬機身取代了木材和布料制作的機身。之后，第二次世界大戰期間建造戰斗機和轟炸機的需求使得對鋁的需求急劇增加。

自1945年以來，只要哪個領域的設計同時需要材料的輕便和高強度，鋁和鋁合金就會在這個領域替代鋼鐵，這些應用場景包括汽車、鐵路用漏斗車和宇宙飛船。需注意一點，新型輕質鋼合金在這些市場也能起到作用。

自20世紀50年代以來，鈦已經在高溫應用場景中（特別是超音速飛機）取代了鋁。不過，鈦生產的過程能量密集度至少是鋁的3倍。盡管在一個專注于最新電子技術進步的社會，大規模量產金屬的根本重要性經常被人們忽視，但毫無疑問，通過與現代電子產品的不斷融合，現代制造業已經發生變化。

二者的結合，帶來了前所未有的精確控制和靈活性，極大地豐富了可用設計的選擇，并改變了營銷、分銷和績效監控方式。

一項全球性的對比顯示，2005 年，美國制造商從外部企業購買的服務的費用占工業成品附加值的30%，在歐盟主要經濟體中這一份額也相似（23%——29%）。2008 年，與服務相關的職位略高于美國制造業所有就業崗位的一半（53%），而在德國、法國和英國也達到了44%——50%，在日本則是32%。

“地球物理實驗”?

化石燃料和電的供應與使用，是大氣污染和溫室氣體排放最主要的人為因素，也是導致水污染和土地利用發生變化的主要原因。

當然，無論哪種化石燃料的燃燒都和碳的快速氧化有關，都會增加二氧化碳排放量。

甲烷（CH4）作為一種效果更顯著的溫室氣體，會在天然氣的生產和運輸過程中被釋放出來;化石燃料的燃燒過程也會釋放少量的一氧化二氮（N2O）。

在過去，煤的燃燒是顆粒物質、硫和氮的氧化物（SOx 和 NOx）的主要來源，如今這些物質的固定排放大部分被靜電除塵器、脫硫和氮氧化物去除過程控制住了。即便如此，煤燃燒排放的物質仍會對健康產生重大影響。

燃料和電力也會間接造成更多污染和生態系統退化，其中最明顯的是工業生產（主要來自黑色冶金和化學合成）、農業化學品、城市化和交通運輸。

相比于過去，這些影響在程度和強度上都有所增加，影響范圍也從地方拓展到了地區。這些代價已經迫使所有主要經濟體越來越重視環境管理。

到20世紀60年代，環境退化的表現之一是中歐、西歐和北美東部的酸雨。它主要是由大型煤電廠的硫氧化物和氮氧化物排放與汽車排放造成的，影響范圍一度覆蓋半個大陸。

直到20世紀80年代中期，酸雨一直被富裕國家普遍視為所面臨的最緊迫的環境問題。一系列行動——使用低硫煤和無硫天然氣發電，使用更清潔的汽油和柴油以 及更高效的汽車發動機，在主要污染源安裝煙氣脫硫設施——不僅阻止酸化的加深，到1990年還使情況發生了逆轉。1990年以來，同樣的問題在東亞又出現了。

南極洲和周圍海域上空的臭氧層被部分破壞，曾短暫地成為與能量使用相關的環境問題中的首要話題。早在1974 年科學家就準確預見到，保護地球免受過度紫外線輻射的平流臭氧層濃度可能會降低。直到 1985 年，人們才首次在南極洲上空測量到該現象。

臭氧損失主要是氯氟烴（CFCs，主要用作制冷劑）的排放造成的。世界各國在 1987 年 簽署了一項有效的國際條約，即《蒙特利爾議定書》，并使用危害較小的化合物來替代氯氟烴，很快緩解了這一擔憂。

對臭氧層的威脅只是氣候變化引發全球性后果的幾個新問題中的第一個。

自 20 世紀80 年代后期以來，有一個全球性氣候問題一直尤為緊要：人為排放的溫室氣體導致氣候相對迅速變化，尤其是對流層變暖、海洋酸化與海平面升高。

早在19 世紀末，人類就對溫室氣體的性質以及它們可能造成的變暖效應有了相當的了解。最主要的人為因素是二氧化碳，它是所有化石燃料和生物質燃料有效燃燒的最終產物。森林（尤其是在潮濕的熱帶地區）和草原的退化一直是二氧化碳排放第二大來源。

自1850年——當時大氣里只有 54Mt 碳（轉化為二氧化碳時需乘以3.667）——以來，全球的人為二氧化碳排放呈指數級增長，與化石燃料消費的增加保持同步：到 1900 年，大氣中的碳含量已上升到534Mt，到 2010 年超過9Gt（Boden and Andres 2015）。

1957 年，漢斯·聚斯（Hans Suess）和羅格·雷維爾（Roger Revelle）總結道：

人類正在進行一場大規模的地球物理實驗。

這種實驗在過去不可能發生，在未來也不會再現。我們在短短幾個世紀的時間里，向大氣和海洋傾瀉著大自然用數億年的時間才沉積儲存在巖層中的濃縮有機碳。

第一次系統測量二氧化碳濃度上升情況的實驗是由查爾斯.基林（Charles Keeling，1928—2005）組織的，于 1958 年在夏威夷莫納羅亞火山山頂附近和南極點開展（Keeling 1998）。

莫納羅亞火山的二氧化碳濃度數據一直是對流層二氧化碳濃度上升的全球性指標：1959年其平均值約為316ppm（ppm指百萬分比濃度，1ppm=0.001‰），1988 年超過350ppm，到2014年達到 398.55ppm。

人類活動釋放的其他溫室氣體體積比二氧化碳小得多，但由于它們的分子能吸收更多的紅外輻射（20年中，甲烷吸收的紅外輻射是二氧化碳的86倍，一氧化二氮吸收的紅外幅射是二氧化碳的268倍），它們加起來貢獻因人為因素而增強的熱輻射的35%。

目前人們的共識是：為避免全球變暖造成最嚴重的后果，平均氣溫的上升幅度應限制在2℃以內。這需要立即大幅削減化石燃料的使用，并迅速過渡到非碳能源時代。

這個方案雖不是毫無可能，但非常難以實現。

因為要考慮到化石燃料在全球能源系統中所占的主導地位，以及低收入社會對能源的龐大需求：我們可以用可再生發電來滿足某些新的大規模能源需求，目前在運輸燃料、生產化工原料（氨、塑料）和鐵礦石冶煉方面，還沒有經濟實惠且可大規模應用的替代能源。

本文選編自《能量與文明》，瓦茨拉夫·斯米爾著，吳玲玲、李竹譯，九州出版社出版，后浪出品方授權刊載，2021年5月出版。