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能源替代:工业革命的“核心动力”

作者:李河君   出版社:中信出版社  和讯读书
  我们已经经历了两次波澜壮阔的工业革命,第一次的推动力看似是蒸汽机,实则是煤炭;第二次的推动力看似是电力,实则是石油。从木柴到煤炭再到石油,人类的历史被化石能源改变,人类的未来则系于可再生能源。

  可再生能源如何替代化石能源?未来又会发生什么?

  里夫金的“五大支柱说”

  2011年5月24日,《第三次工业革命》一书的作者、享有国际声誉的美国未来学家杰里米·里夫金出现在了经济合作与发展组织(OECD,简称“经合组织”)第50届部长级周年会议的开幕式现场。在开幕式上,他向参会的首脑和政府部长们提出了一个至关重要的规划:第三次工业革命五大支柱经济计划。

  在过去的20年里,这位目光如炬的宾夕法尼亚大学沃顿商学院教授,几乎颠覆了前人关于“第三次工业革命”的理论体系和重要观点。

  在里夫金之前,“第三次工业革命”的定义已经有了一个世界通用的版本,甚至还被写进了高中课本:它是人类文明史上继蒸汽技术革命(第一次工业革命)和电力技术革命(第二次工业革命)之后科技领域里的又一次重大飞跃,是以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志,涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命。

  对此,里夫金的回答是:“高中课本里的概念大错特错。”在他看来,真正的工业革命包含两个同时存在、互相影响的因素:能源革命和信息传播方式的革命。照此推理,前两次工业革命的本质其实是:第一次工业革命时期(18世纪60年代~19世纪40年代),通信技术发生了革命性变化,即从手工印刷到蒸汽机动力印刷,后者可以实现低成本大量印制并传播信息,类似于今天的互联网所带来的变化,人们利用新的通信系统管理以煤炭为基础的新能源系统;第二次工业革命时期(19世纪70年代~20世纪初),通信与能源再度携手,集中的电力、电话以及后来的无线电和电视机可以管理更复杂的石油管道网、公路网,进而为城市文化的兴起提供了可能性。

  20世纪90年代,在长期研究的基础上,里夫金彻底颠覆了前人对第三次工业革命的理解,提出了新定义:这是一场能源互联网与可再生能源相结合而催生的人类社会、经济的重大变革。

  以前的经济学家在研究第三次工业革命时,有的目光只集中在能源上,有的把重点放在通信上,里夫金则创造性地将两者结合起来,并自信地得出结论:通信是社会有机体的神经系统,能源则是血液。如今,分布式的信息和通信技术正与分布式的可再生能源“强强联合”,共同孕育真正的第三次工业革命。

  为了传播自己的“颠覆性”结论,里夫金撰写了大量论文,发表在国际著名的《经济学人》、《世界金融评论》等刊物上,并陆续出版了一系列著作—《工作的终结》、《生物技术的世纪》、《路径时代》等,每本书都被翻译成15种以上的语言。《第三次工业革命》则是其理论的集大成者。

  除了在沃顿商学院的讲台上和书斋中激扬文字外,里夫金还是个活动家。从2000年开始,他一直穿梭于大西洋两岸,讲学、担任顾问、组织基金会,奔走游说,身体力行,将自己2/5的时间留在了欧盟国家。

  里夫金成功地使“第三次工业革命”这一概念成为欧盟各国首脑口中的政治名词。2006年,里夫金开始与欧洲议会的高级官员共同起草第三次工业革命的经济发展计划。2007年5月,欧洲议会发布了一份正式书面声明,宣布把第三次工业革命作为长远的经济规划以及欧盟发展的路线图。目前,欧洲委员会的诸多机构及其成员国正在执行第三次工业革命路线图。

  在2011年5月那个开幕式现场,里夫金展示了自己的最新研究成果—第三次工业革命五大支柱经济计划:(1)向可再生能源转型;(2)将每一大洲的建筑转化为微型发电厂,以便就地收集可再生能源;(3)在每一栋建筑物以及基础设施中使用氢和其他存储技术,以存储间歇式能源;(4)利用互联网技术将每一大洲的电力网转化为能源共享网络,调剂余缺,合理配置;(5)运输工具转向插电式以及燃料电池动力车,所需电源来自上述电网。

  这五大支柱经济计划中的核心词汇无一不与新能源有关,例如可再生能源、微型发电厂、存储技术、能源共享网络、电池动力车……也就是说,第三次工业革命与新能源的关系终于被提上了议事日程。

  从木柴到煤炭再到石油

  让我们沿着里夫金的理论体系,回顾一下前两次工业革命与能源革命的关系。

  在古代,人类的主要能源来自木柴,中间虽然也有对煤炭和石油的利用,但这些利用仅限于零星的生活燃料和金属冶炼,对人类文明的推动作用十分有限。因此,这一时代可以被称作“植物能源时代”。

  人类社会从植物能?时代跨越到化石能源时代的转折发生在18世纪60年代的英国。从16世纪末到17世纪后期,英国的采矿业,特别是煤矿,已具备一定的规模,仅凭人力、畜力已难以满足排除矿井地下水的需求,而现场又有丰富而廉价的煤炭作为燃料。现实的需要促使人们致力于寻找新的、更强大的动力来源。1698年,英国德文郡的托马斯·塞维利发明了世界上第一台蒸汽机。1712年,托马斯·纽科门对其进行改进,制造出“纽科门式蒸汽机”。1769年,苏格兰发明家詹姆斯·瓦特在前人发明成果的基础上,改良了蒸汽机的一系列技术设计,制造出了第一台现代意义上的蒸汽机。

  在前人的论述中,“瓦特式蒸汽机”的意义主要集中在技术革命方面—它所采用的汽缸、活塞、飞轮、飞锤调速器、阀门和密封件等均是构成多种现代机械的基本元件,这一系列技术催生了现代机械制造业;随后,现代热力学和机构学兴起,为汽轮机和内燃机的发展奠定了基础;它还推动了机械工业的发展,解决了大机器生产中最关键的问题,推动了交通运输的巨大进步……

  在我看来,发明蒸汽机更重要的意义在于,它让人们告别了过去以木柴为主的植物能源时代,进入到以煤炭为主的化石能源时代。

  蒸汽机促使人们从手工劳动向动力机器大规模转向,纺织工业迅猛发展,植物能源时代所依托的土地、森林、有限的粮食等已经无法支撑大工业的发展与商业运输的需求。随着机械制造业、钢铁行业的发展,人类也不得不面对这样的问题:即使砍光地球上所有的森林,也无法满足人们对铁矿石冶炼的需求。那么,能否找到足量的能源为蒸汽机提供充足的能量呢?

  于是,人们不得不求助于煤炭。1709年,亚伯拉罕·达比尝试在高炉炼铁中用廉价的焦炭代替当时在英国已开始匮乏的木炭,取得了成功。亚伯拉罕家族的铁厂也成为18世纪英国最成功的炼铁及铸造企业。随着亚伯拉罕的成功,已经废弃的古代炼铁场—科尔布鲁克戴尔逐渐成为钢铁冶炼中心,最后发展为工业重镇。

  1738年,煤炭已被视为“英国制造业的灵魂”。一向热衷于航海和经商的盎格鲁–撒克逊民族由此开始引领世界的工业化进程。

  1800年,英国生产的煤和铁比世界其他地区合在一起的产量还多。英国的煤产量从1770年的600万吨上升到1800年的1 200万吨,进而上升到1861年的5 700万吨。同样,英国的铁产量从1770年的5万吨增长到1800年的13万吨,进而增长到1861年的380万吨。至此,铁这一原料已经丰富和便宜到足以普及一般建设。人类不仅进入了蒸汽时代、钢铁时代,同时也进入了煤炭时代。

  这就是人类历史上的“第一次工业革命”,从能源的角度理解,完成的是煤炭对木柴的替代。

  化石能源的一大缺陷就是,采用之后会减少且不可再生。1820年之后的100年间,以煤炭为主要能源的国家都面临着煤炭资源逐渐枯竭的现实。

  回顾历史,人类社会以往的两次工业革命都以“能源替代”为内容和标志,第三次工业革命当然也不例外。

  英国在1861年产煤5 700万吨,到1865年时就达到1亿吨量级。1900年,英国的产煤量已经达到2.25亿吨,比1820年增加了13倍之多,比1865年增加了将近1.3倍。“一战”前夕,英国的产煤量达到2.7亿吨的最高峰,1929年前后又下降到2.4亿吨。1950年前后,英国的产煤量仅为2亿吨多一点。2010年左右,英国的产煤量仅为2 000万吨左右,但煤炭使用量已经累计达到近200亿吨,整个国家剩余的煤炭资源已不足1/3。

  19世纪中叶,英国面临严重的“能源危机”和“能源安全”问题。于是,第二次工业革命顺势走上历史舞台,这一次能源替代的主角是石油。

  传统观点认为,“第二次工业革命”的首要内容就是电力的广泛应用:1831年,英国科学家法拉第发现电磁感应现象;1866年,德国人西门子制成发电机;1870年,比利时人格拉姆发明电动机。电力工业和电器制造业迅速发展,人类跨入了“电气时代”。

  传统观点还认为,第二次工业革命还应该包括三方面的内容:内燃机和新交通工具的创制、新通信手段的发明、化学工业的建立。

  我认为,用以上四个方面总结“第二次工业革命”的主要内容当然正确,但还不够深刻。这样的总结还是偏向技术革命,而忽略了背后隐藏的共同推动因素—能源革命。

  我们从内燃机的发明讲起。

  1876年,德国人奥托制成了第一台四冲程内燃机,以煤气为燃料。19世纪80年代中期,德国发明家卡尔·本茨和他的同事成功研制出了以汽油为燃料的轻内燃发动机。19世纪90年代,德国工程师狄塞尔设计了一种效率较高的内燃发动机,由于它以柴油为燃料,故被称作柴油机。

  内燃机的发明解决了交通工具的发动机问题。19世纪晚期,新型的交通工具—汽车出现了。19世纪80年代,卡尔·本茨成功地制成了第一辆由汽油内燃机驱动的汽车,并由此成立了全球著名的奔驰汽车公司;1896年,美国人亨利·福特制造出他的第一辆四轮汽车,随后成立了福特汽车公司,并创造了工业界沿用至今、号称“福特主义”的工业生产模式。

  随后,以内燃机为动力的内燃机车、远洋轮船、飞机等不断涌现。1903年,美国莱特兄弟制造的飞机试飞成功,实?了人类在天空中翱翔的梦想,预示着交通运输新纪元的到来。另一方面,内燃机的发明推动了石油开采业的发展,石油化学工业也应运而生。

  简言之,由于以石油作为能源基础的电力成为补充和取代蒸汽动力的新能源,人类才得以跨入“电气时代”;由于石油逐渐成为最基本的燃料来源,人类才得以开启交通新纪元;同样,石油业的发展催生了现代工业。

  与煤炭相比,石油的物理性能更优越:同质量、同体积的石油产生的能量是煤炭的2倍,直接使用效果则达到3倍左右;石油极易汽化,可以实现连续性燃烧。因此,在第二次工业革命中,全世界的石油开采量越来越大,石油的重要地位也日益突出。

  从产量的增加看,1870年,全球石油产量只有80万吨,1900年猛增至2 000万吨,1940年达到2.78亿吨,1950年达到5.19亿吨。

  从石油与煤炭的比重看,以美国为例,1900年美国的石油产量为870万吨,约占其煤炭产量的6.3%;1913年达到0.34亿吨,相当于其煤炭产量的10.7%;1920年为0.61亿吨,相当于其煤炭产量的18.5%;1950年为2.69亿吨,相当于其煤炭产量的96%。

  不仅如此,石油时代也是美国主导的时代。1920年,美国的石油产量约占全球的10%;1940年,美国的石油产量为1.91亿吨,占全球产量的68.7%;1950年,美国的石油产量为2.69亿吨,占全球产量的51.8%。

  由此,我可以大胆地得出结论:第二次工业革命最核心的内容其实是能源革命,其本质内容是石油取代煤炭成为人类的第一大能源。主导这场变革的国家是美国。

  回顾了从木柴到煤炭再到石油的发展史后,我们可以从能源更迭的角度将前两次工业革命归纳如下:自1820年前后开始的100多年是化石能源时代的第一阶段—煤炭时代。在这个阶段,人类建立了煤炭能源经济体系。到20世纪早期,煤炭的主导地位开始被石油取代,此时人类进入化石能源时代的第二阶段—石油时代,建立了石油能源经济体系。换言之,人类的工业革命史既是一部技术经济递进史,又是一部能源替代史。

  新替代正在发生

  20世纪后半叶,新一轮工业革命的概念开始在美国萌芽。从20世纪70年代开始,美国学者就开始了对“第三次工业革命”的探讨,赫尔夫戈特、格林伍德、莫厄里等学者注意到了新技术(尤其是信息技术)对工人在企业中的地位、产业研发结构等的影响,进而推断新的工业革命即将发生。

  随着21世纪的到来,石油和其他化石能源的枯竭态势日渐明显,随之而来的全球气候变化给人类的持续生存构成了威胁。同时,化石燃料驱动的原有工业经济模式难以支撑全球的可持续发展,这就需要寻求一种能使人类进入“后碳”时代的新模式。于是,“第三次工业革命”的理论被正式提出。

  进入21世纪,“第三次工业革命”理论的代表性人物共有两位,一位是杰里米·里夫金,另一位是保罗·马基利。

  保罗·马基利长期关注制造业技术和数字制造的发展。他认为,第三次工业革命这一数字化革命将带来制造模式的重大变革,大规模流水线制造模式将宣告终结,人们可以完全按照自己的意愿来设计、制造。第三次工业革命甚至还可能带来反城市化浪潮,取代城市生活的将是一种分散式的、自给自足的(农村)生活方式。

  如前所述,里夫金的论述与保罗·马基利的理论有一定的差别,他提出互联网、绿色电力和3D(三维)打印技术正引导资本主义进入可持续、分布式发展的第三次工业革命时代,而所谓的第三次工业革命,就是能源互联网与可再生能源结合导致人类生产生活、社会经济发生重大变革。

  同样是“能源替代”,第三次工业革命与以往的工业革命有两个根本不同:

  第一,内容不同。前两次工业革命是用一种化石能源替代另一种化石能源或木柴,而第三次工业革命则是用性质完全不同的新能源(即可再生能源)替代化石能源。将来也不会有更新的能源来替代可再生能源,所以这次替代可以被称作“终极替代”。

  第二,宗旨不同。第三次工业革命的能源替代不再以单纯追求财富为终极目标,而是把改善人类生存质量和促进社会文明可持续发展放在主导地位。

  抛开学术上的差别不谈,我们将围绕里夫金强调的可再生能源,展开对于“第三次工业革命”的展望。

  可再生能源是一个与新能源紧密相关的概念。1980年召开的“联合国新能源和可再生能源会议”对新能源的解释是:以新技术和新材料为基础,使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用,用取之不尽、周而复始的可再生能源取代资源有限、对环境有污染的化石能源,重点开发太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能、氢能和核能。

  简单地说,所谓新能源就是非常规能源,是一个与传统能源、常规能源相对应的概念。这一概念绝大多数时候与可再生能源重合,但有时又会有所区别,比如,水能是可再生能源,但是因为水电的开发利用已经有一段历史,按照目前的能源分类标准,往往被视为传统能源。

  伴随着第三次工业革命的进程,新能源不是补充而是替代化石能源。到2035年,清洁能源将占全球一次能源利用总量的50%,新能源大规模替代化石能源的时代已经来临!

  化石能源越?越不适应社会进步的需求。比如,它会导致能源紧缺、电网安全事故频发、油价高涨;同时,它具有高碳排放的弊端,使得环境污染日益严重。所以,以环保和可再生为特质的新能源越来越受各国重视。

  2003年8月14日,北美地区发生有史以来最严重的大面积断电事故,波及美国1/4的地区。据美林公司首席经济学家戴维·罗森伯格估计,整体经济损失大概为250亿~300亿美元。这场事故给现代工业文明带来了极大冲击—连这个发明电灯电话、百年前就把帝国大厦点亮的强国,电网安全形势同样不容乐观。

  2004年9月,第19届世界能源大会在悉尼举行,来自全球的2 500名官员、业界领袖及学者参加了大会。大会的主题正是“实现可持续性:能源工业的机遇和挑战”。在这次大会上,专家们普遍认为,21世纪的油价高涨可能成为长期趋势。

  的确如此。石油时代的巅峰时期是1950~1980年,当时石油价格低廉,供应充足。而经过长达60余年的巨量消费,全球石油供应已进入战略枯竭期,石油价格飙升。

  由于石油价格的飞速上涨,目前全球有1/3的人享受不到现代能源服务。而且,从以往案例来看,现有的以石油为主导的能源体系无法保证能源安全,也无法满足环境保护的需求。

  表1–1 1970年以来的原油价格变迁

  时间    价格变化

  1970年    沙特原油官方价格为1.8美元/桶

  1974年(第一次石油危机)    原油价格首次突破10美元/桶

  1979年(第二次石油危机)    原油价格首次突破20美元/桶

  1980年    原油价格首次突破30美元/桶

  1981年年初    国际原油价格最高达到39美元/桶

  2004年9月    受伊拉克战争影响,国际原油价格再次突破40美元/桶,之后继续上涨并首次突破50美元/桶

  2005年6月    国际原油价格首次突破60美元/桶

  2005年8月    墨西哥遭遇“卡特里”飓风,国际原油价格首次突破70美元/桶

  2007年9月12日    国际原油价格首次突破80美元/桶,随后继续加速上扬

  2007年10月18日    国际原油价格首次突破90美元/桶,并在年底直逼100美元/桶

  2008年7月14日    国际原油价格飙升,纽约商品交易所原油期货价格创造147.27美元/桶的历史最高点

  2009年1月21日    受金融危机冲击,国际油价大幅回落,纽约商品交易所原油期货价格跌至33.20美元/桶,为2004年4月以来新低

  2011年4月29日    纽约商品交易所原油期货价格升至114.83美元/桶

  2013年1月,中国华北、华中大片地区连续出现了严重的雾霾天气,北京尤为严重。一个月里只有4天是好天气,其余的日子都笼罩在昏暗的雾霾之中。造成如此严重雾霾天气的罪魁祸首就是以化石能源消费为主的人为污染。

  不单单是中国,世界各地的科学报告都对地球面临的日益严重的环境危机提出了警告。科学界的一个激进观点是,假如二氧化碳浓度无法从2008年的430ppm(1ppm为百万分之一)回落,地球冰盖的局部融化将导致洪水泛滥,除非人类设法将2050年的二氧化碳排放量减至50亿~100亿吨,否则人类将面临灭顶之灾。

  能源危机意味着整个时代呼吁能源替换。正是基于化石能源导致的资源价格飙升、能源枯竭、安全与环境等种种无可回避的问题,无论从安全的角度还是可持续发展的角度出发,整个人类社会都迫切需要建立新能源体系。正如杰里米·里夫金在《第三次工业革命》一书中描述的那样,在不远的将来,每个建筑都是小型发电厂,人人都是绿色能源的自主生产者。除此之外,人们可以将生产出的多余能量上传至电网,这就是我经常说的“自发自用,多余上网”。

  不管人们承认与否,人类都即将步入“后碳”时代,互联网信息技术与可再生能源的融合将带来一场全新的工业革命。

  在这场革命中,可再生能源将是关键所在。每一次工业革命的本质要素之一—能源替代极有可能再次上演,新能源将替代传统能源。

  传统能源的代表是煤炭和石油,那么谁能成为新能源的主要代表呢?

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