1.1　能源转型是产业革命的动力

1.1.1　能源转型的定义、分期及标志

“能源转型”一词最早出现于德国，中文词汇中的“能源转型”“能源变革”“能源革命”等本质上指的是同一概念。20世纪80年代初，为应对石油危机以及反对核电，德国应用生态学研究所提出了能源转型这个概念。关于能源转型的定义，经历了一个不断争议和发展的过程。加拿大学者瓦茨拉夫·斯米尔将能源转型定义为“从一种具体的能源形态转变为另一种能源形态的过程”，布鲁斯·波多尼克将能源转型定义为“通过新技术发明或新能源种类的发现，使一种新的一次能源大量运用于人类消费的过程”，中国学者朱彤将能源转型定义为“能量原动机推动的、伴随着能源体系深刻变革的一次能源长期结构变化过程”，史丹将能源转型定义为“能源生产和消费结构发生根本性的改变，并对一国社会经济发展乃至全球地缘政治格局产生深刻影响”。2014年10月，世界能源理事会与科尼尔咨询管理公司联合发布了《全球能源转型》，将能源转型定义为“一国能源结构的根本性转变，如可再生能源比重的上升、能源效率的提高以及化石能源的逐步淘汰”。

综合以上多种能源转型的定义，可以明确两个核心：一是能源结构，二是能源利用技术。为了使能源转型的定义更加具体化、明晰化，本书将能源转型中的能源结构具体化为能源消费结构。同时，为了便于进行量化分析，本书采用瓦茨拉夫·斯米尔划分能源转型的量化标准——“在一种能源转向另一种新能源的过程中，新能源在能源消费结构中占比达到5%，则可认为是能源系统开始转型的标志，如果占据最大比例甚至占比超过一半，则可认为是转型完成的标志”。最终，本书将能源转型定义为：在一定的经济技术条件下，一次能源消费结构中居主导地位的能源种类被其他能源种类所取代的过程。

关于能源转型分期的界定，同样经历了论争不断的过程。如前所述，瓦茨拉夫·斯米尔从自己界定的能源转型的概念出发，认为人类历史上发生过四次能源转型，其阶段性标志分别是驯养役畜和使用火、风车和水车的出现、蒸汽机和内燃机的发明、发电机的发明和天然气原动机的使用。瓦茨拉夫能源转型的时间跨度非常大，涵盖了整个人类能源利用史。布鲁斯·波多尼克从技术应用的角度定义能源转型，缩小了能源转型的时间跨度，将能源转型限定在了近现代，即工业革命之后。因此，他认为人类历史上只经历了三次大的能源转型，其阶段性标志能源分别是以煤炭、石油和天然气、水电和核能以及风能和太阳能为代表的可再生能源。朱彤认为人类只经历过两次能源转型，即从植物能源依次向化石能源以及可再生能源转型两大阶段。史丹认为：“全球曾发生过两次能源转型，第一次是煤炭取代薪柴成为主导能源，第二次是油气取代煤炭成为主要能源。当前正在进行第三次能源转型，现在处于初期阶段。”

尽管关于能源转型分期的争论还在继续，但是已经基本达成一些共识，史丹的观点就是这种共识的体现。人类利用能源的历史非常悠久，如果不对能源转型做一个时间界定，则会使其因过于宽泛而失去研究的意义。因此，本书将能源转型的时间限定在近现代，即人类从农业文明向工业文明转型发展的时期。以这个时间界限为前提，根据本书的能源转型定义，笔者认为近现代国际能源利用史已经完成了两次能源转型，即从薪柴转向煤炭，再从煤炭转向油气，当前正经历着第三次能源转型，即从油气转向清洁能源和可再生能源，但第三次能源转型仍然处于起步阶段。

1.1.2　产业革命的定义、特征及分期

“产业革命”由恩格斯在其1845年出版的《英国工人阶级状况》一书中首次提出。一百多年来，众多学者对产业革命的内涵、次数划分等做了许多的深入研究，但结论不尽相同。本书将产业革命定义为：以科学发现为基础，以爆发技术革命为重要标志，再将新技术广泛应用于人类生产生活，从而引发产业结构、经济增长以及社会分工体系、全球政治经济格局变化并深刻改变社会文化价值观、心理状态的过程。一般来说，产业革命有三个典型特征：一是以重大科学发明的应用为基础和前提，以爆发技术革命为重要标志，这些标志性技术是极具渗透性、高关联性的，对经济社会的发展影响巨大；二是根本性的变革，即质的飞跃，包括生产效率提高，生产方式和经济结构以及人类的生活、消费方式发生了重大变化等；三是变革具有规模化及可持续性。

关于产业革命分期的界定，也经历了不断争论的过程。从最大尺度的时间范围来看，有学者认为，人类历史上有三次产业革命：第一次产业革命是农业革命，人类从采集和狩猎的劳动方式到定居农业生活；第二次是工业革命，工业化兴起，工业生产体系建立；第三次是信息革命（知识革命），包括信息化、智能化和绿色化等，这次革命至今仍在继续。从18世纪开始的三次革命说，认为第一次产业革命发生在18世纪中叶到19世纪中叶，标志性事件为蒸汽机的发明和改进，生产方式由机器取代手工，工厂成为生产组织的新型方式，即“蒸汽时代”。第二次产业革命发生在20世纪初期，以电气化、化学应用和内燃机三项技术的发明和使用为标志，电力的大规模使用、更高效的钢铁冶炼法和合金、流水线生产方式带来了产业结构、经济增长和社会结构的巨大变化，即“电气时代”。第三次产业革命则各有各的说法，有学者认为其是信息革命；里夫金则认为新型信息技术与全新的能源系统的结合将会带来重大产业革命的产生，是为“第三次产业革命”；英国《经济学人》的理论可以概括为“制造业数字化”，即智能软件、新材料、灵敏机器人、新制造方法以及基于网络的商业服务将形成合力，推动经济社会发展进程，产生重大产业变革。

21世纪以来，随着新能源、物联网、生物工程等得到广泛应用，产业革命的界定再次成为热点，本书依据上文中对能源转型研究时间的限定，认为产业革命的分期从近现代开始，即人类从农业文明向工业文明转型发展的时期。本书第一、第二产业革命与众多学者的划分方法一致，第一次为机械化，第二次为电气化，第三次为自动及信息化，即计算机技术与多种能源的联合保障体系相结合，实现了工业自动化，网络与通信技术的结合带来了信息产业化，并首次提出第四次产业革命将是以生物质能源作为主体能源，结合信息技术、物联网、分布式、区块链等技术的产业革命。

1.1.3　能源转型是产业革命的动力

技术革命是生产技术的重要发展和进步，是人类对物质世界本质认知的重大进步，往往会引起社会生产方式和生活方式的巨大改变，产生新的技术和产业，即引起物质生产技术的重大进步和诞生全新的产业。就能源结构而言，新的能源系统与其他新技术相结合，可以为新的产业革命提供强大的动力支持。

剖析以往历次产业革命的成因，新的能源结构、技术革命为产业革命提供基础和先导，产业革命则是能源转型的成果展现。第一次产业革命是以煤炭为动力的蒸汽系统与工业制造相结合，开启了人类的大机器时代；第二次产业革命是以煤、油为动力的内燃机技术与电信技术相结合，使人类进入了电气化时代；第三次产业革命是新能源与互联网等新技术有机结合，使人类进入了信息化时代。四次产业革命中的能源转型见图1-1。

在以往的产业革命中，化石燃料与相应的蒸汽机、内燃机等动力设备有机结合，在提供动力的同时将二氧化碳等废弃物排放到大自然，构成碳经济形态。人类使用化石燃料创造了辉煌的碳工业文明，但也付出了沉重的代价。在即将到来的第四次产业革命中，能源革命将成为主旋律，生物质能源将作为能源供应主体，而化石燃料将逐渐变为补充能源。这种趋势是必然的，因为可再生能源技术可为人类提供无限能量，将人类从有限的化石能源中解救出来，而且其意义是不可估量的。

1.1.3.1　煤炭等一次能源直接使用，人类进入第一次产业革命

在新航路开辟及海外贸易的推动下，16世纪、17世纪英国经济获得了快速发展，人口显著增加，传统手工业（如冶炼业、煮盐业、啤酒业、砖瓦烧制、玻璃制造等）迅速发展，使得英国原本就紧张的柴薪供应雪上加霜，最终导致森林资源消耗殆尽，引发了“柴薪能源危机”。“从1500年到1630年的130年间，英国木柴价格上涨了7倍”，“1666年伦敦大火之后，重建所需的木料竟然全部需要进口”，柴薪危机迫使英国人将目光转向了廉价而丰富的煤炭资源。

英国17世纪完成第一次能源转型时，以蒸汽为代表的工业革命尚未发生。但是在瓦特改造出真正意义上的蒸汽机后，技术进步和能源转型相互促进并产生了巨大的影响。蒸汽机为机器提供了更加便利的动力来源，极大地推动了机器的普及和发展，实现了从手工业到机器工业的转变，推动了人类社会的进步。第一次产业革命本质上是对煤炭的直接利用，使自然界中的生物能转换成热能，再由热能转换成机械能，人类社会由此进入了“蒸汽时代”。

以煤炭为燃料的蒸汽机的发明，对人类社会的影响巨大。首先，以人力、马力等作为动力源的传统交通行业发生了翻天覆地的变化，以蒸汽机为动力的蒸汽机车、蒸汽火车、蒸汽汽船等交通工具不断被发明出来。其次，蒸汽机的出现极大地推进了生产方式的跨越式发展。蒸汽机被广泛应用于纺织、机械、化工、冶金、采矿等工业，跨越了人类社会以水力、畜力以及人力等作为主要动力的时代，开辟了人类社会以蒸汽机为动力的大机器新时代，大大提高了生产效率。在一次能源利用的基础上，人类社会进入了工业经济时代。

1.1.3.2　石油、天然气广泛应用，人类步入第二次产业革命

不同类型的能源在开采和使用中具有不同的生产功效。人类对自然资源不断深入地探索与研究，使得各类能源使用率提高，提供燃料与动力的同时催生出不同形式的产业。改变传统的能源利用方式，研发和使用不同类型的能源，可以促进不同产业经济的发展。

汽油更高的热值和效能使得内燃机较蒸汽机更轻便，更高效；以汽油为燃料的机械比以煤炭为燃料的机械优势明显。这种优势在第一次世界大战当中得以明显体现。英国皇家海军放弃本国优质充足的煤炭燃料而转向燃油动力是最具说服力的典型案例。继煤炭资源的开发和使用之后，人类对天然气和石油的开采力度不断加大，为汽车、飞机和其他化工类产业的发展提供动力。19世纪末20世纪初，柴油、汽油等石油炼制技术的进步以及内燃机、汽车的发明与改进是推动石油得到广泛应用并成为主导能源的关键因素。这也解释了从1859年到1910年的50多年中，石油主要作为照明的煤油来使用，需求量和销售量都非常有限，直到1910年以后，石油的需求量才开始飙升。1910年，与美国的能源转型同步，石油在世界能源消费结构中的比例也占到了5%；到1965年，石油在世界能源消费结构中的比重为39.4%，首次超过煤炭，跃居世界能源消费结构首位。因此，1965年成了现代国际能源体系的转折点，即国际能源体系完成了由煤炭向石油的转型。

就技术而言，在蒸汽机推动人类社会不断进步的进程中，法拉第发现了电磁感应现象即电力。电力的产生、传输以及使用方式更加便捷高效，电能在工业中取代了蒸汽机。由于二次能源电能的出现，发电机和电动机广泛应用于工业及其日常生活，推动了人类社会进入电气时代。首先，电动机把电能转化成机械能，电力替代蒸汽成为带动机器的新动力。在制造业中，电气机械设备，包括机床、冲床切割机等自动化生产线，在电动机的带动下，生产效率更高，生产精度更准确。其次，电力技术照亮了世界，推动了电信事业的空前发展。人类社会出现了五光十色的霓虹灯；留声机给人类社会带来了音乐；电话机拉近了人类之间的距离；电影更是多种艺术的综合，是视觉和听觉上的艺术享受。由此可见，电能等二次能源的利用，革新了人类社会的生活方式，改变了社会的面貌。

第二次产业革命工业形态的主要特征是生产方式以标准化、自动化和规模化为主流，产业组织以垂直结构、中央集权的大企业集团为主，这些都是由当时的产业革命背景以及技术经济特征所决定的。

1.1.3.3　传统能源、新能源与计算机技术有机结合，开启人类第三次产业革命

20世纪70年代的两次石油危机和国际社会对气候变化问题的关注是第三次能源转型的两大背景。20世纪70年代，世界经济遭遇了两次石油危机。在遭受沉重打击后，西方发达经济体逐渐认识到能源独立的极端重要性，提出了能源安全的概念，并且建立了国际能源机构以协调发达经济体之间的能源政策，共同应对产油国的石油冲击。为了寻求能源独立，保障能源安全，西方发达国家开始调整国内能源政策，千方百计减少对中东石油的依赖。此外，气候变化上升为国际政治和全球经济的重要议题，与石油危机一起推动了新一轮能源转型。

早在20世纪50—60年代，国际社会就开始研发核能，以期摆脱化石能源的局限。第二次世界大战期间，交战双方竭尽全力发展核工业，企图将其用于战争。1939年，人类首次发现铀的“核裂变”，是由德国科学家哈恩主导完成的。1942年，人类首先点燃和控制“核火”，揭开原子时代的序幕，由意大利科学家费米主持建成了世界上第一座核反应堆。此次工程，美国动用了15万人，耗费20亿美元巨资，并于1945年7月16日成功引爆了世界上第一枚原子弹，核能从此崭露头角。

相较于普通化学能，核能的威力要大百万倍。在第二次世界大战后，人类回归和平时期，核能作为高效和环保的新能源登上历史舞台，如何友好地利用核能被提上研究日程。1954年6月，苏联建成了世界上第一座发电功率为5000千瓦的核电站，伴随核能技术、装备的不断提升与完善，核电站如雨后春笋般迅速发展起来，成为电力工业的新军。之后核能应用拓展到供热、炼钢等行业，揭开了第三次产业革命的序幕。

核能的问世具有划时代意义，这是因为人类找到了新的“火种”，从过去生产所需的能量几乎全部来自太阳变为从地球自身蕴藏的核燃料中获取，而且这种能源取之不尽、用之不竭。20世纪60年代，西方国家一度认为核能有望接替石油成为新的能源主导，但之后事态的发展却出乎人们的预料，核污染及核事故时有发生，国际社会开始反思核能危险，反对核能的呼声越来越高，核电发展受到诸多制约。

1973年第一次石油危机爆发，西方国家经济受到重创，为减轻对石油的依赖，开始大力开发替代能源，并着手对新能源进行大规模研发。20世纪70年代末，第二次石油危机的爆发进一步加强了人类发展替代能源的意愿和决心。两次石油危机让人类对能源供应产生了前所未有的紧迫感，联合国于1981年8月通过了《促进新能源和可再生能源发展与利用的内罗毕行动纲领》，并在全球范围内推动新能源和可再生能源的发展与应用。之后各个国家加大资金及政策支持来探寻太阳能、风能、海洋能、地热能等新能源和可再生能源，技术成熟的核能再次进入人类视线，迎来了核能第二个发展热潮。

同期，计算机技术在工业体系的大规模应用也标志着第三次产业革命正式拉开帷幕。其间，布雷顿森林体系的瓦解和两次石油危机导致全球经济衰退，以及大规模化的产品生产使产能过剩，在一定程度上破坏了标准化产品的消费市场，市场需求开始走向多元化、个性化。新技术的出现和市场不同的需求为新一轮变革提供了强大的动力。此时，企业主要以股份制为主，分工与协作能力突出，技术创新主要以大企业领导的系统性和集成性创新为主，劳动生产效率较高。在新能源与传统能源联合保障体系下，互联网、信息技术、数字化智能化技术和新的能源体制都逐渐迎合全球日益个性化的需求，催生了第三次产业革命。