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年为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，成为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%。