人類的能源利用簡史

引子

伊恩·莫里斯在《西方將主宰多久》中，透過定義和測量【社會發展指數】，幫助我們看清了人類歷史發展的基本輪廓。

這個社會發展指數，由四大因素構成：能量獲取、社會組織、戰爭能力和資訊科技。透過定期推算東西方核心區域的得分，莫里斯勾勒出自公元前14000年至公元2000年間，人類文明交替上升的基本發展脈絡。

本文無意對此做全面綜述，真正吸引我的地方在於，如果四個因素仍然嫌多，僅選取能量獲取這一項，就能將人類社會的發展，刻畫個七七八八。

這背後可能的原因，有人歸結為其他三個因素都只是利用能源的不同方式而已，頗有幾分道理。

既然如此，我們就從這個切入點，來看看人類自古至今是如何利用能源的吧。

從採集狩獵到農耕定居

在人類歷史的早期，人類活動的規模非常小，無論是社會組織、戰爭能力還是資訊科技，都可忽略不計。與之相反，能量獲取卻是不可或缺的，這是因為一旦能量攝入不足，人類將會直接面臨死亡。

為了生存，每天的人均能耗約為2000千卡。這驅使著早期的人類，終日奔走於森林與草原之間，或採集野果，或狩獵野獸，用以果腹。

實際上，儘管食物佔據了能量獲取的絕大部分比例，原始人類仍有額外的能量來源，比如鑽木取火，以之取暖或者烘烤食物。

距今41-67萬年前，生存在周口店洞穴中的北京猿人，已經能夠隨心所欲的生火了。洞中的沉積物顯示，他們曾經烘烤過野馬的頭。

始於兩萬年前的全球變暖，在公元前12700年前後，在地球上形成了所謂的【幸運緯度帶】。在歐亞大陸位於北緯20-35度之間，在美洲大陸則位於南緯15度到北緯20度之間。

這其中，最大的幸運兒位於南亞一個跨越底格里斯河、幼發拉底河以及約旦河谷的弧形帶，稱為【側翼丘陵區】。

這個地區集中了地球上大部分的野生禾本科植物，以及易於馴化的野生動物。自然資源的得天獨厚，使得側翼丘陵區成為首個見證人類【擺脫採集狩獵、走向農耕定居】的生活方式轉變的地區。

在側翼丘陵區之外，農業發展最早也最明顯的地方就是中國。

公元前8000～前7500年之間，長江流域的人們就開始種植稻；公元前6500年，中國北部的人們開始種植粟；粟和稻分別在公元前5500年和公元前4500年完全人工種植；野豬也在公元前6000～前5000年之間被馴化。

農業和畜牧業的誕生與發展，讓曾經不斷遷徙的人類逐步定居下來，同時也讓人類所能獲取的能源，不再僅限於大自然的恩賜。種植業日益精耕細作，畝產逐漸提升，人均食物獲取量持續增長；畜牧業的發展，以及畜力的大規模使用，進一步擴大了人類的能源使用總量，既提升了農業生產，又改善了交通效率。

在這一時期，人類獲取能源的方式，主要來自生物能，包括食物中的熱量，以及所使用的畜力。要想獲得更多能量，就要擴大耕種的面積，同時改進種植和養殖的技術。

從鍊鐵作坊到蒸汽機車

如果說農業的誕生，是人類能量獲取方式的第一次重大突破的話，那接下來的幾千年，都只有量變，而沒有質變。

做一個高度的簡化，那就是單產的提高，多出來的糧食可以養活更多的人口，幫助繁育更多的家畜。而更多的人口，以及更多或食用、或使用的畜力，則需要更多的糧食來養活，因而有充足的動力開墾出更大面積的農田。

這其中，對金屬物品的需求，推動了人類不斷尋找新的能量來源。早期的青銅冶煉，由於熔點較低，主要透過燃燒採伐的樹木，來提供能量。

此後，隨著鐵器的日益普及，越來越多的木材被砍伐。有記錄顯示，宋城的鐵產量在公元800～1078年間增長了6倍，高達12。5萬噸，這幾乎和整個歐洲在1700年時的鋼鐵生產總量相同。

當時的都城開封城擁有百萬人口，眾多鍊鐵廠圍繞著主要市場聚集起來，煉出的鐵被製成軍隊所需的武器和百姓日常生活所需的器皿。

在城牆之外，鑄造廠夜以繼日地燃燒著火焰，黑暗的作坊噴射出火苗和濃煙，消耗數萬棵樹木，將礦石熔化成鐵水。有鐵器製造者買下整座山後將樹木全部砍伐殆盡，因此將木炭價格哄抬到普通家庭無法承擔的程度。甚至在公元1013年，由於燃料短缺而引發了一場暴動。

鍊鐵產業對能源的高需求，最終導致了從古代有機經濟向礦石燃料新世界的跨越。

開封靠近中國兩大煤礦儲備地，又臨近黃河，擁有便捷的交通，在公元1102～1106年間，開封周邊開闢了20個新煤炭市場。

有充分證據表明，當時四川的一個鑄造廠僱用了3000名工人，每年將35000噸礦石和42000噸煤炭鏟入熔爐，煉出14000噸生鐵。到了公元1050年，煤礦挖掘範圍擴大，家家戶戶都開始使用煤炭。政府在公元1098年重新修訂貧困救濟準則時，煤炭也成為官方唯一提及的燃料。

宋以後的中國經濟，逐步走向封閉。而西方從16世紀開始，進入了大航海時代。特別是南北美洲新大陸的發現與持續殖民，最終於18世紀形成了蓬勃發展的【大西洋經濟】。

經濟體量的增長，以及遠洋運輸的發展，催生了西方國家對於能源的巨大需求。

到16世紀50年代時，平均每個倫敦人每年燒掉的煤幾乎達到了0。25噸，到1610年時這數字又增長了3倍，而到17世紀50年代為止，整個大不列顛的燃料有一半以上來自煤炭。

一個世紀之後，能源交易逐步將西方領先變成西方統治。

英格蘭中部伯明翰外的索霍區，再現了幾個世紀之前開封的場景。此地的主人是馬修·博爾頓，被稱為“鐵的領主”，他在日記中寫道：”我在這裡出售的是全世界想要的東西——能源。”

在博爾頓之前，幾百萬年來，幾乎所有驅動力都來自人力和畜力。雖然人力、畜力非常驚人——可以興建金字塔、開鑿大運河、描畫西斯廷大教堂——但終究有侷限性。最明顯的就是，人力、畜力是動物身體的一部分，動物需要吃，需要睡，還需不時地補給能量、新增衣物。

在這條相互依存的關係鏈上，所有的東西都需要土地的支援。因此，當土地在18世紀中葉越來越緊缺時，人力、畜力也變得昂貴起來。

儘管風能和水能推動輪船和磨石運轉，助人力、畜力一臂之力。但是，風能和水能同樣有弊端，它們只能在某些地方、某些時候使用。

人們需要的是隨時隨地都能方便使用的能源，這樣人們可以在工作中使用能源，而不是將工作遷移到能源所在的地方完成。

而這個突破，就發生在博爾頓的時代。1765年，透過煤炭的助力，詹姆斯·瓦特將燃燒的熱量轉化為強大的動力，【蒸汽機】誕生了。此後，透過將冷凝器和蒸汽汽缸分離，瓦特最終將蒸汽機的用煤量減少了8成。

1776年3月，瓦特和博爾頓在一次盛大的展會上，使用蒸汽發動機在60分鐘內就將水從60英尺深的礦井中抽了上來，引發了轟動。

隨後，嗅覺靈敏的棉布製作商成為了最早利用蒸汽動力的製造商。自此，英國開啟了【機械化】的新時代。儘管機械化這個詞在今天聽起來常常有幾分貶義，在當時可是十足的高科技。在蒸汽機驅動的機械化面前，古代的一切技術都不免相形見絀。

在機械化的推動下，1760～1815年，英國出口的成衣數量增長了100倍。紡紗的價格從1786年的每磅38先令跌至1807年的每磅7先令。雖然價格下降，但市場擴張，利潤仍在繼續膨脹。

從英國紡織業的例子，我們可以清晰的看到帶著【產量激增、成本下降、財富增長】三大特徵的【現代化】的開端。此後，機械化如火如荼的滲透入越來越多的國家與行業之中。

在這一時期，人類獲取能源的增量方式，主要來自以煤炭為代表的化學能。蒸汽機的出現，將人類獲取化石能源的效率，提升到前所未有的高度，機械動力的普遍使用幾乎改變了所有行業的生產效率。

從煤炭時代到石油時代

最早的石油記錄出現在北宋，沈括在《夢溪筆談》中記述了他在西北發現的一種可燃燒粘稠液體，並命名為“石油”，稱“此物後必大行於世”。

八個世紀之後，1859年美國賓夕法尼亞州小鎮梯特斯維爾鑽成了世界上第一口現代油井，現代石油工業就此拉開序幕。

以1900年為分界線，石油工業的發展可以分為兩個時期。之前，是煤油時期，主要用途是照明和民用燃料；之後，伴隨著內燃機的發明，進入了汽油時代。藉助內燃機，高能量密度的汽柴油轉換成強大的動力，驅動著以汽車、卡車、火車等各種交通工具。這一階段，也是石油化工行業大發展的階段。

在石油行業的發展過程中，壟斷現象至始至終的存在著。

在早期，洛克菲勒創立的標準石油公司一家獨大。1879年底，標準石油公司控制了全美90%的石油市場。十年之後，標準石油公司成為美國最大的原油生產商，它壟斷了美國95%的煉油能力、90%的輸油能力、25%的原油產量，而且這種壟斷地位一直持續到1911年，因此洛克菲勒被譽為“石油大王”。

壟斷了美國石油行業的洛克菲勒，希望更進一步擁有世界上所有的石油。這引起了民眾的反感，最終標準石油公司被依據反壟斷法肢解，分拆成34家小公司。

後來，其中的7家公司得到了蓬勃發展的機會，將業務拓展到了全球。1928年，這7家公司的負責人在蘇格蘭開會，聯手密謀瓜分全球石油市場和穩定石油價格，人稱【石油七姐妹】，它們控制了全球60%的石油生產。

從1859年近代石油的發端直到第二次世界大戰結束，美國始終在世界原油市場佔據統治地位，成為世界的能源中心。由於美國石油行業集中在墨西哥灣沿岸，所以這一歷史階段也被稱為“墨西哥灣時代”。

隨著全球範圍內更多的石油發現，到了19世紀60年代之後，產業格局又發生了變化。【歐佩克】快速崛起，強烈衝擊著“七姐妹”集團的壟斷地位。到2016年，“七姐妹”的市場佔比已經下降到了13%，石油價格的定價權轉移到了歐佩克手中。

瓦茨拉夫·斯米爾在《石油簡史》一書中，將原油市場的歷史特徵總結為：鐵打的市場，流水的壟斷。

1967年，全球石油在一次能源消費中的比例達到40。4%，而煤炭下降到38。8%，這標誌著人類終於開始了新的能源革命，從煤炭時代正式進入石油時代。

石油，由於其廣泛的工業用途，獲得了諸多的稱號：黑金，工業血液，大宗商品之王等等。

在這一時期，人類獲取能源的增量方式，主要來自以石油為代表的化學能。內燃機的發明，讓化石能源的轉換效率，提升到新的高度。石油動力的普遍使用，大幅度提升了人類的交通速度；作為化工原料，石油也極大的豐富了人類的物質創造。

從化學能到原子能

在石油時代高歌猛進的同時，人類也在探索新的能源獲取方式。

1905年，愛因斯坦提出了驚天動地的質能方程：E=mc2，即物體貯存的能量等於該物體的質量乘以光速的平方。這個公式揭開了宇宙的一個巨大奧秘。

1911年，原子能之父、英國物理學家盧瑟福提出了被譽為“第二個太陽系”的原子核模型。人們認識到，原子的幾乎全部質量，集中在體積很小的帶正電的原子核中；電子繞核旋轉，就像行星繞太陽旋轉一樣。原子的內部絕大部分是空的，如果把原子放大成房屋大小的氣球，那麼原子核還不到針尖大小。同時，盧瑟福意識到，原子核中蘊藏著巨大的能量，這種能量是產生射線的原因。

1938年底，德國科學家哈恩和施特拉斯曼發現了鈾原子的分裂，為核能的釋放鋪好了最後一塊基石。

1942年12月2日上午8點30分，歷史性的時刻到來了。在芝加哥大學的校園裡，人類首次完成自持鏈式反應的實驗，從而可控的釋放了核能，這標誌著原子能時代的到來。

不幸的是，原子能的巨大能量，最先是在戰時以原子彈的形式被運用的。1945年，美軍在日本的廣島和長崎投下了兩顆原子彈，將兩座城市瞬間夷為平地，此後核汙染造成了更多也更長久的人員傷害。

二戰後，人類開啟了原子能的和平利用時代，核能發電、核能供熱、核動力船和飛機等相繼問世。

1954年，蘇聯建成世界上第一座核電站，從而掀開了人類和平利用原子能新的一頁。到2004年9月28日，在世界31個國家和地區，有439座發電站是用原子能反應堆在執行，約佔世界發電總容量的16%。

我國於1991年建成第一座30萬千瓦秦山核電站，截至2013年8月底，共有17臺機組相繼投入商業執行，總裝機容量約1475萬千瓦。

核能發電是利用反應堆中核裂變所釋放出的巨量熱能，加熱生成高溫高壓的水蒸氣來推動蒸汽輪機進行發電，其基本原理與火力發電十分類似。不同之處在於，重核裂變的能量密度要比煤炭燃燒高很多，一千克鈾-235釋放的能量相當於燃燒2500噸標準煤。

折算下來，一座100萬千瓦的大型燃煤電站，每年約需原煤300-400萬噸，需要2760列火車運輸，還帶帶走4000萬噸燃燒後的煤灰。同功率的核電站，每年僅需要消耗3%含量的低濃縮鈾燃料28噸，極大的節約了運輸成本。

對比來看，核電比起火電，主要具有高能量密度、燃料成本穩定、無空氣汙染及碳排放的優點，缺點主要來自核廢料處理風險、不能靈活的開停機執行、投資成本更高、以及核電站事故會引發放射性汙染等。

除了重核裂變之外，核能還可以透過輕核聚變來獲取。

1991年11月，由歐洲四個國家資助，在歐洲聯合環型核裂變裝置的基礎上，成功實現了首次氫同位素氘-氚受控核聚變試驗，發出了1。8兆瓦電力的聚變能量，持續時間2秒鐘，溫度高達3億度，比太陽內部的溫度還高20倍。

由於核聚變的能量密度比核裂變高4倍，1千克氘和氚約相當於1萬噸標準煤，因此科學家認為，氘-氚受控核聚變試驗的成功，為人類打開了新的能源獲取路徑。

值得一提的是，我國中科院合肥物質科學研究院，在受控核聚變的研究上保持國際領先水平。

世界上已探明的鈾儲量約490萬噸，釷儲量約275萬噸。這些裂變燃料足夠使用到聚變能時代。聚變燃料主要是氘和鋰，海水中氘的含量為0。034克/升，據估計地球上總的水量約為138億億立方米，其中氘的儲量約40萬億噸，地球上的鋰儲量有2000多億噸，鋰可用來製造氚，足夠人類在聚變能時代使用。按世界能源消費的水平，地球上可供原子核聚變的氘和氚，能供人類使用上千億年。因此，有些能源專家認為，只要解決了核聚變技術，人類就將從根本上解決了能源問題。

除了發電外，體積較小的原子反應堆還有其他用途，美國1955年下水的第一艘核潛艇“鸚鵡螺號”就是用和高爾夫球一樣大小的一塊鈾推動的。“鸚鵡螺號”第一年在海上航行了幾萬公里，沒有新增任何燃料。

現如今，核動力成為大型船舶的主要動力來源之一，核動力航母與潛艇等成為海軍強國的標配。

總體來看，原子能的研發與利用，仍處在早期階段。2011年福島核電站的洩露，到今天仍未得到妥善處理，這讓世界各國對於核電發展整體保持謹慎態度。

與化石能源相比，核能的巨大能量密度、放射性、苛刻利用條件及其廢料處理的複雜性，以及人們對其武器化的擔憂，在相當程度上限制了其大規模的普遍運用。

從一次能源到二次能源

能源按照基本形態，可以分為一次能源和二次能源。

所謂一次能源，即天然能源，指在自然界現成存在的能源，如如煤炭、石油、天然氣、水能等。所謂二次能源，指由一次能源加工轉換而成的能源產品，如電力、煤氣、蒸汽及各種石油製品等。

伴隨著人類對於能源利用走向深入，越來越多的能源從一次轉為二次，這其中，最具代表性的就是電能。

1820 年奧斯特所發現電磁作用，1831 年法拉第所發現電磁感應，分別成為了電動機和發電機的起源。

19世紀晚期，美國西屋公司在特斯拉的助力下，先後推動了交流發電機、感應電動機以及變壓器的工業化應用。

這一時期，大發明家愛迪生開始廣泛探索電力的各種用途，我們所熟知的愛迪生髮明電燈的故事，就發生在那個年代。

進入20世紀，一方面大量的電氣裝置應運而生，家用電器日益普及；另一方面，煤炭、石油、天然氣、水力、風力、太陽能、地熱、潮汐、核能，越來越多的一次能源透過電力生產，轉化為電能。

2019年，全球電力消費量為25。8萬億千瓦時，全球人均用電量約為3400千瓦時/人。中國作為全球最大的電力消費國，2019年用電量7。2萬億千瓦時，中國人均用電量首次突破5000千瓦時/人。

與此同時，電力難以儲存的特點，使得電網以及輸配電系統，變得日益精密。以我國為例，當電力生產和電力消費產生空間錯配時，發展以特高壓技術為代表的大規模、遠距離的電力輸送能力，就成為了關鍵。

在我國，特高壓是指±800千伏及以上的直流電和1000千伏及以上交流電的電壓等級。特高壓技術，透過提升電壓、降低電流的方式，有效減少了電力輸送時產生的熱損耗。同時，電壓的提高，還能夠提升線路的輸送容量，比如100萬伏交流特高壓輸電線路輸送電能的能力是50萬伏超高壓輸電線路的5倍，這使得特高壓技術贏得了“電力高速公路”的美譽。

根據國家電網統計資料，截至2019年6月，特高壓建成“九交十直”、核准在建“三交一直”工程，已投運特高壓工程累計線路長度27570公里、累計變電（換流）容量29620萬千伏安（千瓦）。在保障電力供應、促進清潔能源發展、改善環境、提升電網安全水平等方面發揮了重要作用。

二次能源的代表，電力的大規模生產與使用，讓人類全面進入了新的電氣時代。按照現在的發展趨勢，電力在人類的能源結構中，會佔據越來越高的比例。

從一次性到可再生

回顧能源發展的歷史，一方面我們看到從生物能、到化學能，再到原子能，人類對於能量的獲取方式不斷升級；另一方面，使用能源的同時，也帶來了諸如溫室氣體排放、三廢汙染物、化石能源枯竭、生態環境破壞等諸多棘手問題。

在反思的過程中，有識之士提出：人類需要約束自身的能源獲取方式，推動能源利用向著綠色、環保、可再生的方向轉型。

以電力行業的碳排放為例，2019年，全球電力行業碳排放量約114億噸。其中，中國電力行業碳排放量約42億噸，佔全球的37。0%。

在這樣的大背景下，1997年12月，在日本京都參加聯合國氣候變化框架公約的國家制定了著名的《京都議定書》，其目標是“將大氣中的溫室氣體含量穩定在一個適當的水平，進而防止劇烈的氣候改變對人類造成傷害”。

近年來，受到次貸危機之後全球經濟減速的影響，美國、加拿大等國先後退出《京都議定書》，讓人類的減排事業蒙上陰影。這也與這些國家，強大的傳統能源生產商的政府遊說，密不可分。

與此同時，經過全球新能源企業的數十年奮鬥，光伏、風力發電的度電成本，持續的大比例下降。特別是光伏行業，我國的領軍企業逐步成長為具備全球競爭力的龍頭，這也讓光伏發電的度電成本在2020年全面世界範圍內的平價上網。

截至2019年末，全球風電累計裝機達到 650GW，全球光伏累計裝機達到 627GW。總體而言，可再生能源裝機容量已增長到世界總裝機容量的33%以上。這其中，中國光伏、風電裝機雙雙突破 200GW，可再生能源裝機佔電力總裝機的39。5%（水電17。7% vs。 新能源21。8%）。

這讓人類第一次看到了新的可再生能源獲取方式，大規模、全球化普及的希望。

在新的產業背景下，我國提出了【2030年碳達峰，2060碳中和】的減排目標，歐洲、日本等國也紛紛跟進，提出自己的減排目標。

21世紀的第二個十年，人類透過持續的技術創新和大規模生產的成本下降，找到了新的能源獲取方式。

應該說，這一次的能源獲取方式上的變更，從效率來看與化石能源相比是變弱的，但從環境友好來看，是巨大的進步。

以風電、光伏為例，自然條件的限制，使得電力的生產不連續、且高波動，這就需要行業繼續透過科技創新、降低成本，為儲能的大規模商業化應用，提供必要的成本空間。

【可再生+儲能】的未來能源發展方向，也必將深刻的影響未來的電網格局，從當下的集中為主，走向更加【分散式+智慧化】，形成新的【能源網際網路】。

疊加當下的汽車電動化趨勢，以及新一代通訊技術普及，這非常有可能，系統性的引發新一輪的【能源革命+產業革命】。

總結

人類經濟的每一次重大發展，都離不開能源獲取方式的革命性突破。

早期的狩獵採集向農耕文明的轉變，靠的是種植業和養殖業所帶來的更加集約的生物能獲取方式。近代的工業化程序，轉向了以煤炭為代表的化學能；蒸汽機的出現，使得燃燒的熱量轉化為強大的動力，推動各行各業出現機械化大生產的格局。過去的一百年，石油和內燃機，讓化石能源進一步發揮更大的作用；而原子能，則讓人類的能源獲取方式，更加深入能量的本質。

進入新世紀，人類越來越意識到化石能源的不可再生性，以及溫室氣體排放所引發的全球氣候持續變暖的巨大後果。與此同時，原子能的科學進展相對有限，舉世震驚的蘇聯切爾諾貝利以及日本福島的核電站事故，讓人們普遍對核能利用的潛在巨大風險感到恐懼。在此大背景下，以風電、光伏為代表的可再生能源，以其綠色環保的特點，引發了世界範圍內的普遍重視。

近年來，隨著光伏、風電發電成本的持續快速下降，新能源在越來越多的國家和地區實現了平價上網，日益成為世界各國減少碳排放、推動能源轉型的主攻方向。

透過覆盤能源簡史，我們看到，每一次能源獲取方式的重大轉變，都深刻的影響了人類的發展路徑。站在當下，新一輪能源革命的大幕正在徐徐拉開，我們能夠預期的是，這必將帶來新的產業發展機遇，以及新的人類版圖。

毫無疑問，這其中也必將孕育著新的、巨大的、歷史性投資機會。

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