1.引言

说到能源，人们或许只会想到各种机器设备的动力，比如满大街跑的汽车所使用的汽油，以及带动各种机器设备运转的电力。实际上，能源远远不只是燃料动力，它和我们的生活有着紧密的联系。就拿当今世界最主要的一次能源石油来说，石油不仅被称作工业的血液，而且在我们的衣食住行等各个方面都能看到它的身影（如图 1 所示）。用石油作原料合成的高聚物巨纺丝制成的合成纤维可用来制衣，这样就减少了天然原材料棉和麻等对土地的需求。据统计，我们每个人一生要“穿”掉 290 千克石油。在生活中，随处可见的矿泉水瓶、饮料瓶以及各种食品的塑料包装袋，它们都是石油化工产品。每生产 1 吨塑料袋，就需要消耗 3 吨以上的石油。技术进步后，化工材料开始逐渐替代传统建筑材料。比如门窗的塑钢型材属于石油制品，和木制、铝制门窗相比，它不但价格更为低廉，而且经久耐用，保温性能也更出色。在人的一生当中，“行”所消耗掉的石油份额是最大的，像车辆行驶所消耗的汽油、柴油，以及飞机所消耗的航空煤油，这些都是通过石油炼制而得来的。高速公路广泛应用的沥青是原油蒸馏后的残渣，将其与不同组成的矿质材料按比例配合，就能建成具有不同结构的沥青路面。因此，能源不只是推动机器设备运转的动力，也是维持整个经济社会正常运行所不可或缺的动力。

图 1：石油对衣食住行的影响

十八世纪工业文明开始后，化石能源像煤炭、石油等支撑了全球经济社会持续且快速的发展。这些化石能源在给人类带来舒适文明的现代化生活的同时，也引发了全球严重的环境问题（就如所示的图 2 那样）。煤和石油在开采与使用过程中，若污水排放不当，就会造成严重的水污染。工业生产向大气排放的废气包含烟尘、硫的氧化物、氮的氧化物、有机化合物、卤化物、碳化合物等。汽车尾气也成为大气的主要污染源之一。温室气体排放增加，使得冰川减少，这对北极熊等生物的生存造成了严重威胁。含硫量高的煤大量燃烧，以及各种机动车排放尾气，引发了酸雨。酸雨导致了土壤酸化、建筑物腐蚀、农作物减产等一系列问题。同时，臭氧层被耗损与破坏，海洋受到污染，全球出现变暖等环境问题，这些都与人类大量使用化石能源有着紧密的联系。

图2：化石能源使用导致的各种环境问题

温室气体大量累积是当今环境问题的重要成因。人类活动产生的温室气体，约 90%是由化石能源燃烧所导致的。能源短缺以及化石能源燃烧所引发的环境问题，是人类可持续发展中面临的两大严峻问题。中国目前是世界上最大的能源消费国，同时也是最大的碳排放国以及最大的石油进口国（如图 3 所示）。正因如此，能源短缺的情况以及由化石能源利用所引发的环境问题显得尤为严重。

图3：中国的能源环境问题

2.科技革命与能源革命

在农业社会的漫长岁月里，人类主要依赖的能源是薪柴。在装满薪柴的马车发出的低吟声中，人类度过了农业文明的漫长时期。18 世纪，瓦特发明了蒸汽机，这一发明标志着第一次科技革命的到来，也催生了第一次工业革命。这次工业革命使人类从农业文明进入到了工业文明，极大地改变了人们的生活和工作，对整个世界都产生了深远的影响。蒸汽机的发明推动了第一次工业革命，同时引发了第一次能源革命，使得煤炭的使用急剧增加。19 世纪 80 年代，爱迪生创建了世界上第一座实用发电站，人类社会开始迈向电气化时代，这也加快了煤炭工业的发展，煤炭被应用到了工业革命后产生的各个产业部门，像火车、冶炼、发电等。从而使煤炭成为人类第二代一次能源

1859 年，在美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井。世界上第一个石油公司——宾夕法尼亚石油公司成立了，这宣告了世界石油工业的发端。19 世纪后期，奥托内燃机（Otto）被发明，狄塞尔内燃机也被发明。1908 年，第一辆汽车下线。这些使得几乎每个产业部门都开始扩大了石油的使用。第二次科技革命以内燃机为主要标志，推动了人类发展史上的第二次工业革命。在第二次工业革命时期，涌现出了诸多新兴产业，像电力产业、化学产业、石油产业以及汽车产业等。这些产业都需要大量的石油作为基础能源。到了 20 世纪 60 年代，世界石油的消费量超过了煤炭的消费量。20 世纪 70 年代，石油和天然气在一次能源消费总量中所占比例超过 70%。这实现了能源转换史上的第二次重大革命，即石油替代煤炭，成为第三代一次能源。

在这一漫长的时期中，能源系统发生了变迁。自然科学取得进步，从而催生了工程技术的进步。工程技术的进步，例如畜力的使用，以及蒸汽机、内燃机、汽车等的发明和大量使用，决定了一次能源的更替。这些因素使得世界的一次能源经历了从薪柴到煤炭，再到石油的变迁。这一时期持续的时间非常长。其中最为重要的特点是，科学技术的进步对能源系统的变迁方向和速率起到了决定性作用。图 4 呈现了能源技术史上的一些具有重大意义的科学技术事件。

图4：能源技术史上重大科技事件

3.能源革命与能源战略

能源革命和能源战略存在因果关系。能源领域发生革命性变化后，能源战略会随之改变以适应并充分利用这些变化；同时，为了让经济社会持续、高速且健康发展，一些有远见的能源战略会推动能源领域产生革命性变化。当前面临能源与环境的双重压力，各主要能源消费国依据自身资源和技术等方面的优势，通过实施可再生且可持续的能源发展战略，来引导能源和环境领域的重大技术革命，以占领新一轮科技革命的高地。

3.1 美国能源技术革命与能源战略

美国的能源战略与能源领域的技术性革命相匹配，发生了一系列重大转变。一是从保证国内石油供给安全转变为实现能源供应多元化，降低对石油的依赖；二是发展清洁能源，实现能源结构转型，以保障国家能源安全。为了有效应对能源短缺和环境危机，美国在非常规油气开发和智能电网等能源技术领域取得了重大成就，如图 5 所示。水力压裂法和水平钻井等技术取得突破，这对以页岩气为代表的非常规油气的成功开发起到了关键作用。美国因此成为世界上唯一实现页岩气大规模商业性开采的国家，一举从最大的石油进口国转变为石油出口国。这不仅让美国不再受中东等石油出口国的制约，实现了美国的能源独立，还改变了全球的能源格局。美国正在实施的智能电网以及可再生能源发电战略，像光伏发电、生物质转化技术等这些新能源发展技术，将会对全球能源战略布局产生深远影响。“页岩气革命”以及智能电网的技术突破，是美国绿色能源革命的典型代表。

图5：美国能源技术与能源战略演变过程

3.2 欧盟能源技术革命与能源战略

欧盟较早意识到能源短缺以及能源引发的环境问题会对经济社会可持续发展造成障碍。欧盟还通过主动制定相应的能源战略，引导了能源领域的技术革命。欧盟是先行区。它的能源战略经历了一个过程，起初是以单纯应对供应中断和油价暴涨为目标，采取的是消极防范性的能源战略；之后发展到供应安全、竞争力和可持续发展这三重目标相互作用的综合可持续能源战略；最终形成了以清洁能源和可持续发展为核心，朝着低碳经济迈进的宏大蓝图（见图 6 所示）。在发展过程里，现代信息控制技术充当了动力。欧盟在区域能源市场的建设方面取得了显著成绩，在能源与环境政策方面也有成果，在节能减排技术研发方面有所进展，在可再生能源的发展方面更是成绩突出，其中欧盟可再生能源的发展最具代表性。

丹麦的风电装机容量比例、发电量比重以及各项人均指标都处于领先地位。丹麦风电主要是以靠近负荷中心的分散式发展模式进行。丹麦全国的风电总装机容量不到 500 万千瓦。这些风电不仅能够在整个北欧市场被消纳，而且还能在德国市场消纳一部分。丹麦国内调节能力强的燃气发电比重很高。挪威的水电，其 98%的装机容量为水电，为丹麦风电调峰和消纳提供了坚实的后盾。充足的调峰能力使得丹麦能够有力地消纳风电。欧洲超级电网将北海沿岸的德国、法国、比利时、荷兰、卢森堡、丹麦、瑞典、爱尔兰和英国等 9 个国家连接起来。英国的海上风力发电场可以与欧洲超级电网相连，德国的太阳能光伏电站（包括大型和分布式）也能接入其中，比利时和丹麦的波浪能发电站同样会与欧洲超级电网相连接，挪威的水力发电站也会与之连成一片。例如，当丹麦周围的北海刮起大风时，能够将电力传输到欧洲大陆最南端的西班牙。丹麦没风时，太阳能可从西班牙的阳光海岸输送过来；挪威没有水时，太阳能也可从西班牙的阳光海岸输送过来，这样能让各种资源得到充分利用，实现协作共赢。

欧盟对低碳技术的研究与开发予以重视，并且在该领域取得了显著的进步。其中，以碳捕获及储存技术（CCS）为例，欧盟电力行业所采用的后燃烧捕获、预燃烧捕获和氧燃料燃烧捕获这三种方式，在世界范围内都处于领先的地位。

图6：欧盟能源技术与能源战略演变过程

3.3 日本能源技术革命与能源战略

“二战”结束后，日本经济迅速恢复且快速发展。在此过程中，日本的能源战略经历了多个阶段，先是“以煤为主”，接着是“以油为主”，而后是“能源多样化”。因为日本的化石能源极为匮乏，几乎全部都要依赖进口。所以，与其他发达国家和地区相比较而言，日本更早地将多元化和节能提升到了战略的高度。在技术的推动下，这些技术以信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、海洋技术等为主要特征。日本的核电技术和可再生能源研发技术获得快速发展，其能源战略展现出新的态势，正在从以核能立国向多元可再生能源战略进行转变，具体情况见图 7 所示。并且，日本根据各地的实际情况，大力推动和发展了漂浮式风电技术以及漂浮式太阳能发电技术等。2015 年 4 月，京瓷公司与东京盛世利租赁公司合资兴建了两座漂浮太阳能发电厂。这两座发电厂分别位于兵库县加东市的水库及水库。它们共有若干个太阳能模组。总装机容量为 2.9 兆瓦。每年可产生 330 万度电，这些电能够供应 920 户一般家庭所需的电力。这两座发电厂号称是全球最大的漂浮太阳能电厂。

图7：日本能源技术与能源战略演变过程

4.孕育中的能源革命——能源互联网

各主要能源消费国为了应对能源与环境的挑战，在本世纪初陆续提出了一系列针对清洁能源以及可持续能源 - 经济 - 环境系统（3E）的发展战略。然而，此战略所依托的科技革命和能源革命还处于孕育的阶段。能源互联网有希望成为支撑该战略的科技革命与能源革命相融合的力量。

如图 8 所示，能源互联网运用先进的多种技术。一是电力电子技术，二是信息技术，三是智能管理技术。它把大量由不同类型装置构成的能源节点互联起来，这些能源节点包括分布式能量采集装置、分布式能量储存装置和各种类型负载。它将新型电力网络、石油网络、天然气网络等互联，以实现能量双向流动的对等交换与共享。能源互联网具备智能化这一特征。美国未来学家里夫金在《第三次工业革命》这本书里阐述了一个观点，在历经了第一次工业革命和第二次工业革命之后，“第三次工业革命”会是互联网给能源行业带来的冲击，也就是把互联网技术和可再生能源融合在一起，在能源的开采、配送以及利用方面，从传统的集中式转变为智能化的分散式，这样就能把全球的电网变成能源共享网络。德国在 2008 年基于智能电网选择了 6 个试点地区。这些地区进行了为期 4 年的 E - 技术创新促进计划。德国由此成为实践能源互联网最早的国家。2015 年 3 月 2 日，国际标准化组织 ISO/IEC 正式发布文件。由天地互连主导的标准在 ISO/IEC 中通过了最后一轮投票。该标准成为全球能源互联网产业首个 ISO/IEC 国际标准。能源互联网需应对风能、太阳能所具有的随机性、间断性以及模糊性给网络带来的巨大冲击。它需要有能够支持超大规模分布式发电、储能以及其他能源终端接入的平台。要建成真正意义上的能源互联网，还需要经历一段很长的路程。

图8：能源互联网示意图

我国错过了第一次科技革命的巨大发展机遇，也错过了第二次科技革命的巨大发展机遇；错过了第一次工业革命的巨大发展机遇，也错过了第二次工业革命的巨大发展机遇；错过了第一次能源革命的巨大发展机遇，也错过了第二次能源革命的巨大发展机遇。在当前面临能源短缺和环境危机的双重压力下，要保证经济社会能够健康、可持续地发展，就必须牢牢地抓住正在孕育中的科技革命和能源革命。能源互联网在能源领域取得突破面临的最大困难与挑战在于，世界能源系统已被锁定在化石能源方面。新能源和可再生能源技术目前还不能够与化石能源技术进行竞争。在这种情况下，若要实现能源领域的技术革命，就需要国家从能源战略以及能源政策上进行引导，以克服市场失灵对技术创新所产生的阻碍作用。我国应坚持创新驱动发展战略，坚定不移地推进这一战略。以信息技术、新材料技术、新能源技术等作为技术核心，同时将智能电网、微电网、储能设备等当作能源互联网系统的要素。全力攻克能源互联网的关键核心技术，进而抢占新一轮科技革命与能源革命的制高点。

参考文献：

何继善等人的著作《第三次工业革命与能源生产消费革命》由科学出版社于 2017 年出版。

杰里米•里夫金的《第三次工业革命》由中信出版社于 2012 年出版。

作者简介：

焦建玲为女性，拥有博士学位，是教授且担任博士生导师，还是资源经济与环境管理研究所的所长。她长期承担着本科生、研究生以及 MPA 的教学工作，涵盖信息经济学、管理统计学、博弈论、高级管理统计学和社会研究方法等方面。其主要的研究方向包括能源经济和环境管理。