一、能源与工业革命

历史上，工业化和经济发展一直与人类利用自然能源改善自身状况的能力密切相关。人类活动的动力，是以碳为基础的能源。在工业革命之前，全球人口稀少，且经济增长缓慢，许多能源还没有得到大规模的开发和利用，所以对气候的影响并不大，可以通过自然调节恢复均衡。18世纪和19世纪发生了两次工业革命。第一次工业革命以瓦特改良蒸汽机为标志。蒸汽机结束了人类对畜力、风力和水力的长久依赖转而利用煤炭，催生了利用热能为机械提供动力的手段。第二次工业革命以电器、内燃机的发明和使用为标志。人们广泛利用煤炭（第一次革命）和石油（第二次革命）等自然资源驱动机器生产，其产出水平远远超过人类或动物的肌肉力量所能达到的产出水平。这两次工业革命后，人口剧增，能源大量使用，经济高速增长。20世纪发生了第三次工业革命，以电子计算机的发明和使用为标志。综观这三次工业革命，可以说能源推动了人类社会的历史进程，人类对能源的利用体现着社会、经济与科技的发展水平。

工业革命通常被认为是由技术进步引发的，但实际上是在技术进步基础上由技术商业化带来的技术大规模扩散引起的。以第一次工业革命为例：第一次工业革命发生在18世纪60年代到19世纪40年代，以英国人瓦特改良蒸汽机为标志，由一系列技术革命引发从手工劳动向动力机器生产转变。由于以瓦特改良蒸汽机为标志，人们因此把“工业革命”与技术革命等同起来。但早在100多年前，伽利略等就已提出蒸汽机的生产原理，后经不断尝试，在1672年惠更斯造出一台蒸汽机。后来，蒸汽机又不断得到改进，最终由瓦特基于各种积累起来的进步造出改进的机器。瓦特蒸汽机的意义在于实现了蒸汽机商业上的可行性，而技术原理、技术创新和技术进步理念都是现成的。第一次工业革命的历程突出了商业应用对技术推广的重要性。

经过前三次工业革命，人类发展进入社会经济繁荣的时代，但也伴随着全球能源、资源的过度消耗，为此所付出的环境生态成本使人与自然间的矛盾持续加剧。工业革命后，伴随着人类对化石燃料（煤炭、石油等）消费的快速增长和资源开采对森林植被的大量破坏，二氧化碳等带来的温室效应日渐增强。截至2018年，在全球一次能源消耗中，化石能源占比高达84.7%。[2]

自工业革命以来二氧化碳浓度上升超过40%，地表平均温度上升1℃，气候变化成为人类面临的最严峻挑战。按照IPCC的评估，仅在刚过去的20世纪（1900—1999年），全球表面平均温度就上升了0.3～0.6℃，全球海平面上升了10～25厘米。全球气候变化给人类及地球生态系统带来一系列灾难，如极端天气、永久冻土层融化、海平面上升、生态系统改变、旱涝灾害增加、致命热浪等。对化石能源的过度开发利用注定是不可持续的。

人类追求可持续发展，需寻求替代化石能源的新能源。风能、太阳能等可再生能源被认为是清洁能源，对这些能源的最大化利用可以最大限度地减少环境污染。