一幅美国能源系统的历史

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关于美国的能源历史，您应该了解的第一件事是，大约在150年前，马匹被彻底撕破了。

“在19世纪中叶，您的马身大量扩张。它们变得更强大了50％，”芝加哥大学的历史学家罗伯特·西茨（Robert Suits）告诉我。

这对能源的历史很重要，因为那时马是运输的主要形式。 （正如杰森·托尔钦斯基（Jason Torchinsky）所写，马是世界上第一个半自动车辆。）这很重要，因为这种变化是如何发生的，西斯说，这是不可能实现的大规模的选择性育种计划，直到有铁路能够长期运送有希望的马。距离。

最后，这很重要，因为您必须了解如何利用马来弄清楚美国经济过去使用了多少能源。考茨说，在1810年代，美国人平均每天吃掉25,000至30,000卡路里的热量。到1900年，每人每天吃掉35,000至40,000卡路里。这意味着更多的干草和燕麦。

这个花絮是我从西服和他的同事们从一个惊人的新研究项目中学到的东西之一。它以图表的形式记录了美国能源系统的历史，从1800年到2019年。今天出版：

这种类型的图表称为Sankey图，它显示了流入和流出系统的相对大小。此特定的Sankey图显示了美国能源系统的输入和输出，以人均瓦特为单位。图表的左侧显示了能源的来源（煤炭，天然气或石油），右侧显示了能源的用途（运输，农业或家庭照明和供暖）。

您可以在线找到其图表的完整交互式版本。老实说，我在此列出了这张图表，希望您能访问他们的网站并继续使用它。里面有很多事情。据我所知，这是将如此多有关美国能源历史的信息放在一个地方的第一次尝试。 “您可以单独从Sankey写一本书，”驻波士顿的能源顾问Apratim Sahay告诉我。

因此，请点击周围！看看出生那年发生了什么与现在发生了什么。看一下出生前100年的能源系统是什么样的。这将帮助您更敏锐地思考气候变化。

从广义上讲，我之所以选择这个项目，是因为它有很多要教我们的知识，那就是能源系统如何成为今天的样子，以及将来如何改变和改变。

首先，您可以从此图表中了解美国能源使用的大时代。从1800年到1850年的半个世纪，该国吞噬了生物质，其中大部分以柴火和动物饲料的形式存在。在1870年代，生物质被第一批化石燃料所取代：煤炭，以及程度较小的石油。 （最初，石油主要用作灯的燃料，而不是运输的燃料。）

到1910年代，煤炭已占主导地位。西斯说：“煤炭基本上是经济中除电力以外的所有事务。”它给房屋供暖，为铁路供电，并帮助锻造钢铁。但是它很脏而且令人沮丧，而且价格波动很大。在1920年代，它开始从经济中消失，取而代之的是天然气，电力，以及在运输领域中的石油（以汽油的形式）。

这是汽车时代和电气化的太阳带郊区的时代，持续了50年，直到1970年代的能源危机出现并限制了能源使用。自1973年以来，人均能源使用量一直没有增加。

近年来，您可以看到天然气将电力从电力部门运出。实际上，正是要抓住这种变化，才导致项目负责人从头开始着手进行这项工作。芝加哥大学大气化学教授伊丽莎白·莫耶（Elisabeth Moyer）说：“如果不对数据进行动画处理，那么电力行业正在发生的变化-就像我们已经看到的任何能量转换一样大的变化-很难掌握……”创建项目的人告诉我。

（这是我提到我今年是芝加哥大学能源政策研究所的访问学者的好时机。这不是有薪职位，自2019年以来我一直没有来过，因为大流行。但这就是我遇见Moyer的方式。）

但是，这种叙述没有使图表变得令人惊奇的许多惊喜。以1800为例。

那条风能将用于运输吗？狂风笼罩着大篷车的帆。走向工业的水电来自河流旋转的磨坊。

另一个观察结果：能源历史上发生的一切都比我预期的晚。 18世纪，美国第一家商业煤矿开始运营，1859年钻出了第一口油井。但是直到1888年，煤炭能源的数量才超过生物质能源的数量。而且由于美国人使用了如此多的柴火来加热他们的房屋，也就是经济中使用的能源超过家用能源的时间。

电力也是如此。电力只是在第二次世界大战之后才开始腾飞，但是直到1959年，美国人在家中消耗的电能才超过煤炭。

同样，能源方面的每场战斗似乎都曾经发生过。看看20世纪的煤炭斗争-在1918年的顶峰时期，煤炭为除农业之外的所有经济领域提供了动力。然后它迅速下降，以至于在1960年代，它注定要根除。莫耶和她的同事们写道，如果环顾四周，您会以为煤炭只剩下了短短的几年。

相反，石油危机在1970年代爆发，煤炭找到了新的利基市场。它成为主要用于发电的燃料，部分原因是由于其国内来源对决策者而言特别有吸引力且可靠。然后它再次反弹。直到2010年代，它仍然是能源结构的核心部分，当时它被天然气定价：

另外一点：减少经济中使用的原始燃料的数量确实非常非常困难。请记住，此Sankey图按人均计算。但是，由于该国的人口几乎总是在增长，因此人均使用量的减少并不会转化为绝对使用量的减少。实际上，自1800年以来，绝对值唯一下降的能源类型是煤炭，在此图表中以黑色表示：

查看图表底部的绿色条子。它是生物质。即使在我们以石油为动力的时代，美国今天使用的生物质能（每年约165吉瓦）也比19世纪任何时候都要多。但是，尽管生物质在那时成为动物饲料和木柴，但今天它主要是用于生产乙醇的玉米，实际上也是木柴。

“历史学家习惯于强调第一。什么时候第一辆可行的汽车？什么时候是美国第一台蒸汽机？西服说。 “但是，从经济的角度来看，直到1860或70年代，蒸汽机的直线加速才变得重要。您真的开始错过任何给定转换的大部分都必须具有可扩展的基础架构层。”

的确，这是Suits和Moyer从事此项目的最大收获。能源过渡能够在较早建立的基础设施上顺利进行时，其移动速度往往会更快。因此，煤炭能够以如此之快的速度为整个经济提供动力，因为煤炭很容易通过铁路运输。管道基础设施建成后，石油和天然气在20世纪占据主导地位。

同样，Moyer说，由于消费者使用的技术种类繁多，能源转换不会趋于放缓。她说，家庭似乎并不介意在家里扔掉一个煤炉来换取天然气。相反，缺少供应和分配技术（例如管道或电网）会拖累过渡。同样，当过渡能够使用现有的基础结构时，过渡可以更快地工作。她说，因此，一旦电动汽车的电池寿命稍长一点，它们普及的基本障碍就可能是缺乏充电基础设施，而不是许多人已经拥有汽油动力汽车这一事实。

我将图表发送给其他两名能源专家，以获取他们的想法。乔治亚理工学院的工程学教授埃米莉·格鲁伯特（Emily Grubert）指出，几乎所有描述的转变都是偶然的或市场力量的结果。她说，向零碳能源的过渡可能会更快，因为这是故意的。

能源顾问Sahay注意到了其他细节。他说，1932年后电气化的增长与罗斯福政府的农村电气化计划密不可分。他说：“垦殖局将在河谷上建造水坝，联邦电力销售管理局将出售电力以收回成本。” “这些项目不仅减少了城乡差距，而且在经济上从农业向制造业和服务业转变了工作岗位。”他们还提高了农场的生产力。他说，我们现在应该使用类似的计划来使其余经济体电气化-实际上，这就是参议员伯尼·桑德斯在总统初选中提出的建议。

那么，这张图与气候变化有什么关系？简短而轻松的回答是，这张图是气候变化。美国的二氧化碳排放量占全球历史性二氧化碳排放总量的四分之一，为4000亿吨，超过任何其他国家。这就是您在这张图表中看到的情况，即煤电的锯齿状斜坡和石油需求的旺盛。

第二个也许也是显而易见的一点是，美国和整个世界都需要实现与过去两个世纪以来任何事物都无法匹敌的能源转型。如果您查看2019年版的Sankey图，您会看到两个最大的色块分别代表天然气和石油。格鲁伯特说：“我们谈论要做的事情在这张图表上甚至都看不到。”太阳能和风能由仅几像素宽的线表示。她说：“我们必须将那些铅笔线变成盒子。”

但最后，考虑一下马匹。他们之所以能够在19世纪变得如此强大，不是因为玉米或燕麦有所改良，而是因为突然有可能进行选择性育种。这是可能的，因为存在铁路，而铁路又是依靠煤炭。这意味着当今的马在生物学上与历史上化石燃料如何转化它们密不可分。我们也是。