3.1 能源與新能源基礎(chǔ)知識

本節(jié)將介紹能源與新能源基礎(chǔ)知識，包括能源電力、化石能源（煤炭、石油、天然氣）、清潔能源（水能、風(fēng)能、太陽能、核能、海洋能、生物質(zhì)能等）的基本定義。

3.1.1 能源電力的基本定義

能源就是向自然界提供能量轉(zhuǎn)化的物質(zhì)（礦物質(zhì)能源，核物理能源，大氣環(huán)流能源，地理性能源）。所謂一次能源是指直接取自自然界以原有形式存在的沒有經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換的各種能量和資源，又稱天然能源。它包括：原煤、原油、天然氣、油頁巖、核能、太陽能、水力、風(fēng)力、波浪能、潮汐能、地?zé)?、生物質(zhì)能和海洋溫差能等等。一次能源可以進(jìn)一步分為再生能源和非再生能源兩大類。再生能源包括太陽能、水力、風(fēng)力、生物質(zhì)能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能等等。它們在自然界可以循環(huán)再生。而非再生能源包括：煤炭、原油、天然氣、油頁巖、核能等，它們是不能再生的。

二次能源也稱“次級能源”或“人工能源”，是由一次能源直接或間接加工轉(zhuǎn)換而成的其他種類和形式的能源以及人工制造的能源，又稱人工能源，包括洗精煤、煤氣、焦炭、人造石油、人造天然氣、水煤漿、油煤混合燃料、汽油、煤油、柴油、重油、電能、蒸汽、熱水、沼氣、余熱、火藥、酒精、氫、激光、甲醇、丙烷等。

而按利用技術(shù)來分，能源又可以分為常規(guī)能源和新能源。常規(guī)能源屬于一次能源。在20世紀(jì)70年代和80年代末以前，世界在一次能源消耗結(jié)構(gòu)中，石油占40%以上，煤約占20%以上，天然氣約占10%左右。

二次能源（除電外）通常是指從一次能源（主要是化石燃料）經(jīng)過各種化工過程加工制得的、使用價值更高的燃料。例如，由石油煉制獲得的汽油、噴氣燃料、柴油、重油等液體燃料，它們廣泛用于汽車、飛機(jī)、輪船等，是現(xiàn)代交通運輸和軍事的重要物資；還有煤加工所制成的工業(yè)煤氣、民用煤氣等重要的氣體燃料；此外，也包括從煤和油頁巖制取的人造石油。二次能源的產(chǎn)生不可避免的伴隨著加工轉(zhuǎn)換過程中的損失，但是它們比一次能源的利用更為有效，更為清潔，更為方便。

電能是能量的一種形式，電能的獲得是由各種形式的能量轉(zhuǎn)化而來的，而這些能量的轉(zhuǎn)化過程是由各種各樣的發(fā)電廠和各種各樣的電池完成的。電源是提供電能的裝置，其實質(zhì)都是把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。發(fā)電類型有：風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；火力發(fā)電是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；太陽能發(fā)電把太陽能轉(zhuǎn)化為電能；原子能發(fā)電把原子能轉(zhuǎn)化為電能。電池類型有：干電池、鉛蓄電池、手機(jī)電池把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；硅光電池是把光能轉(zhuǎn)化為電能；太陽能電池把太陽能轉(zhuǎn)化為電能。

用電器在工作時把電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。電燈把電能轉(zhuǎn)化為熱能、光能；電風(fēng)扇、無軌電車、吸塵器、洗衣機(jī)等把電能轉(zhuǎn)化為動能；電視機(jī)、計算機(jī)把電能主要轉(zhuǎn)化為光能和聲能；熱水器、電飯鍋把電能轉(zhuǎn)化為熱能等。

3.1.2 化石能源

化石能源主要是指煤炭、石油、天然氣等由遠(yuǎn)古生物經(jīng)過億萬年演化形成的不可再生資源。第一次工業(yè)革命以來，化石能源支持了近代工業(yè)發(fā)展。目前，全球化石能源消費呈現(xiàn)總量增加、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、遠(yuǎn)距離配置規(guī)模擴(kuò)大的發(fā)展趨勢，煤炭、石油和天然氣等化石能源超過全球一次能源消費總量的80%。

1．煤炭

煤炭作為燃料使用至今已經(jīng)有三千多年的歷史，是人類最早實現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)利用的化石能源。11世紀(jì)后期，煤炭開始成為建筑材料和冶金業(yè)的燃料。18世紀(jì)80年代，瓦特改良型蒸汽機(jī)的發(fā)明使得煤炭開始被大規(guī)模開發(fā)和利用，推動了第一次工業(yè)革命，建立了以機(jī)械化為特征的近代工業(yè)，紡織、鋼鐵、機(jī)械、鐵路等行業(yè)實現(xiàn)了大發(fā)展，使人類社會進(jìn)入蒸汽時代。18世紀(jì)末，煤炭成為世界主導(dǎo)能源，隨后比重有所下降，直到20世紀(jì)中葉，煤炭在世界能源結(jié)構(gòu)中都占據(jù)著主導(dǎo)地位。近年來，雖然煤炭比重有所下降，但世界煤炭開發(fā)利用規(guī)模始終保持增長態(tài)勢。

2．石油

石油是支撐現(xiàn)代工業(yè)體系的主導(dǎo)能源。19世紀(jì)，人類開始開發(fā)和利用石油。1859年世界第一口油井在美國賓夕法尼亞州投入使用，美國因此成為早期主要的石油生產(chǎn)國和消費國之一，隨后蘇聯(lián)也開始了油井采油，現(xiàn)代石油工業(yè)開始逐步建立。隨著內(nèi)燃機(jī)的廣泛應(yīng)用，對燃料油的需求猛增，一些國家開始大量開采和提煉石油，石油產(chǎn)量迅速增長。20世紀(jì)20年代以后，石油開始廣泛應(yīng)用；40年代以后，主要發(fā)達(dá)國家的能源消費重心逐步從煤炭轉(zhuǎn)向石油；60年代，石油在能源消費結(jié)構(gòu)中的比重超過煤炭，成為世界主導(dǎo)能源；90年代，石油已經(jīng)占全球一次能源消費總量的40%以上。可以說，20世紀(jì)中葉以后，世界能源發(fā)展進(jìn)入了石油時代。石油行業(yè)的發(fā)展、電力的發(fā)明與應(yīng)用推動了第二次工業(yè)革命，交通、化工、電力以及汽車、電器等行業(yè)實現(xiàn)了大發(fā)展。中國作為世界第四大石油生產(chǎn)國，近年來石油產(chǎn)量保持平穩(wěn)增長，2013年原油產(chǎn)量為2.08億噸，約占世界石油產(chǎn)量的5%。但是由于受到資源條件限制，中國石油年產(chǎn)量已接近峰值，未來增長空間有限。

3．天然氣

天然氣是相對清潔的化石能源。1821年美國賓夕法尼亞州最早開始實現(xiàn)天然氣商業(yè)應(yīng)用。隨后，在世界各地發(fā)現(xiàn)了大量天然氣田，但受到氣體管道運輸安全制約，天然氣工業(yè)發(fā)展嚴(yán)重滯后于石油工業(yè)。1945—1970年，各國加大了油氣勘探開發(fā)投入，世界已發(fā)現(xiàn)天然氣儲量、產(chǎn)量大幅度上升，其中原蘇聯(lián)、美國和荷蘭的天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快。近年來，天然氣在全球一次能源消費結(jié)構(gòu)中的比重不斷上升，與石油、煤炭比重的差距逐年縮小。我國今年天然氣生產(chǎn)也步入快速發(fā)展階段，產(chǎn)量增長較快。2013年中國天然氣產(chǎn)量為1170.5億立方米，是1980年的8.2倍，約占世界天然氣產(chǎn)量的3.5%，位居世界第六位。

4．非常規(guī)油氣

全球非常規(guī)油氣資源儲量豐富，但分布不均衡。非常規(guī)油氣主要包括重油、油砂、頁巖油等。其中，重油主要分布在南美、中亞、俄羅斯和中東等地區(qū)；油砂主要分布在北美、非洲和中亞、俄羅斯等地區(qū)；全球頁巖油的可開發(fā)量為471億噸，主要分布在俄羅斯、美國。

非常規(guī)天然氣包括可燃冰、頁巖氣、煤層氣、致密砂巖氣（深盆氣）、淺層生物氣、水溶氣、無機(jī)成因氣等。可燃冰又稱為天然氣水合物，具有儲量豐富、能量密度大、燃燒利用污染排放少等優(yōu)點，通常分布在海洋大陸架外的陸坡、深海、深湖及永久凍土帶上。

中國具有豐富的非常規(guī)天然氣資源。中國已先后在南海、東海及青藏高原凍土帶上發(fā)現(xiàn)可燃冰，僅南海北部的可燃冰儲量已相當(dāng)于陸上石油儲量的一半。陸上可燃冰遠(yuǎn)景儲量在500億噸標(biāo)準(zhǔn)煤以上。陸地頁巖氣地質(zhì)資源潛力為134萬億立方米，可采資源潛力為25萬億立方米（不含青藏地區(qū)），主要分布在南方海相頁巖地區(qū)及東北松遼、內(nèi)蒙古鄂爾多斯、新疆吐哈和準(zhǔn)葛爾等陸相沉積盆地。

3.1.3 清潔能源

清潔能源主要包括水能、風(fēng)能、太陽能、核能、海洋能、生物質(zhì)能等，其資源豐富，開發(fā)潛力巨大。隨著清潔能源開發(fā)技術(shù)的突破，經(jīng)濟(jì)性大幅度提升，以清潔能源替代化石能源將成為全球能源發(fā)展的必然趨勢。全球水能資源超過100億千瓦，陸地風(fēng)能資源超過1萬億千瓦，太陽能資源超過100萬億千瓦，可開發(fā)總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類全部能源需求。

1．水能

水能是目前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)性最高、已開發(fā)規(guī)模最大的清潔能源。全球水能資源理論蘊藏量約為39萬億千瓦時每年，主要分布在亞洲、南美洲、北美洲等地區(qū)。其中亞洲理論蘊藏量約為18萬億千瓦時每年，占世界總量的46%；南美洲8萬億千瓦時每年，占世界總量的21%；北美洲6萬億千瓦時每年，占世界總量的15%；水能資源理論蘊藏量居于前五位的國家分別是中國、巴西、印度、俄羅斯、印度尼西亞。

中國是世界上水能資源最為豐富的國家。理論蘊藏量在1萬億千瓦及以上的河流有3800多條，理論年發(fā)電量約為6.08萬億千瓦時每年，技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量達(dá)到5.7億千瓦，年發(fā)電量約為2.47萬億千瓦時每年，主要集中在長江、雅魯藏布江、黃河三大流域，分別占全國技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量的47%、13%和7%。截止2013年底，中國水電裝機(jī)容量為2.8億千瓦，約為技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量的一半，未來開發(fā)潛力巨大。

2．風(fēng)能

風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能最主要的利用形式。20世紀(jì)90年代以來，世界風(fēng)電技術(shù)不斷取得突破，開發(fā)成本快速下降。風(fēng)電是全球增長速度最快的清潔能源之一，已經(jīng)成為僅次于水電、核電的第三大清潔能源發(fā)電品種。近年來，風(fēng)電開發(fā)成本已經(jīng)逐步接近傳統(tǒng)能源發(fā)電成本，開發(fā)規(guī)模迅速增長，已經(jīng)與核電基本相當(dāng)。盡管當(dāng)前風(fēng)電在全球發(fā)電量中的比重僅為3%，但越來越多的國家已經(jīng)將風(fēng)電納入國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，并制定了發(fā)展規(guī)劃。未來，隨著風(fēng)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和市場競爭力的不斷提升，風(fēng)電將成為全球重要的能源品種之一。2013年全球累計風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到3.2億千瓦。2012年6月，中國已超過了美國成為世界第一風(fēng)電裝機(jī)大國。

3．太陽能

太陽能來自太陽輻射，是世界上資源量最大，分布最為廣泛的清潔能源。太陽能發(fā)電是太陽能開發(fā)利用的最主要形式。21世紀(jì)以來，全球太陽能發(fā)電呈現(xiàn)快速發(fā)展勢頭，超過風(fēng)電成為增長速度最快的清潔能源發(fā)電品種。按照發(fā)電原理，太陽能發(fā)電主要包括光伏發(fā)電和光熱發(fā)電兩種方式。地球上除了核能、潮汐能和地?zé)崮艿?，其他能源都直接或間接來自太陽能。從能量角度看，太陽一年輻射地球表面的能量約合116萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于2013年世界一次能源消耗總量（181.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的6500倍，超過全球化石能源資源儲量。截止2013年底，世界光伏發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到1.4億千瓦，年新增裝機(jī)容量與水電基本相當(dāng)，且首次超過風(fēng)電。德國、中國、意大利、日本、美國等國家光伏發(fā)電總裝機(jī)容量均超過1000萬千瓦。

4．核能

據(jù)初步估計，全球核燃料資源相當(dāng)于全部化石能源的10倍，已經(jīng)探明的鈾資源主要集中在澳大利亞、哈薩克斯坦、俄羅斯、加拿大、尼日爾、納米比亞、南非、巴西、美國、中國等國家。2013年，全球共有21個國家開發(fā)。鈾礦石年總產(chǎn)量約5.95萬噸。近幾年，中國鈾礦石產(chǎn)量基本保持在0.13萬～0.15萬噸。

核電占世界總裝機(jī)容量比重持續(xù)下降。20世紀(jì)70—80年代連續(xù)發(fā)生在美國三里島、原蘇聯(lián)切爾諾貝利核泄露事故，導(dǎo)致全球核電進(jìn)入了緩慢發(fā)展的低谷期。2011年，日本福島核泄露事故發(fā)生后，核電安全成為全球關(guān)注的熱點，各國對在運核電站安全性進(jìn)行了全面檢查和評估。瑞士、德國、意大利等國先后相比放棄發(fā)展核電。美國、法國、英國、俄羅斯等許多國家表示將在高標(biāo)準(zhǔn)下繼續(xù)發(fā)展核電。截止2013年底，全世界30個國家或地區(qū)共有434臺核電機(jī)組在運行，總裝機(jī)容量約為3.7億千瓦，主要分布在美國、法國、日本等發(fā)達(dá)國家。

5．其他清潔能源

海洋能是指海洋中特有的依附于海水的可再生能源，主要包括潮汐能、海流能、溫差能、鹽差能等。截止2013年底，全球海洋能發(fā)電裝機(jī)容量約53萬千瓦，世界上最大的海洋能發(fā)電站是韓國的25.4萬千瓦潮汐能電站。

生物質(zhì)能是一種以生物質(zhì)為載體的可再生的清潔能源，其來源包括農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物、生活廢棄物和工業(yè)廢棄物，以及潛在的人工培養(yǎng)生物質(zhì)能源、各類能源農(nóng)作物、能源林木等。截止2013年底，世界生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量約7640萬千瓦，年發(fā)電量2576億千瓦·時。歐洲地區(qū)是生物質(zhì)發(fā)電規(guī)模最大的地區(qū)。

地?zé)崮苁堑貧ぶ刑N藏的熱能的總稱。地?zé)崮苡袩崴?、蒸汽型、地壓型、干熱型及熔巖型等。目前，地?zé)岬睦弥饕袩崂煤偷責(zé)岚l(fā)電兩種方式，地?zé)岚l(fā)電規(guī)模較小。截止2013年底，全球地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量約1171萬千瓦。