1.1　能源

1.1.1　能量與能源

自然界中可以直接或通過轉換提供某種形式能量的資源稱為能源（energy sources）。能源是一類非常重要的物質，是人類進行生產和賴以生存的重要物質基礎，也是社會發展的重要物質基礎。

（1）能量

能量是量度物體做功能力或物質運動的物理量。根據物質運動的不同形式，能量可分為機械能、熱能、電能、輻射能、化學能和核能等相應的形式。能量有六種基本屬性，即狀態性、可加性、轉換性、傳遞性、做功性和貶值性。其中轉換性與傳遞性是能量利用中最重要的屬性，這兩個屬性使得人類在不同的地點得到所需形式的能量成為可能。

不同形式的能量可以在一定的條件下相互轉換，轉換過程服從能量守恒和轉換定律，這就是能量的轉換性。能量轉換設備或轉換系統是實現能量轉換的必要條件，如燃煤發電過程，煤所含的化學能通過燃燒這種化學反應轉換為熱能，熱能通過燃氣輪機、汽輪機等熱機轉換成機械能，機械能通過發電機轉換成電能。在這個轉換過程中，燃燒器（例如鍋爐）、熱機和發電機為轉換設備，由它們組成的燃煤發電機組為轉換系統。

能量的傳遞性是能量的又一重要屬性，能量的利用通過能量傳遞得以實現。能量在“勢差”的推動下完成傳遞，如熱量傳遞推動力為溫度差、流體流動的推動力為位差或壓力差、電流推動力為電位差、物質擴散的推動力為濃度差等。從生產的角度來說，能量傳遞性保證了各種工藝過程、運輸過程和動力過程的實現，為其提供推動力。能量通過各種形式的傳遞后，最終轉移到產品中或散失于環境中。

（2）能源

能源是能量的來源或源泉，包含有化石能源（煤炭、石油、天然氣等）、水能、核能、電能、太陽能、生物質能、風能、海洋能、地熱能、氫能等基本形式。

能源是人類賴以生存的物質基礎，與社會經濟的發展和人類的生活息息相關，開發和利用能源資源始終貫穿于社會文明發展的全過程。在長期的生產實踐中，人類逐步建立了一門研究能源發展變化規律的科學——能源科學。能源科學以社會學、經濟學、人口學、物理學、化學、數學、生物學、地理學、地質學、工程學等科學的理論為指導，研究能源技術中共性的理論問題，以揭示能源技術的一般規律。

（3）能源的單位

能源的單位與能量的單位相同，常用單位有焦耳（J）、瓦時（W·h）、卡（cal）和英熱單位（Btu）等。按照《中華人民共和國法定計量單位》的規定，J和W·h是法定單位，cal和Btu是非法定單位。各種能源單位之間可以通過表1-1相互換算。

能源的種類不同，計量單位也不同。為了求出不同的熱值、不同計量單位的能源總量，以便進行統計和比較，必須建立一類統一的單位。由于各種能源在一定條件下都可以轉化為熱，所以選用熱量作為核算的統一單位。在能源領域的實際工作中，習慣上使用煤當量（亦稱標準煤、標煤、標準煤當量）和油當量（亦稱標準油、標油、標準油當量）作為能源的單位。煤當量用符號ce（coal equivalent）表示，油當量用符號oe（oil equivalent）表示，它們與熱量的換算迄今尚無國際公認的統一標準。我國規定，1kg標準煤當量（kgce）的發熱量為29.27MJ（7000kcal），1kg標準油當量（kgoe）的發熱量為41.82MJ（10000kcal）。同理有噸煤當量（tce），噸油當量（toe），百萬噸煤當量（Mtce），百萬噸油當量（Mtoe），可進行相應的換算。

在能源科學領域，常常會涉及數量非常巨大的能源，為了表示方便，通常在能源基本單位前加詞冠，國際單位制中常用的詞冠如表1-2所列。

（4）能源的量與質

熱力學第一定律從數量上揭示了進出體系能量之間的關系，其表述為：

體系中累積的能量=進入體系的能量-離開體系的能量　　 （1-1）

世上的任何過程，小到一個設備上的能量變化，大到一個國家、地區的能源生產、供應和消費都遵循這一規律。熱力學第一定律也被稱為能量守恒定律。能源平衡通常指某一地區或系統在一定時期內能源投入與產出之間的平衡，是能源工作的重要組成部分。按范圍進行劃分的能源平衡有：國家能源平衡、地區能源平衡、部門能源平衡、企業能源平衡等；按對象有綜合能源平衡和單項能源平衡；按能源種類有煤炭平衡、石油平衡、天然氣平衡、水能平衡、熱能平衡等各種一次能源平衡或二次能源平衡。對于小系統或單個設備，這類工作通常稱為能量平衡，如果以熱能為計算基準，則稱為熱平衡。能源平衡的結果可用表格、能流圖等形式表示。通過能源平衡，可以計算出一系列能源利用指標和參數，為能源工作者摸清能耗狀況、掌握用能水平、加強能源科學管理、做好節能減排工作和制定能源規劃提供科學依據。

人類利用能源的本質是利用其能量做功。根據熱力學第二定律，能量不但有數量的大小，而且有質量的高低。如機械能、電能可以完全轉變為功，而熱能只有部分做功能力。做功能力強的能源被稱為高品位能源，反之稱為低品位能源。如機械能、電能是高品位能源，接近環境狀態的熱能是低品位能源。種類相同而狀態不同的熱能品位是不同的，如高溫高壓水蒸氣的品位比低溫低壓水蒸氣高。能量雖然在數量上守恒，但在傳遞、轉換和使用過程中，由于存在各種不可逆因素，總會伴隨著能量的損失，即品位的降低，或者說做功能力的下降，最終達到與環境完全平衡的狀態而失去做功能力，成為廢能，這就是能量的貶值性。要定量地研究能源做功能力的大小，可以通過有效能、能質系數等指標實現。

1.1.2　能源的分類

能源的種類繁多，人們從研究、利用和開發能源的角度出發，根據能源的特點和相互關系，按一定的規則將它們進行分類。下面介紹幾種常見的分類法。

（1）來源分類法

按能源的形成或來源可將能源劃分為三大類。

第一類為來自地球外天體的能源，如太陽能及宇宙射線。這里所指的太陽能，也稱為廣義太陽能，泛指所有來自太陽的能源。除了太陽的直接輻射外，還包括經各種方式轉換而形成的能源，如經生物質轉化而形成的各種生物質能和化石能源，如煤炭、石油、天然氣、油頁巖等；經空氣或水轉化形成的風能、水能、海洋能等。這類能源是目前人類利用的主要能源。第二類為地球本身蘊藏的能源，如地熱能和核能。地熱能的形式有地熱水、巖漿以及地震、火山等。第三類是地球和其他天體相互作用而產生的能源，如由于月球對地球的引力產生的潮汐能。

（2）一、二次能源分類法

一次能源是指自然界中現實存在，或由于自然條件變化而產生的，并沒有經過人為加工轉換的能源，又稱天然能源。如原煤、原油、天然氣、天然鈾礦、木柴、水能、風能、太陽能、海洋能、地熱能等均屬這類能源。

在生產和生活中，由于工作需要、便于輸送或使用等原因，把一次能源經過一定的加工或轉換，使之轉換成符合使用條件的能源，習慣上將其稱為二次能源，又稱人工能源。如汽油、柴油、重油等各類石油制品，電力，焦炭，煤氣，水蒸氣，燃料酒精，人工沼氣等都屬于二次能源。

（3）可再生能源與非再生能源分類法

可再生能源是指在一個相當長的時間范圍內，自然界可連續再生并有規律地得到補充的一次能源。常見的可再生能源有：太陽能、生物質能、水能、風能、海洋能、地熱能等。

非再生能源指那些不能連續再生、短期內無法恢復、可耗盡的一次能源。如煤炭、石油、天然氣、核燃料鈾等都是經過自然界億萬年演變形成的有限量能源，它們不可重復再生，最終可被用盡。

（4）常規能源與新能源分類法

按利用技術的成熟程度可將能源分為常規能源和新能源。常規能源是指已經大規模生產和廣泛利用的、技術比較成熟的能源。如煤炭、石油、天然氣、水力能等一次能源，以及煤氣、焦炭、汽油、酒精、電力、蒸汽等二次能源。

而那些正在研究和開發，尚未大規模應用的能源則稱為新能源。如太陽能、風能、生物質能、海洋能、地熱能、氫能等都屬于新能源。

新能源是在不同歷史時期和科學技術水平條件下，相對于常規能源而言的。隨著煤炭、石油、天然氣等常規能源儲量的不斷減少，新能源將成為世界新技術革命的重要內容，成為未來世界持久能源系統的基礎。

（5）燃料能源與非燃料能源分類法

燃料能源是用作燃料使用，主要通過燃燒形式釋放熱能的能源。根據其來源可分為礦物燃料（如石油、天然氣、煤炭等），核燃料（如鈾、釷等），生物燃料（如木材、秸稈、沼氣等）和化學燃料（甲醇、酒精、丙烷、鋁、鎂等）。根據其形態可分為固體燃料（如煤炭、木材等），液體燃料（如汽油、酒精等），氣體燃料（如天然氣、沼氣等）。燃料能源的利用途徑主要是通過燃燒將其中所含的各種形式的能量轉換成熱能，是人類的主要能源。

非燃料能源無需通過燃燒而直接向人類提供能量。如太陽能、風能、水力能、海洋能、地熱能等。非燃料能源所含有的能量形式主要有機械能、光能、熱能等。

（6）化石能源與非化石能源分類法

化石能源（有時也稱為化石燃料、礦物能源、礦物燃料等），指天然礦物源中含有能量的物質，它們所含的能量可通過化學或物理過程得到釋放。化石能源可以是固態、液態或氣態的物質，如煤炭、石油、天然氣和各種核燃料等。非化石能源指除化石能源以外的其他能源。化石能源是目前支撐人類能源體系的主要能源，由于其具有不可再生性，將逐漸枯竭，最終由非化石能源中的可再生能源所替代。

（7）商品能源與非商品能源分類法

商品能源具有商品的屬性，是作為商品經流通環節而消費的能源。主要包括市場上出售的煤炭及其制成品、石油產品、天然氣、電力等。

不作為商品交換的能源稱為非商品能源。常指來源于植物、動物的能源，如農業、林業的副產品秸稈、薪柴等，人畜糞便及由其產生的沼氣，太陽能、風能或未并網的小型電站所發出的電力等。這類能源由使用者自己生產、加工和利用，在發展中國家農村地區的能源消費中占有很大的比重。

（8）含能體能源與過程能源分類法

有些物質本身含有能量，如煤炭、石油、天然氣、氫氣、生物質等，在把這些物質進行運輸和儲存的同時，也將能量進行了運輸和儲存。這類能源稱為含能體能源或載體能源。

另一類能源是由于提供能量的物質運動所產生的，如水力能、風能、潮汐能、電能等。這類能源稱為過程能源，其特點是不能直接儲存。

（9）清潔能源與非清潔能源分類法

按能源在生產和使用過程中對環境的影響，可將能源分為清潔能源和非清潔能源。清潔能源不對環境造成損害或損害程度較小，如太陽能、水能、風能等。而像煤炭、石油等能源對環境損害程度較大，稱為非清潔能源。

除了對能源的整體分類外，通常還將能源按其固有的特性進行劃分，主要有以下幾種。

替代能源，指具有高效、環境友好、經濟和來源廣泛特點的，用于替代以往和目前大量使用的低效率能源的能源品種。隨著科學技術和社會生產力的發展以及能源資源儲備和結構的變化，替代能源將不斷出現，原有的替代能源被新的替代能源所替換，這是人類社會進步的必然結果。人類歷史上已出現了多次大規模的能源消費結構的更替和變化，如18世紀起以煤炭替代薪柴，20世紀初以石油、天然氣替代煤炭，隨著化石能源資源儲量的變化，煤炭、核能將逐漸成為新的替代能源，最終將以太陽能等可再生能源為基礎建立持久的能源體系。

垃圾能源，利用生物技術和化學方法將垃圾中所蘊藏的能量轉變成熱能或電能等形式提供的能源。垃圾中含有有機物和可燃物，可通過焚燒將其轉變為熱能，也可利用發酵產生可燃氣體，垃圾提供的熱能可用以發電提供電能或供用戶直接使用。利用垃圾能源，可以化害為利，變廢為寶。

終端能源，即到達用戶供其使用的能源。這些能源通常經過開采、精制、輸送、儲存和分配等過程最終成為終端使用的能源。

1.1.3　人類文明與能源

人類有意識地利用能源是從發現和利用火開始的。在遠古時代，人們學會了利用火和保存火種，后來又進一步發明了摩擦生火。2004年，考古學家在以色列發現了人類在79萬年前使用火來加工食物和制造工具的證據，這是迄今為止考古發現人類最早使用火的記錄。而在周口店遺址中，發現了成層的灰燼和伴生的大量燒骨、燒石，說明北京人在50萬～60萬年前已經有控制地使用火。火的使用，使人類可以食用熟食，擴大了食物來源，增強了體質。火可照明、取暖、驅獸，使人類進一步征服了漫長的黑夜和嚴寒，減少被猛獸攻擊，擴大了生活領域，使人類的種群不斷壯大。作為一種生產力，火是從事生產、改進工具、提高生產效率的有效手段，制陶、冶煉金屬、釀酒等工藝隨著火的使用而出現。火的使用，是人類第一次認識和利用自然規律，自主支配自然力，為人類進入文明時代創造了條件，從而最終把人與動物區分開來，直接成為人類解放的手段。這是人類對抗自然界的一個偉大勝利，是社會發展史上的偉大革命，是人類從必然王國向自由王國邁進的一大步。

在此后的漫長歲月中，人類的能源消費一直是以薪柴為主，輔以畜力，以及逐漸使用的簡單的水力和風力機械。直到18世紀60年代，英國的產業革命的興起，特別是蒸汽機的發明和使用，使勞動生產力有了很大的提高，同時也促使了煤炭勘探、開采和運輸業的大發展。人類的能源消費結構完成了從以薪柴為主到以煤炭為主的轉變，這在后來被稱為能源消費結構的第一次大轉變。1860～1920年，世界煤炭產量由136Mtce增至1250Mtce，增加了8.2倍。1920年煤炭占世界能源構成的87%，躍居第一位。這一轉變使人類的生活和文化水平得到了極大提高，甚至從根本上改變了人類社會的面貌。

石油、天然氣資源的開發和利用，開始了人類能源利用的又一新時代。1876年，德國人奧托設計制造了第一臺四沖程汽油內燃機，取得了內燃機技術的第一次突破。與蒸汽機相比，內燃機具有體積小、重量輕、效率高等許多突出的優點，更適合在移動式機械上使用。進入20世紀，隨著第一次世界大戰的爆發，對汽車、坦克、輪船及飛機的需求量大增，使這類技術得到了迅猛的發展。從20世紀20年代開始，石油、天然氣的消費量逐漸上升。到20世紀50年代，隨著石油勘探和開采技術的提高，中東、美國和北非相繼發現了巨大的油氣田，加上石油煉制技術的提高，各種成品油的價格低廉，供應充足。這些因素促使人類的能源消費結構發生了第二次大轉變，即從以煤炭為主到以石油、天然氣為主的轉變。到1959年，石油和天然氣在世界能源構成中的比重，由1920年的11%上升到50%，首次超過煤炭而占第一位，煤炭的比重則由87%下降到48%。1986年，世界一次能源總消費量為10810Mtce，其中石油占38%，天然氣占20%，煤炭占30%，水電占7%，核電占5%。這次轉變極大地促進了世界經濟的繁榮，創造了歷史上空前的物質文明，人類進入了高速發展的快車道。

到目前為止，全球各主要能源消費大國及世界平均的能源消費結構仍處于該狀態中。圖1-1為《BP世界能源統計2015》公布的世界能源消費結構。可以看出，石油、天然氣兩種能源占全世界能源消費總量的56.7%，美國為68.6%，俄羅斯為74.3%。當然，能源的消費結構是根據各國的資源條件等情況而定的，中國、印度等國家由于煤炭資源相對豐富，仍維持以煤炭為主。圖1-2為近一個世紀以來世界能源消費結構的變化情況。由圖中可以看出，進入21世紀以來，隨著石油、天然氣儲量的減少和潔凈煤利用技術的日趨成熟，石油、天然氣的消費量有所下降，而煤炭的消費量出現回升，但能源的消費結構并沒有發生大的變化。

兩次能源消費結構的大轉變，將人類從原始落后的以天然可再生能源為基礎的簡單機械動力裝置時代帶入了以煤炭、石油和天然氣等不可再生能源為基礎的熱能裝置時代，傳統的工業文明比起原始的農耕文明發展速度快，但對大自然的索取量大大增加，可持續性差。在經濟高速發展、人類文明程度迅速提高的同時，許多負面效應也相繼顯現。能源消費量的持續增長給環境帶來的壓力日益嚴重，溫室效應、環境污染、化石能源枯竭、生態環境破壞等，已成為威脅人類生存和發展的嚴重問題。如何使能源利用和環境保護相協調，維持人類社會的可持續發展，是擺在人類面前的共同任務。從20世紀70年代開始，人類的能源消費結構開始進入一個新的轉變期，即從以石油、天然氣為主向以可再生能源為基礎的持久、穩定的能源系統轉變。這個轉變將經歷一個漫長的過程，大約需要上百年的時間。在這期間，隨著石油、天然氣蘊藏量的減少，煤炭、核能可能會重新成為主力能源，但最終將被可再生能源所取代。