1.1　概述

究竟什么是“能源”呢？能源又稱為能量資源或能源資源（energy sources），其本意是指能量的來源。現在，我們用這個詞不是指它的本意，而是指在自然界中能夠直接取得或者通過加工、轉換而取得有用能的各種資源，這些資源可以使我們在生產和生活過程中得以利用。簡單地說，就是產生人類所需光、電、熱等任意形式能量的物質的統稱。所謂能量，就是物質能夠做功的能力。例如，鋼鐵冶煉需要熱能；移動物體、開動各種車輛需要機械能；各種電機和電器設備，它們在工作時需要消耗電能等。這些主要的能量形式在我們的生活和生產中普遍使用，不過呈現的形式不同。

目前，已經被人類認識、開發利用的能源種類繁多，從不同角度出發，有多種分類方法。如，從能源產生出發，可以分為一次能源和二次能源。前者是指在自然界現成存在的能源，如煤炭、石油、天然氣、水能等，即天然能源。一次能源又分為可再生能源（水能、風能及生物質能）和非再生能源（煤炭、石油、天然氣、核能等），其中，煤炭、石油和天然氣三種能源是一次能源的核心，它們是全球能源的基礎；除此以外，太陽能、風能、地熱能和氫能等可再生能源也被包括在一次能源的范圍內。非再生能源又稱為次級能源或人工能源，是指由一次能源直接或間接加工轉換成其他種類和形式的能量資源，例如：電力、煤氣、汽油、柴油、焦炭、潔凈煤、激光和沼氣等能源都屬于二次能源。二次能源又可以分為過程性能源和含能體能源。從能源性質出發，可以分為燃料型能源和非燃料型能源。人類最早使用的燃料木材以及后來用的各種化石燃料，如煤炭、石油、天然氣等屬于燃料型能源。而太陽能、氫能、風能、潮汐能等屬于非燃料型能源，由于這些非燃料型能源目前仍處在研究和開發利用初期，所以又稱為新能源。根據能源消耗后是否造成環境污染可分為污染型能源和清潔型能源，污染型能源包括煤炭、石油等，清潔型能源包括水力、電力、太陽能、風能以及核能等。

能源存在于自然界，并隨著人類智力的發展而不斷被發現、被開發，又強有力地推動了人類文明的發展。人類從一誕生就與能源密不可分，可以說，整個人類社會發展史其實就是爭奪和利用能源的發展史。

在能源的利用史上，就其劃時代性革命轉折而言，主要有三大轉換：第一次是煤炭取代木材等成為主要能源；第二次是石油取代煤炭而居于主導地位；第三次是目前正在出現的向多能結構的過渡，這一轉換現在還沒有完成。人類利用能源的歷史大致經歷了柴草、煤炭、石油三個能源時期。火的使用，使人類第一次支配了一種自然力，從而使人類和動物界徹底分開。火的發現和利用是人類有意識利用能源的開始，也是人類文化的起源。隨著火進入家庭，形成“刀耕火種”原始農業的主要技術。此后經過無數次實踐活動，人類掌握了用火冶煉金屬的方法。標志著人類從石器時代進入銅器時代，然后是鐵器時代。正是在火的光輝照耀下，人類才邁開了大發展的步伐。由于人類用火這種新的能源改善了人類環境，也促進了人類的生存和發展，所以希臘神話中把人和上帝稱為“一樣的角色”。人是造物者，是革新者，是人類世界和人自己的改造者。但是，當時人類還沒有掌握把熱能變成機械能的技巧，因此，柴草并不能產生動力。從茹毛飲血的原始社會到漫長的奴隸社會、封建社會，人力和畜力是生產的主要動力。風力和水力的利用，使人類找到了可以代替人力和畜力的新能源。隨著生產的發展，社會需要的熱能和動力越來越多。而柴草、風力、水力所提供的能量受到許多條件的限制而不能大規模使用。

人類對火的利用，一直延續到前資本主義時期，木材是當時的主要燃料。隨著文明發展，生活水平提高，人口增多，對木材的需求出現了供不應求的局面。16世紀發生于歐洲的“木材危機”，曾使歐洲文明一度出現停滯局面，迫使人們用煤代替木材作為主要能源。煤炭這種新興礦物質燃料能源的開采使用，引起社會生產力、生產技術、生產結構一系列變革。煤的發現，提供了大量熱能；風車和水車的制作，積累了機械制造的豐富經驗；于是，兩者結合起來，蒸汽機出現了。蒸汽機的使用，不但奠定了各國工業化的基礎，也開辟了人類利用礦物燃料作動力的新時代。但是，蒸汽機十分笨重，效率又低，無法在輕便的運輸工具如汽車、飛機上使用。人類在生產實踐中又發明了新的熱機——內燃機。內燃機的使用，引起了能源結構的一次又一次變化，石油登上了歷史舞臺。世界各國依賴石油創造了經濟發展的奇跡。

20世紀50年代，世界能源開始了以石油、天然氣為主的時代。石油成為世界的主要能源，以及廉價石油的大規模開采、利用，使得世界經濟有了突飛猛進的發展，各主要資本主義國家依靠廉價石油，實現了經濟發展的“黃金時代”。但是，人類在享受能源帶來的經濟發展、科技進步等利益的同時，也遇到了一系列無法避免的能源短缺、能源爭奪等能源安全挑戰。能源爭奪嚴重影響了國際社會的安定，甚至引發戰爭。如20世紀90年代的海灣戰爭和伊拉克戰爭，其本質也就是為了爭奪一種傳統能源——石油而引起的國際爭端。能源儲備與需求之間已趨失衡，難以長期滿足人類社會對能源的需求，而其他形式的能源，近期尚難替代現有常規能源，從而引發能源危機。目前，世界各國普遍存在著不同形式的能源危機。“能源危機”問題，說到底是一個能源資源和資源生產、供應與消費之間的矛盾問題。能源危機與能源問題對不同的國家有著不同的意義，其關注點和應對策略也不盡相同。

與能源危機相伴而行的是全球環境的日益惡化。自從工業革命以來，人類通過燃燒化石燃料，已經把數十億噸有毒污染物排放在大氣層中。礦物燃料燃燒時排放的二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、煙塵、氮氧化物、放射性飄塵等大量有害物質導致大氣污染、酸雨和溫室效應的加劇。發達國家在工業化初期因大量的煤炭燃燒而付出了沉痛代價，英國倫敦在20世紀50～60年代素有“霧都”之稱。在1952年的一次煙霧事件中，死亡人數高達4000人。在新技術革命到來之時，一些發達國家搶先發展低能耗的高技術產品，將煙囪工業轉嫁給發展中國家，從而使本國的環境質量得以改善。與此同時，欠發達國家的一些城市比20世紀50年代西方國家出現的最壞情況還要糟糕。由于化石燃料的燃燒產物是二氧化碳，巨大的能量消耗導致每年有3×10¹²kg的二氧化碳排放到大氣中。CO₂濃度升高導致地球溫度升高。地球上98%的CO₂溶解在海水里，海水溫度每升高1℃，CO₂的溶解度便下降3%，所以地球溫度升高又導致海水向大氣釋放更多的CO₂，從而造成溫室效應的惡性循環。2006年10月30日，英國政府公布了一份有關全球氣候變暖問題的報告，這份長達700頁的《斯特恩報告》指出，如果各國政府在未來10年內不采取有效行動遏制“溫室效應”，那么全球將為此付出高達6.98萬億美元的經濟代價，這將超過兩次世界大戰和20世紀30年代美國經濟大蕭條時期所付出的代價。此外，冰川大量融化所引起的氣候變化會導致全球1/6的人口嚴重缺水，40%以上的野生物種滅絕，并造成了多達兩億的“環境難民”。這些問題嚴重地威脅著人類的生存與發展。

世界上越來越多的國家認識到一個能夠持續發展的社會應盡可能多地用潔凈能源代替高含碳量的礦物能源，尋找替代能源，開發利用可再生能源成為社會經濟發展的巋然趨勢。為了開發清潔的新能源，世界各國都在因地制宜地開發或大力研究太陽能、風能、生物能、氫能等化石能源以外的新型替代能源，其中，氫能被認為是未來最有希望的能源之一，有的科學家甚至將21世紀稱為氫能源世紀。氫能之所以成為科學家眼中的寵兒是基于以下幾個主要原因：超級潔凈，生成物為水，基本實現溫室氣體和污染物的零排放；化學活性高，燃料電池避開熱機轉換循環可實現能量高效轉換；通用性強，可用于大多數終端燃燒設備；可望實現低損耗運送。由此，氫能這一新能源體系受到美、中、日、歐等各個國家和地區高度重視，許多國家都在加緊部署、實施氫能戰略。氫經濟（hydrogen economy）的概念也應運而生，科學家們正在面對各種問題和挑戰，希望氫經濟在不久的將來成為現實。