1.1 能源
1.1.1 能量与能源
自然界中可以直接或通过转换提供某种形式能量的资源称为能源（energy sources）。能源是一类非常重要的物质，是人类进行生产和赖以生存的重要物质基础，也是社会发展的重要物质基础。
（1）能量
能量是量度物体做功能力或物质运动的物理量。根据物质运动的不同形式，能量可分为机械能、热能、电能、辐射能、化学能和核能等相应的形式。能量有六种基本属性，即状态性、可加性、转换性、传递性、做功性和贬值性。其中转换性与传递性是能量利用中最重要的属性，这两个属性使得人类在不同的地点得到所需形式的能量成为可能。
不同形式的能量可以在一定的条件下相互转换，转换过程服从能量守恒和转换定律，这就是能量的转换性。能量转换设备或转换系统是实现能量转换的必要条件，如燃煤发电过程，煤所含的化学能通过燃烧这种化学反应转换为热能，热能通过燃气轮机、汽轮机等热机转换成机械能，机械能通过发电机转换成电能。在这个转换过程中，燃烧器（例如锅炉）、热机和发电机为转换设备，由它们组成的燃煤发电机组为转换系统。
能量的传递性是能量的又一重要属性，能量的利用通过能量传递得以实现。能量在“势差”的推动下完成传递，如热量传递推动力为温度差、流体流动的推动力为位差或压力差、电流推动力为电位差、物质扩散的推动力为浓度差等。从生产的角度来说，能量传递性保证了各种工艺过程、运输过程和动力过程的实现，为其提供推动力。能量通过各种形式的传递后，最终转移到产品中或散失于环境中。
（2）能源
能源是能量的来源或源泉，包含有化石能源（煤炭、石油、天然气等）、水能、核能、电能、太阳能、生物质能、风能、海洋能、地热能、氢能等基本形式。
能源是人类赖以生存的物质基础，与社会经济的发展和人类的生活息息相关，开发和利用能源资源始终贯穿于社会文明发展的全过程。在长期的生产实践中，人类逐步建立了一门研究能源发展变化规律的科学——能源科学。能源科学以社会学、经济学、人口学、物理学、化学、数学、生物学、地理学、地质学、工程学等科学的理论为指导，研究能源技术中共性的理论问题，以揭示能源技术的一般规律。
（3）能源的单位
能源的单位与能量的单位相同，常用单位有焦耳（J）、瓦时（W·h）、卡（cal）和英热单位（Btu）等。按照《中华人民共和国法定计量单位》的规定，J和W·h是法定单位，cal和Btu是非法定单位。各种能源单位之间可以通过表1-1相互换算。
表1-1 能源单位换算
能源的种类不同，计量单位也不同。为了求出不同的热值、不同计量单位的能源总量，以便进行统计和比较，必须建立一类统一的单位。由于各种能源在一定条件下都可以转化为热，所以选用热量作为核算的统一单位。在能源领域的实际工作中，习惯上使用煤当量（亦称标准煤、标煤、标准煤当量）和油当量（亦称标准油、标油、标准油当量）作为能源的单位。煤当量用符号ce（coal equivalent）表示，油当量用符号oe（oil equivalent）表示，它们与热量的换算迄今尚无国际公认的统一标准。我国规定，1kg标准煤当量（kgce）的发热量为29.27MJ（7000kcal），1kg标准油当量（kgoe）的发热量为41.82MJ（10000kcal）。同理有吨煤当量（tce），吨油当量（toe），百万吨煤当量（Mtce），百万吨油当量（Mtoe），可进行相应的换算。
在能源科学领域，常常会涉及数量非常巨大的能源，为了表示方便，通常在能源基本单位前加词冠，国际单位制中常用的词冠如表1-2所列。
表1-2 能源领域常用的词冠
（4）能源的量与质
热力学第一定律从数量上揭示了进出体系能量之间的关系，其表述为：
体系中累积的能量=进入体系的能量-离开体系的能量 （1-1）
世上的任何过程，小到一个设备上的能量变化，大到一个国家、地区的能源生产、供应和消费都遵循这一规律。热力学第一定律也被称为能量守恒定律。能源平衡通常指某一地区或系统在一定时期内能源投入与产出之间的平衡，是能源工作的重要组成部分。按范围进行划分的能源平衡有：国家能源平衡、地区能源平衡、部门能源平衡、企业能源平衡等；按对象有综合能源平衡和单项能源平衡；按能源种类有煤炭平衡、石油平衡、天然气平衡、水能平衡、热能平衡等各种一次能源平衡或二次能源平衡。对于小系统或单个设备，这类工作通常称为能量平衡，如果以热能为计算基准，则称为热平衡。能源平衡的结果可用表格、能流图等形式表示。通过能源平衡，可以计算出一系列能源利用指标和参数，为能源工作者摸清能耗状况、掌握用能水平、加强能源科学管理、做好节能减排工作和制定能源规划提供科学依据。
人类利用能源的本质是利用其能量做功。根据热力学第二定律，能量不但有数量的大小，而且有质量的高低。如机械能、电能可以完全转变为功，而热能只有部分做功能力。做功能力强的能源被称为高品位能源，反之称为低品位能源。如机械能、电能是高品位能源，接近环境状态的热能是低品位能源。种类相同而状态不同的热能品位是不同的，如高温高压水蒸气的品位比低温低压水蒸气高。能量虽然在数量上守恒，但在传递、转换和使用过程中，由于存在各种不可逆因素，总会伴随着能量的损失，即品位的降低，或者说做功能力的下降，最终达到与环境完全平衡的状态而失去做功能力，成为废能，这就是能量的贬值性。要定量地研究能源做功能力的大小，可以通过有效能、能质系数等指标实现。
1.1.2 能源的分类
能源的种类繁多，人们从研究、利用和开发能源的角度出发，根据能源的特点和相互关系，按一定的规则将它们进行分类。下面介绍几种常见的分类法。
（1）来源分类法
按能源的形成或来源可将能源划分为三大类。
第一类为来自地球外天体的能源，如太阳能及宇宙射线。这里所指的太阳能，也称为广义太阳能，泛指所有来自太阳的能源。除了太阳的直接辐射外，还包括经各种方式转换而形成的能源，如经生物质转化而形成的各种生物质能和化石能源，如煤炭、石油、天然气、油页岩等；经空气或水转化形成的风能、水能、海洋能等。这类能源是目前人类利用的主要能源。第二类为地球本身蕴藏的能源，如地热能和核能。地热能的形式有地热水、岩浆以及地震、火山等。第三类是地球和其他天体相互作用而产生的能源，如由于月球对地球的引力产生的潮汐能。
（2）一、二次能源分类法
一次能源是指自然界中现实存在，或由于自然条件变化而产生的，并没有经过人为加工转换的能源，又称天然能源。如原煤、原油、天然气、天然铀矿、木柴、水能、风能、太阳能、海洋能、地热能等均属这类能源。
在生产和生活中，由于工作需要、便于输送或使用等原因，把一次能源经过一定的加工或转换，使之转换成符合使用条件的能源，习惯上将其称为二次能源，又称人工能源。如汽油、柴油、重油等各类石油制品，电力，焦炭，煤气，水蒸气，燃料酒精，人工沼气等都属于二次能源。
（3）可再生能源与非再生能源分类法
可再生能源是指在一个相当长的时间范围内，自然界可连续再生并有规律地得到补充的一次能源。常见的可再生能源有：太阳能、生物质能、水能、风能、海洋能、地热能等。
非再生能源指那些不能连续再生、短期内无法恢复、可耗尽的一次能源。如煤炭、石油、天然气、核燃料铀等都是经过自然界亿万年演变形成的有限量能源，它们不可重复再生，最终可被用尽。
（4）常规能源与新能源分类法
按利用技术的成熟程度可将能源分为常规能源和新能源。常规能源是指已经大规模生产和广泛利用的、技术比较成熟的能源。如煤炭、石油、天然气、水力能等一次能源，以及煤气、焦炭、汽油、酒精、电力、蒸汽等二次能源。
而那些正在研究和开发，尚未大规模应用的能源则称为新能源。如太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能、氢能等都属于新能源。
新能源是在不同历史时期和科学技术水平条件下，相对于常规能源而言的。随着煤炭、石油、天然气等常规能源储量的不断减少，新能源将成为世界新技术革命的重要内容，成为未来世界持久能源系统的基础。
（5）燃料能源与非燃料能源分类法
燃料能源是用作燃料使用，主要通过燃烧形式释放热能的能源。根据其来源可分为矿物燃料（如石油、天然气、煤炭等），核燃料（如铀、钍等），生物燃料（如木材、秸秆、沼气等）和化学燃料（甲醇、酒精、丙烷、铝、镁等）。根据其形态可分为固体燃料（如煤炭、木材等），液体燃料（如汽油、酒精等），气体燃料（如天然气、沼气等）。燃料能源的利用途径主要是通过燃烧将其中所含的各种形式的能量转换成热能，是人类的主要能源。
非燃料能源无需通过燃烧而直接向人类提供能量。如太阳能、风能、水力能、海洋能、地热能等。非燃料能源所含有的能量形式主要有机械能、光能、热能等。
（6）化石能源与非化石能源分类法
化石能源（有时也称为化石燃料、矿物能源、矿物燃料等），指天然矿物源中含有能量的物质，它们所含的能量可通过化学或物理过程得到释放。化石能源可以是固态、液态或气态的物质，如煤炭、石油、天然气和各种核燃料等。非化石能源指除化石能源以外的其他能源。化石能源是目前支撑人类能源体系的主要能源，由于其具有不可再生性，将逐渐枯竭，最终由非化石能源中的可再生能源所替代。
（7）商品能源与非商品能源分类法
商品能源具有商品的属性，是作为商品经流通环节而消费的能源。主要包括市场上出售的煤炭及其制成品、石油产品、天然气、电力等。
不作为商品交换的能源称为非商品能源。常指来源于植物、动物的能源，如农业、林业的副产品秸秆、薪柴等，人畜粪便及由其产生的沼气，太阳能、风能或未并网的小型电站所发出的电力等。这类能源由使用者自己生产、加工和利用，在发展中国家农村地区的能源消费中占有很大的比重。
（8）含能体能源与过程能源分类法
有些物质本身含有能量，如煤炭、石油、天然气、氢气、生物质等，在把这些物质进行运输和储存的同时，也将能量进行了运输和储存。这类能源称为含能体能源或载体能源。
另一类能源是由于提供能量的物质运动所产生的，如水力能、风能、潮汐能、电能等。这类能源称为过程能源，其特点是不能直接储存。
（9）清洁能源与非清洁能源分类法
按能源在生产和使用过程中对环境的影响，可将能源分为清洁能源和非清洁能源。清洁能源不对环境造成损害或损害程度较小，如太阳能、水能、风能等。而像煤炭、石油等能源对环境损害程度较大，称为非清洁能源。
除了对能源的整体分类外，通常还将能源按其固有的特性进行划分，主要有以下几种。
替代能源，指具有高效、环境友好、经济和来源广泛特点的，用于替代以往和目前大量使用的低效率能源的能源品种。随着科学技术和社会生产力的发展以及能源资源储备和结构的变化，替代能源将不断出现，原有的替代能源被新的替代能源所替换，这是人类社会进步的必然结果。人类历史上已出现了多次大规模的能源消费结构的更替和变化，如18世纪起以煤炭替代薪柴，20世纪初以石油、天然气替代煤炭，随着化石能源资源储量的变化，煤炭、核能将逐渐成为新的替代能源，最终将以太阳能等可再生能源为基础建立持久的能源体系。
垃圾能源，利用生物技术和化学方法将垃圾中所蕴藏的能量转变成热能或电能等形式提供的能源。垃圾中含有有机物和可燃物，可通过焚烧将其转变为热能，也可利用发酵产生可燃气体，垃圾提供的热能可用以发电提供电能或供用户直接使用。利用垃圾能源，可以化害为利，变废为宝。
终端能源，即到达用户供其使用的能源。这些能源通常经过开采、精制、输送、储存和分配等过程最终成为终端使用的能源。
1.1.3 人类文明与能源
人类有意识地利用能源是从发现和利用火开始的。在远古时代，人们学会了利用火和保存火种，后来又进一步发明了摩擦生火。2004年，考古学家在以色列发现了人类在79万年前使用火来加工食物和制造工具的证据，这是迄今为止考古发现人类最早使用火的记录。而在周口店遗址中，发现了成层的灰烬和伴生的大量烧骨、烧石，说明北京人在50万～60万年前已经有控制地使用火。火的使用，使人类可以食用熟食，扩大了食物来源，增强了体质。火可照明、取暖、驱兽，使人类进一步征服了漫长的黑夜和严寒，减少被猛兽攻击，扩大了生活领域，使人类的种群不断壮大。作为一种生产力，火是从事生产、改进工具、提高生产效率的有效手段，制陶、冶炼金属、酿酒等工艺随着火的使用而出现。火的使用，是人类第一次认识和利用自然规律，自主支配自然力，为人类进入文明时代创造了条件，从而最终把人与动物区分开来，直接成为人类解放的手段。这是人类对抗自然界的一个伟大胜利，是社会发展史上的伟大革命，是人类从必然王国向自由王国迈进的一大步。
在此后的漫长岁月中，人类的能源消费一直是以薪柴为主，辅以畜力，以及逐渐使用的简单的水力和风力机械。直到18世纪60年代，英国的产业革命的兴起，特别是蒸汽机的发明和使用，使劳动生产力有了很大的提高，同时也促使了煤炭勘探、开采和运输业的大发展。人类的能源消费结构完成了从以薪柴为主到以煤炭为主的转变，这在后来被称为能源消费结构的第一次大转变。1860～1920年，世界煤炭产量由136Mtce增至1250Mtce，增加了8.2倍。1920年煤炭占世界能源构成的87%，跃居第一位。这一转变使人类的生活和文化水平得到了极大提高，甚至从根本上改变了人类社会的面貌。
石油、天然气资源的开发和利用，开始了人类能源利用的又一新时代。1876年，德国人奥托设计制造了第一台四冲程汽油内燃机，取得了内燃机技术的第一次突破。与蒸汽机相比，内燃机具有体积小、重量轻、效率高等许多突出的优点，更适合在移动式机械上使用。进入20世纪，随着第一次世界大战的爆发，对汽车、坦克、轮船及飞机的需求量大增，使这类技术得到了迅猛的发展。从20世纪20年代开始，石油、天然气的消费量逐渐上升。到20世纪50年代，随着石油勘探和开采技术的提高，中东、美国和北非相继发现了巨大的油气田，加上石油炼制技术的提高，各种成品油的价格低廉，供应充足。这些因素促使人类的能源消费结构发生了第二次大转变，即从以煤炭为主到以石油、天然气为主的转变。到1959年，石油和天然气在世界能源构成中的比重，由1920年的11%上升到50%，首次超过煤炭而占第一位，煤炭的比重则由87%下降到48%。1986年，世界一次能源总消费量为10810Mtce，其中石油占38%，天然气占20%，煤炭占30%，水电占7%，核电占5%。这次转变极大地促进了世界经济的繁荣，创造了历史上空前的物质文明，人类进入了高速发展的快车道。
到目前为止，全球各主要能源消费大国及世界平均的能源消费结构仍处于该状态中。图1-1为《BP世界能源统计2015》公布的世界能源消费结构。可以看出，石油、天然气两种能源占全世界能源消费总量的56.7%，美国为68.6%，俄罗斯为74.3%。当然，能源的消费结构是根据各国的资源条件等情况而定的，中国、印度等国家由于煤炭资源相对丰富，仍维持以煤炭为主。图1-2为近一个世纪以来世界能源消费结构的变化情况。由图中可以看出，进入21世纪以来，随着石油、天然气储量的减少和洁净煤利用技术的日趋成熟，石油、天然气的消费量有所下降，而煤炭的消费量出现回升，但能源的消费结构并没有发生大的变化。
图1-1 2015年世界能源消费结构
图1-2 世界能源消费结构变化图
两次能源消费结构的大转变，将人类从原始落后的以天然可再生能源为基础的简单机械动力装置时代带入了以煤炭、石油和天然气等不可再生能源为基础的热能装置时代，传统的工业文明比起原始的农耕文明发展速度快，但对大自然的索取量大大增加，可持续性差。在经济高速发展、人类文明程度迅速提高的同时，许多负面效应也相继显现。能源消费量的持续增长给环境带来的压力日益严重，温室效应、环境污染、化石能源枯竭、生态环境破坏等，已成为威胁人类生存和发展的严重问题。如何使能源利用和环境保护相协调，维持人类社会的可持续发展，是摆在人类面前的共同任务。从20世纪70年代开始，人类的能源消费结构开始进入一个新的转变期，即从以石油、天然气为主向以可再生能源为基础的持久、稳定的能源系统转变。这个转变将经历一个漫长的过程，大约需要上百年的时间。在这期间，随着石油、天然气蕴藏量的减少，煤炭、核能可能会重新成为主力能源，但最终将被可再生能源所取代。