第一章 人类利用能源简史
能源，顾名思义，即能量之源。它是能够产生各种能量（如热能、电能、光能、机械能、化学能、电磁能）的自然资源或是使用后能够做功的各类物质的统称。简而言之，能源就是可以为人类的生产生活提供能量的东西。能源种类多样，目前主要有化石能源、水能、核能、电能、太阳能、生物质能、风能、海洋能、地热能、氢能、受控核聚变能等。根据不同标准，能源可划分不同类型。
按照来源，能源可分为三大类。一是来自地球外部天体的能量，主要是太阳能。其中，一部分通过太阳能的驱动而成，如风能、水能；一部分则通过植物的光合作用把太阳能转化为化学能存储在植物体内后再经过一系列复杂变化而成，如煤炭、石油、天然气、油页岩等。二是源于地球内部的能量，如地热能、核能等。三是由月球、太阳等天体与地球相互作用产生的能量，如潮汐能、波浪能。
按照形成方式，能源可分为一次能源和二次能源。一次能源也叫“初级能源”或“天然能源”，是以天然形式存在，未经加工或转换的能源，又分作可再生能源（如风能）和不可再生能源（如石油）。二次能源也叫“次级能源”或“人工能源”，是由一次能源加工转换成的其他形式和种类的能源，包括煤炭、煤气、电、蒸汽、氢、乙醇及油制品（如汽油、煤油、柴油、重油等）。与一次能源相比，二次能源具有品质高、输送和使用方便、清洁卫生等优点。
此外，按能源的使用情况，还可分成常规能源与新能源、燃料能源与非燃料能源等。
虽然能源一直存在于地球，但真正进入人类生活的时间并不长。根据获取能源的材料，人类利用能源经历了四个阶段。
柴草时代
能源是人类活动的物质基础，火则是人类*早的能源利用形式。在古希腊神话中，相传有一位叫普罗米修斯的神从太阳神阿波罗那里盗取了火种，将光明和温暖撒向人间，从此人类才告别了黑暗和寒冷。但神话毕竟是神话，在现实世界里，*初的火乃是大自然的产物，电闪雷击引发的树木着火或天干物燥导致的柴草自燃是火的主要诱因。在一次次耳闻目睹和亲身实践中，人类祖先终于发现了火的秘密，知晓了火的用途和好处。在亚洲，人类用火的历史可以追溯到170万年前我国云南元谋人生活的时代。在欧洲，*古老的用火遗址位于法国马赛附近的一个山洞，距今也有100万年。在考古过程中所发现的炭屑、烧石和灰烬等都表明，早期的人类已经能够用火。
不过美中不足的是，无论天火还是山火并不是时刻都有，所以如何保存火种就成了一大难题。为使火种保持不灭，古人小心翼翼地照看篝火，不断地往火堆里添柴加草。这种方式在我国古代被称为“传薪”。《庄子.养生主》中讲道：“指穷于为薪，火传也，不知其尽也。”或者干脆随身携带，人到哪儿火种就跟到哪儿。不过这些方式存在很大的不确定性，一不留神还可能引火烧身，既不安全也不方便。如果能随时随地生火该多好啊！
中国古代流传着燧人氏钻木取火的故事。故事是否真实我们不得而知，但从中至少可以得出一个结论——古人已经掌握了生火的方法。古人用两根木头相互摩擦，或者用黄铁矿、赤铁矿等打击燧石，从而学会了“人工造火”。这可比单纯地让火种保持不灭要靠谱得多。但这种方法还是不太方便，因为无论摩擦还是敲打都比较费时费力。于是，“阴燃法”应运而生。所谓“阴燃法”，就是在不需要用火时，以灰烬盖上火种，使火阴燃不熄；使用时再扒开灰烬，添加草木将火引燃。用阴燃法保存火种，在新石器时代的人类遗址中已得到证实。
可以说，柴草是人类*早的主体能源，而生火则是人类继狩猎之后掌握的另一项重要技能。人类首先把它用于取暖、照明、烧烤食物、驱赶野兽，之后又用来煅烧矿石、冶炼金属、制造工具，从而极大地改善了生存环境和生活条件。由此，人类走向了与其他哺乳类动物完全不同的进化之路。正如恩格斯在评价火的作用时所言：“摩擦生火第一次使人支配了一种自然力，从而*终把人同动物分开。”
煤炭时代
煤炭是世界上分布*广的能源之一，也是当今人们在生活和生产中常用的燃料。按其性状特征，可分为三类：无烟煤、烟煤、褐煤。无烟煤燃烧时冒烟极少，既可以直接用作燃料又可以制成煤气使用；烟煤大部分用于炼焦或气化工业；褐煤则多用于工业或动力锅炉。同时，作为工业社会*早被大规模开釆的能源，煤炭不仅长期为各种机械提供动力，而且是火力发电的主要燃料，因而享有“工业的粮食”之美誉。此外，煤炭还是氮肥、农药、塑料、合成橡胶、合成纤维、染料、糖精、香料等众多化工产业的基本原料，被称为“化工原料之母”。而且，它还是冶炼金属时重要的还原剂。
人类使用煤炭的历史可追溯到穴居人时代，但大规模、大范围使用的时间并不长。较早的用煤记录发生在2000多年前我国的春秋战国时代，当时煤炭被称为“石涅”；大约在公元100年到公元200年间，罗马人也已使用煤炭；北美的霍皮印第安人则在14世纪用煤炭来取暖、做饭，并烧制泥土、制作陶器。
英国是*早发生工业革命（起于18世纪60年代）的国家，也是*早大量使用煤炭的国家。工业革命前夕，英国对铁的需求量日益增加，但由于作为炼铁燃料的木材短缺且热值低，因此铁的产量有限，难以满足生产所需。与此同时，英国的煤炭资源储量丰富且价格低廉，随着技术进步和方法改善，煤炭在炼铁中逐渐发挥巨大作用，从而极大地推动了经济社会的发展。这一时期，人类的能源使用结构出现了重大变化，煤炭以其高热值、分布广的优点逐渐成为全球第一大能源。煤炭工业的迅猛发展，带动了钢铁工业、铁路运输、军事工业等领域的快速崛起，大大促进了世界工业化的进程。1831年，英国物理学家、化学家迈克尔 法拉第发现了磁与电之间的相互联系和转化关系——只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生感应电流，即电磁感应。此后，逐渐出现了由蒸汽轮机作动力的发电机，煤炭也被转换成更加便于输送和利用的电能。由此，世界从“蒸汽时代”迈入“电气时代”。在此过程中，随着西方工业的不断扩张，我国的现代采煤业也慢慢发展起来。
石油时代
石油是一种贮存于地下多孔岩石裂隙、缝洞中的气态、液态或半固态的有机可燃矿产，属于化石燃料，主要由烃类和部分含氧、氮、硫等元素的大分子复杂有机化合物组成。
早在3000年前，当时的埃及、巴比伦和印度等国已采集天然沥青，用于建筑、防腐、黏合、装饰、制药等。作为文明古国，我国也是世界上*早发现和利用石油的国家之一，东汉史学家班固在其所著的《汉书》中就有“高奴有洧水可燃”的记载。高奴在今陕西延长附近，洧水是今延河的支流。北宋科学家沈括在书中读到此句时甚为惊奇，“水”怎么会燃烧呢？在后来的实地考察中，他发现了一种被当地人称为“石漆”或“石脂”的褐色液体，主要用来做饭、点灯和取暖，于是就给它取了一个新名字——石油，指出“石油至多，生于地中无穷”，并预言“此物后必大行于世”。话虽如此，但相较于煤炭，开采石油的成本要大得多，使用石油的技术也难得多。石油真正大规模使用是近代的事。
1859年美国人艾德温 德雷克借鉴盐井钻井技术，以蒸汽机为动力，在美国的宾夕法尼亚州开采出了石油，这是世界上第一个运用机械化钻井、机械化采油的油井，被公认为现代石油产业的开端。其后，伴随着一系列新技术的出现和应用，汽车工业、电力工业、化学工业、通信技术迅速发展，石油也获得了广阔的应用空间。19世纪末以后，石油相继被用于汽车、飞机、火车、轮船等。另外，柴油也被用于火力发电。总之，石油工业在这一时期崛起，并以其热值更高、输送更易、污染更低的特点，在20世纪60年代取代煤炭第一能源的地位，成为第三代能源主体。
但遗憾的是，当人类对石油的依存度变得越来越高时，地球上石油的绝对储存量却在快速下降。更重要的是，包括石油在内的化石燃料的大量使用，还引发了气候变暖、两极冰川融化、极端天气频发等一系列全球性危机。20世纪70年代两次石油危机的爆发，更被视为地球向人类发出的能源警报。近几十年来，在石油危机和环境污染的双重压力下，世界各主要国家均加快了对新能源的开发和利用，可持续发展、绿色发展成为全世界共同关注的议题。
新能源时代
新能源也被称作“非常规能源”，一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包括太阳能、生物质能、风能、地热能、波浪能、海流能和潮汐能，以及海洋表面与深层之间的热循环等；此外，氢能、沼气、乙醇、甲醇等也被列入其中。而那些已经广泛利用的能源，如煤炭、石油、天然气、水能①等，则被称为常规能源。1981年在肯尼亚首都内罗毕召开的联合国新能源和可再生能源会议对新能源的定义为：以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用，用取之不尽、周而复始的可再生能源取代资源有限、对环境有污染的化石能源，重点开发太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能、氢能和核能（原子能）。
20世纪30年代以来，常规能源的有限性以及环境问题的愈发突出，不断促使各国提高对新能源的重视，并加快新能源技术的研发和实际应用。1952年瑞典建成世界上第一条380千伏的超高压②输电线路，1954年又建成世界上第一条商业化的高压直流输电线路；1965年加拿大建成世界上第一条735千伏的超高压线路 长距离输电技术不断突破，使得水力发电逐渐形成规模（这是因为水力资源丰富的地方往往比较偏僻，因此需要长距离输电；而为了将输电损耗降低到可以接受的水平，长距离输电系统必须采用高电压）。在1951年8月，美国原子能委员会在爱达荷州进行了世界上第一次核能发电实验并获得成功；1954年，苏联建成了世界上第一座实验核电站，发电功率为5000千瓦；1979年，美国在北卡罗来纳州的蓝岭山建成了世界上*大的发电风车；1992年，日本实现了光伏发电系统同电力公司联网
当前，越来越多的新能源正在被开发和利用。这标志着能源领域又
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