这些支撑人类生活的能源你都知道吗？

　　万物想要生存，都离不开 能量。植物吸收太阳能，将其转化为化学能储存起来，维持生命。而动物则通过食用的动植物，获取化学能，维持生命运转。但对于人类而言，在生存的基础上，更多了“生活”的需求。休闲娱乐，交通运输，工业生产……所有的这些，都离不开“能源”。

　　食物加热后，杀菌消毒，风味鲜美，更容易吸收，大大增加了人类的身体素质，促进了人类大脑的发育。而新材料、新器具的发明，驱赶野兽的作用，夜晚时间的利用，则大大提高了人类生存几率和有效时间，加快了文明发展的进程。

　　人类学会了用火，而木材，则是人类最先使用的能源。由于木材含有水等杂质，难以充分燃烧，火焰温度低、烟气大。由木材隔绝空气加热制成的木炭，则可以解决这一问题。

　　图5、6 在隔绝空气的条件下对木材进行高温处理，可以制作木炭。木炭的燃烧比木材更稳定，烟少、温度也更高。

　　木材作为主要的能源，一直持续到工业前后。随着城市的不断扩张，和工业生产的不断发展，木材的弊病开始逐渐显现：森林生长缓慢，无法供给人类的日常需求。人类迫切需要一种全新的能源，来解决这一问题。

　　煤，是人类较早发现并使用的能源之一。1973年，在我国辽宁省沈阳市北陵附近的新石器时代的新乐遗址下，就发现了不少用煤制作的器物，说明在六七千年前，我国就已经发现并使用煤炭。这也是世界上用煤最早的确凿证据。煤作为燃料用于冶金等用途，在我国最早可以追溯至西汉。但是，煤作为一种主要能源，真正登上历史舞台，则从第一次工业开始。

　　煤开始大规模使用，始于18世纪初的英国。人们乐于使用它，并不是因为它好用，而是因为英国的森林越烧越少，几乎消耗殆尽，造成木炭价格的大幅提高。因此大家只好退而求其次，选择烧煤。一时间，煤烟滚滚，英国首都伦敦，也成了著名的“雾都”。

　　图9、10 由于煤炭中含有各种杂质，以及难以充分燃烧，使其散发出浓重的黑烟，对空气造成了恶劣的影响。英国伦敦曾在第一次工业期间变成了雾都，根源就在此。

　　英国的煤含硫量高，烧起来浓烟滚滚，十分呛人。用于炼铁，硫进入钢铁，也会使其变脆。至于行业如食品、酿酒业的生产，则更不可能使用煤。直到有人模仿木炭的生产，把煤在无氧下加热生成焦炭，并发明了焦炭鼓风高炉，才解决了这一问题。

　　随着煤的不断开采，浅层煤挖空，煤矿也不断向地下发展。越挖越深，一直挖到了地下水面。起初，人们只能雇佣工人来搬水，效率很低。1712年，托马斯·纽科门（Thomas Newcomen）发明了蒸汽水泵用于抽水，解决了这一问题。1776年，詹姆斯·瓦特（James Watt）设计了一个冷凝装置，大大提高了蒸汽机的效率。后来又有人设计了高压蒸汽机，使得蒸汽机效率进一步提高。而为了运输开采出来的煤，一个叫亨廷顿·比尔蒙特（Huntington Beaumont）的人于1604年发明了用铁轨铺成的马车轨道，方便马车运煤。后来，理查德·特里维西克（Richard Trevithick）把一台瓦特蒸汽机安装在了车头上，火车就顺利成章的诞生了。

　　自两百多年前的工业起，直到今天，煤仍是支撑我们生活的重要能源之一。截至2021年底，我国的电力主要以煤电为主，火力发电量为57702.7亿千瓦时，占总发电量的71.13%。

　　石油的兴起，最早和照明的需求有关。木材和煤炭烧起来也会发光，但同时会产生多余的热量和烟气。古人更喜欢用的是油灯，油灯多用动物脂肪制成，其中尤以鲸油最受人们欢迎。18-19世纪期间，捕鲸业高度发达，平均每年都有超过5万头鲸被捕杀，导致鲸的数量大幅下降，几近灭绝。一位名叫亚伯拉罕·盖斯纳的加拿大发明家发明了从沥青中提取煤油的技术，才使得鲸免遭灭绝。同时，也带动了石油产业的快速崛起。

　　早期的石油开采，主要以煤油生产为主，的成分大都当作废物处理掉了。后来，一个名叫约翰·洛克菲勒（John Rockefeller）的商人学会了如何把各种长度的碳链从石油中分离出来，并制成各类化工制品，石油化工行业诞生了。再后来，人类又发明了利用石油合成塑料和人造纤维的方法，新材料的发明更给人类生活带来了天翻地覆的变化。十九世纪末期，德国人发明了轻型内燃机，使用汽油作为燃料；1903年，亨利·福特成立了福特汽车公司，开发了全世界第一款面向普通民众的廉价汽车Model T，燃油汽车遂成为主流，一直持续至今。

　　图18 炼油厂，油田开采的原油，在这里经过一系列加工，生产为汽油、柴油、煤油、润滑油、沥青、乙烯等各种产品。

　　图19 亨利·福特生产了世界上第一辆面向普通民众的Model T汽车，从此开启了家用燃油汽车的时代。

　　汽油、柴油的能量密度高，平均每千克汽油含有44MJ（百万焦耳）的能量，是最优质燃煤的1.5倍。而截至目前，电池的最高能量密度也才刚刚突破200Wh/kg（1Wh=3600焦耳，即电池的能量密度约合72万焦耳/千克）。因此，直到今天，石油仍占据着交通行业以及工业生产的大半，远洋航运、航空航天、军工国防、工业生产，都离不开石油。因此，石油也被誉为“工业血液”、“黑色黄金”。过去数十年，大国之间的利益竞争，也多围绕着这一能源展开。

　　近年来，随着石油需求量的不断增加，以及浅层油气资源不断开采殆尽，人们开始向深海、深地进发，进行海上石油钻井平台的建设、开采页岩油气、可燃冰等非常规油气能源。同时，作为石油“副产物”的天然气，具有质量轻、易传输的特点。而且，天然气排碳量小，作为实现双碳目标的过渡能源，也有着广泛的应用。

　　图20、21 位于海南南海的天然气钻井平台。落日熔熔，广阔海面上的平台，向自然彰显着人类的智慧。

　　图22 2017年，我国南海首次海域可燃冰试采成功，表明我国可燃冰开采达到世界领先水平。可燃冰，是天然气与水在高压低温下形成的一种物质。（图片来源：CNN）

　　比起木材、煤炭、石油等看得见摸得着的能源，电，更像是一个隐秘的精灵。严格来讲，电并不是一种能源，而是能量的一种存在形式。人类无法从自然界中直接获取电能，而需要通过一些技术手段，把其他形式的能量转化为电能。

　　电池，是生产电能的第一个尝试，它把储存于特定材料中的化学能转化为电能，但效率较低，难以大规模应用。1831年，英国科学家迈克尔·法拉第发现了电磁感应现象，证明了电能和动能可以在磁场中相互转换。发电机和电动机，就基于这一原理工作。

　　1880年，托马斯·生发明了白炽灯，发光效率更高，使用也更安全。1882年，他分别在伦敦和纽约建成了世界上第一、第二座火力发电站，铺设了电网，使得电灯走进了千家万户。此后，生相继发明了电唱机、录音机等一系列电器产品，带领人类进入了一个全新的时代。

　　图24 托马斯·生（Thomas Edison）发明了电灯，用电力给人类照亮了一条前进的路。

　　电力发展至今已过去一百多年，可以很确定的说，现在几乎没有人能够离开电。电网已经渗透到了每一座城市的每一个角落，成为伴随人类生活的“忠实伴侣”。大多数的能源，都要转化成电能的形式来被人类利用。为了降低二氧化碳排放，取代燃油汽车，近些年，新能源汽车产业蓬勃发展，将电力使用推向了一个新的。

　　图26 滇藏线云南境内的西电东送线路，西部地区生产的电力，穿山越岭，输送到东部沿海城市，点亮万家灯火。

　　图27 一辆新能源汽车正在充电。近年来，随着气候变暖的加剧、双碳目标的提出，新能源汽车成为未来发展的一个方向。

　　随着世界人口的不断增多，科技水平的不断发展，能源需求也随之剧增。随着人们的不断开采和利用，化石能源也面临着枯竭的挑战。目前人类能源消耗总量当中尚有80%以上来自煤、石油、天然气等化石能源。而根据现在的使用状况，石油已探明储量只够人类再用53年，天然气是48.8年，煤炭也只有139年。同时，化石能源使用造成的环境污染、气候变暖等问题也逐渐显现，威胁着人类的生存。因此，寻找并发展可持续能源，成为人类必须要完成的任务。

　　太阳能是环保人士最为看好的新能源。太阳是地球生命的能量源头，无论是我们日常吃的食物，还是使用的化石能源，本质上都是固定在化学物质中的太阳能。在世界上的任何地方，太阳总会东升西落。爱因斯坦发现的光电效应，为太阳能发电提供了理论基础。上世纪50年代，第一块太阳能板在美国贝尔实验室研制成功，但发展至今，其光电转化效率依然是一个有待攻克的难题，平均只有20%左右。

　　图28 爱因斯坦提出了光具有量子性，解释了光电效应，为光伏发电埋下了伏笔。1921年，他因这项成果获得诺贝尔物理学奖，这也是他获得的唯一的诺奖。

　　尽管光伏发电效率低，但对于国土广阔的国家，尤其是中国来说，仍具有相当大的发展潜力。我国的西北沙漠戈壁面积广阔，光照强烈，是发展光伏产业的绝佳地区。

　　图29、30 2018年12月28日，中国首个百兆瓦级熔盐塔式光热电站在甘肃敦煌并网投运。的光伏电板，蔚为大观。

　　此外，由于需要定时清洗发电板，同时，发电板遮挡了阳光，有助于土壤保持水分，一种新型的产业协作形式——光伏农业应运而生。

　　光伏电板固然优势很多，但占地面积大，可能会对生态造成影响。与之相比，风力发电占地更少，对动物栖息、迁徙的影响也更小，因此也备受青睐。尤其在我国的东部沿海地区，风力资源丰富，能源需求也大，建设海上风电场，是一个不错的选择。

　　水往低处流，是一个亘古不变的规律。而水吸热蒸发，则可以再回到高处，从而维持大江大河，奔腾不息。人类建设水电站的历史可以追溯到1878年的英国，那时电力的应用还处在萌芽的状态。而如今，我国已相继建成了一系列大型水利工程，其中尤以三峡为最。

　　同时，我国的地热能开发，也值得关注。我国温泉众多，尤其在我国南部以及青藏高原地区分布最为广泛。通过开发来自地下的滚滚热流，不仅可以代替煤炭用于供暖、等，还可以用于发电。即使没有地下热泉，仅仅利用地下的热量，即“干热岩”，也可以实现相同的效果。目前，这方面的研究工作，正在持续进行中。

　　图36 地下深度越深，温度越高，平均每下降1000米，温度提高25℃。向地下注入冷水，抽回热水，经过换热站提取热量，可用于供暖、、发电等用途。

　　无论是太阳能、风能、还是水力、地热，都或多或少的受到时间和地域的限制。电力有一个特点，就是必须即发即用。因此，这些新能源的发电方式，常常面临用电时没电可用，用电少时发出的电，又被很可惜的浪费掉了。而想要解决这一问题，就必须依赖于储能技术的进步。

　　氢能，是目前最有前景的储能方式之一。其制备简单，只需要电解水，就可以制出纯净的氢气，有效的解决了各类新能源发电的时空分布不协调的问题。氢气燃烧后没有任何副产物，只产生水，是名符其实的清洁能源。而且，相比于电池，氢气在低温环境下的表现更好，质量更轻，能量密度也更大。

　　但在目前，氢气储能面临着众多挑战。一方面，氢气易燃易爆，对于储存有着很高的要求。国内常见的35兆帕储氢罐重达100多公斤，却只能存储5公斤的氢气。另一方面，氢燃料电池生产工艺十分复杂，技术难度大，成本高，造成了氢能发展的滞后。

　　然而，尽管氢能的起步晚，技术难度大，但仍是未来极有前景一个方向。我国是全球第一大产氢国，产量约占全球的一半。很多储氢相关的技术，也处于世界一流水平。随着双碳目标的提出，二氧化碳减排成为必然，而氢能正是最理想的能源。在未来，氢气不仅可以用于燃料电池、氢能汽车等，更在航空航天、远洋航运等多个产业有广阔的前景。

　　图38 2020年1月16日，东京燃气公司与日本氢站网络有限责任公司共同建设的“Toyuso”加氢站正式投入运营。

　　图39 2018年，全球第一艘以氢气推动的游艇“能源监察者号”（Energy Observer）正式启用。

　　如果有一种能源，可以作为人类能源的终极形式的话，那一定是核能。核能是自然界能量密度最大的能源形式，1克铀-235裂变后释放出的能量相当于2.7吨标准煤。然而，能量越大，危险也越大。提起核能，大多数人的联想，恐怕都会是核武器以及历史上的几次核电站事故。

　　图40 1986年4月26日，苏联切尔诺贝利核电站发生爆炸事故，事故造成数千人患上辐射病，十几万人离开家园。

　　人类的很多进步，往往都是建立在惨痛的经验教训上的。核裂变核电站发展至今已逾七十年，安全性已经比一开始提升了成百上千倍，且往往在建设中趋于保守，使其具有较高的安全性。随着环境污染、空气变暖等问题越来越严重，诸多曾经反对核电的环保主义者也开始转度。

　　比起核裂变，核聚变则是核能利用的终极目标。核裂变使用的铀-235，储量有限，而核聚变的材料则几乎遍地都是。然而，核聚变要远比核裂变发电难以控制的多。从第一颗的爆炸到第一座核裂变电站的诞生，只用了五年的时间。而第一颗氢弹在1951年爆炸，一直到今天，人们依然没有掌握控制核聚变反应的方法。

　　核聚变反应需要极高的温度和压力，科学家们经过几十年的探索，设计出了一种名为“托卡马克”（Tokamak）的装置，通过一圈圈的环形线圈，利用磁性来约束发生聚变反应的等离子体，以营造核聚变反应所需要的条件。想要实现核聚变发电，必须要使得输出的能量大于输入的能量，而这两者的比值被称为“聚变能增益系数”，用Q表示。只有Q＞1，才能实现发电，Q＞5，才具有商业价值。在过去七八十年的探索中，Q值已经从不到0.0001增加到了1左右，成就显著。

　　理论上讲，托卡马克（Tokamak）装置做的越大，Q值就越大。实现这一目标，需要全世界科学家的通力合作。2007年，中印日韩美俄以及欧盟七个成员发表了一份联合宣言，决定在法国南部的卡达拉舍（Cadarache）建造一个世界最大的国际热核聚变实验堆（ITER），用于研究核聚变发电的可能性。这一项目是继国际空间站之后科学界规模最大的一次国际合作，项目预算由一开始的100亿美元一路飙升到目前的250亿美元。项目计划2025年放电，2035年实现核聚变。由此可以看出，实现能源的可持续发展，是全世界所面对的共同任务和挑战。

　　此外，我国也建设了相关的实验设备，取得了光辉成就：2021年12月30日，中国科学院在合肥建造的“东方超环”EAST核聚变反应堆，创造了7000万℃1056秒的高温等离子体放电时长的世界记录。

　　图44 位于中国合肥的“东方超环”（EAST）核聚变反应堆，也是用于探究核聚变反应的大科学装 置。

　　人类的文明发展，几乎总是伴随着能源的。而人类生活水平的提高，也与能源消耗成正比。人类从未停止过对能源效率和能量密度的追求，也从未停止过对美好生活的向往。利用能源，我们可以在有限的土地上种植更多的粮食、蔬菜，实现更高效的交通，拥有更便捷的生活方式，更丰富的娱乐。如今的时代，一个普普通通的人一天的能源消耗，可能已是原始人几世都难以企及的。

　　而随着科技的不断发展，“5G”、“人工智能”、“物联网”、“区块链”等新概念的提出与实现，对能源也提出了更高的要求。以比特币为例，其2021年的总耗电量达2000亿千瓦时，如果把这一行业比作一个国家，其耗电量可以位居全球第25位。每交易一次，就会消耗大约2300千瓦时的电力，足够一个三口之家一年的使用。这也是我国之所以禁采比特币的原因之一。

　　图45 人工智能的代表“Alpha Go”，其功率高达100万瓦，而与其对战的人脑仅为20瓦左右。未来生活的能源消耗，可见一斑。

　　过去，人类在实现能源自由的道路上迈出了坚实的一步又一步。但是，在我们歌颂人类的智慧和伟大成就的同时，也一定不要骄傲自满，不要忘记了我们所拥有的一切的来源——我们的地球母亲。我们只有充分的 珍惜她，呵护她，才能长久的享有生活的幸福与快乐。

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