一、能量守恒定律

能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会无故消失，它只会从一种形式转化为其它形式，或是从一个物体转移到其它物体，在转化或转移的过程中，能量的总量始终保持不变。

与之相关的还有 质量守恒定律（物质不灭定律）：任何变化，包括化学反应与核反应，都不能凭空新增或消除物质，只会改变物质的原有形态或结构。

能量守恒定律为人类开发和使用能源提供了理论基础，因为按照这个定律，能量的形式和位置都可以通过合适的方法，改变为人类所需要的状态。能源是能够提供能量的资源。

二、地球上的能量及其来源

地球上能量的最主要来源是太阳能。太阳的核聚变，导致其发光发热，并辐射到地球。地球上的植物通过光合作用，将太阳能转化为化学能。大致过程为：植物接受了太阳光的照射，吸收空气中的二氧化碳（CO₂）和水（H₂O），将太阳能固定在碳原子（C）、氢原子（H）和一部分氧原子（O）的化合物中，将另一部分氧原子合成为氧气（O₂）释放出来。人类食物的主要构成为“糖类”（这是一种化学物质的统称，不是日常生活食用的糖），“糖类”主要就是由碳、氢、氧三种原子组成的，所以又称“碳水化合物”，但其实并不是碳（O）和水（H₂O）的简单复合，只是从所包含原子的角度做的简化归纳。碳水化合物为人类的生存提供了能量，实际上，其它动物、植物、微生物的构成，以及各类能源的载体，大都也是由碳、氢、氧这三种原子为主的。

太阳能还导致了地球上不同区域、不同时间的温度变化，进而带来大气环流。大气环流的原理是：由于太阳照射不均，或是太阳照射后热量存储、散射的差异，导致了不同纬度之间（热带、温带、寒带）、不同高度之间（海拔低的地方和海拔高的地方，或是低空与高空）、海洋和陆地之间（海洋温度较为稳定，陆地上温度变化更剧烈一些），或是其它不同状况的区域之间温度不同，热空气向上，冷空气向下，热空气膨胀，密度变小，气压变低，气压相对高的冷空气会去填补热空气原先占据的空间，再加上地球自转对空气的带动等作用，形成了大气环流。这是风能的来源。

太阳能还会带来水循环，主要是太阳照射让水蒸发为水蒸气，在空中运动，又在一定条件下变为雨、雪、冰雹等，降落到其它区域的地面。水从固态（冰、积雪）变为液态、气态（水蒸气、云），又变为液态或固态，并在不同区域间循环，从而创造了江河湖海。江河流经高差较大的地形区，便形成了水能。

除了太阳能，目前被利用的能源还有来自地球内部的地热能与核能。地热能的热量，由地球内部岩浆的溢出，或是放射性物质的衰变而产生。核能也是利用了放射性物质衰变所释放的热量，只是衰变过程是在地面以上，并且在人工控制的容器中。

此外还有潮汐能，潮汐来源于月亮对地球引力所导致的潮汐，海水上涨与回落，可以起到类似水力发电的效果，这种能量的来源属于宇宙空间持续运行过程中，普遍存在的万有引力。

三、能源的分类

就目前的能源利用来看，有下面这几种分类方法：

可再生能源，不可再生能源：不可再生能源的形成需要很长时间，比如数百万年甚至更长，主要包括煤炭、石油、天然气（含：页岩气）、核能等等。可再生能源则是可以不断地再生，从而持续开发和利用，主要包括太阳能、水能、风能等等。

一次能源，二次能源：一次能源是直接从自然界获得，未经加工的能源，主要包括煤炭、天然气、太阳能、地热能（指温泉等，不含地热发电）、水能（比如水车-磨坊，不含水力发电）、风能（比如风车-磨坊/抽水/排水，不含风力发电）等等。二次能源指的是一次能源经过加工、转换后得到的能源，最典型的是电能，也包括石油经过加工后的汽油、柴油、液化石油气等产品，煤炭或天然气燃烧后的热能、蒸汽（热能和机械能），氢能等等。电力带动电风扇产生的风能，电力带动电动机产生的机械能等等，也可以算作广义的二次能源，因为其本质是不直接取自自然界。

热能、光能、化学能、机械能、电能……：这些都是能源的具体形态或性质。化学能是指化学反应中产生的能量，比如煤炭的燃烧。

四、能源的分布

能源在全球和单个国家，均常常呈分布不均，以及产地和需求地不一致的情况。

煤炭是远古时期的植物残骸，长期在隔绝空气，高温高压环境下的产物，其来源主要包括古生代的石炭纪和二叠纪，孢子植物，生代的侏罗纪和白垩纪，裸子植物，新生代的第三纪，被子植物。煤炭集中分布在美国（25%）、前苏联（23%）、中国（12%）、澳大利亚、印度、德国、南非（这四个国家共占29%）。

石油是远古时期海洋、湖泊中的生物残骸，长期在缺氧（避免氧化）和高温高压环境下的产物，经过了沉积、热解、转化。中东（波斯湾沿岸的沙特阿拉伯、伊朗、伊拉克、科威特、阿拉伯联合酋长国（从高到低排列），占全球储量的三分之二）、北美洲（美国、加拿大、墨西哥的加利福利亚沿岸、墨西哥湾沿岸，页岩气商业化开发成功后，美国成为实际的全球第一大产油国）欧洲和中亚（俄罗斯、哈萨克斯坦、挪威、英国、丹麦，后三个国家海上石油开采较多）、非洲（几内亚湾的尼日利亚、安哥拉，北非的利比亚、阿尔及利亚、苏丹、埃及）、中南美洲（委内瑞拉、巴西、厄瓜多尔）、亚太地区（中国、印度、印度尼西亚、马来西亚）。欧佩克（OPEC）全称是“石油输出国组织（Organization of the Petroleum Exporting Countries）”，成员国有：阿尔及利亚、刚果共和国、赤道几内亚、加蓬、伊朗、伊拉克、科威特、利比亚、尼日利亚、沙特阿拉伯、阿拉伯联合酋长国、委内瑞拉。这个组织控制了全球78%以上的石油储量，40%以上的产油量，50%以上的出口量。石油是蕴藏在地层中的原始形态，开采出来后，经过炼油厂，可以衍生出石油化工的一系列产品，其密度从高到低依次有：沥青、石蜡、润滑油、柴油、煤油、航空煤油、汽油、溶剂油。石油（石化）工业的崛起，与第二次工业革命中内燃机的诞生、发展密不可分，其实汽油、柴油等化石燃料的能量密度，比现在的汽车蓄电池要高得多，所以在相同体积和重量的情况下，油车比电车有着长的多的续航力，此外内燃机的技术已十分成熟和稳定，在寒冷地区或天气下有着更强的适应性，这些都是油车短期内不会被电车淘汰的重要优势。

天然气是一个很宽泛的概念，包括油田气、气田气、煤层气、泥火山气、生物生成气等等，其主要成分是甲烷wán，无色无味无毒，可燃，但不含一氧化碳，不容易聚集和爆炸，安全性高，不含硫化物，燃烧后不会导致酸雨。天然气常常为石油、煤炭的伴生气，并可以液化后（体积缩小到原来的1/200）方便运输，液化天然气简称CNG，有专门的CNG运输船，目前最大能达到接近30万吨。天然气也是替代汽油、柴油的汽车用新能源，可以通过加装天然气罐来替代油箱，实现“气改油”。天然气分布较多的国家，从高到低有：俄罗斯（48.14万亿立方米）、伊朗（27.5）、卡塔尔（25.78）、沙特阿拉伯（6.75）、阿拉伯联合酋长国（6.06）、美国（5.6）、阿尔及利亚（4.52）、挪威（4.46）、委内瑞拉（4.19）、尼日利亚（3.4）。

页岩气是一种特殊的天然气，分布在页岩层，开发难度较高，近几年才出现突破。页岩是书页状的岩层，决定了页岩气的没有石油、天然气的分布那样集中，有时候甚至像海绵吸水一样渗透在岩层中，需要从页岩缝隙中将其挤出来。全球页岩气主要分布在北美（占23.8）、中亚和中国（占21.9）、中东和北非（占15.8）、太平洋（占14.4）、拉丁美洲（占13.1）。美国原来是石油、天然气的最大进口国，前几年页岩气技术取得重大突破后，变成了天然气净出口国。

水电资源多分布在河流上游，必须有足够的落差及其带来的高流速。我国的水电资源大部分在西南地区，包括长江、珠江（西江）、澜沧江等江河的干流和支流，西北地区的黄河上游，华中地区的清江流域，东南地区的江西、福建、浙江山区，东北地区的山区也有一些开发潜力。我国的可开发水电资源位居世界第一。

核裂变的核燃料是铀和钚bù，铀矿主要分布在美国、南非、澳大利亚、加拿大、尼日利亚，钚的来源更广泛，价格更低，但储量信息很少公开。核聚变的核燃料是氘dāo和氚chuān，是氢的同位素，主要储藏在海洋里。全球核反应堆最多的国家有：美国99座，法国58座（占总发电量的80%）、中国42座，日本54座（占总发电量的30%）。

地热资源与火山、板块运动等有关，全球主要有两大分布带：环太平洋地热带、地中海-喜马拉雅地热带。这两个分布带都经过我国，我国的地热资源占全球的六分之一。

五、电能的分类和利用

第一次工业革命（18世纪60年代—19世纪40年代）以蒸汽机的改进和广泛运用为主要标志，第二次工业革命（19世纪60年代后期）则是以内燃机和电力的发明和广泛运用为主要标志。电能是人类科技的重要突破，一方面，可以在煤炭（煤矿）、太阳能（日照强度和时间）、水能（河流水量和落差较大）、风能（风力大，持续时间长）丰富的地区建立发电厂，然后把电能传输到距离较远，能源储量不足，但经济发达，需求量大的地区使用，让能源卖出更多，并获得更高收益，解决了地区间供给和需求不平衡的问题，另一方面，统一了使用能源时的设备接口，总体分为照明设备、动力设备两大类，只有电压、电流、交流电/直流电等指标的差别，可以较为简单地通过变压器、整流器/逆变器等器材来变换，不需要像之前那样为一种能源的使用设计一种设备，相互之间又很难通用。

电能主要有以下几种方式获得：

火电：燃烧煤炭、石油加工后的产品（柴油、重油）或天然气，加热专门处理的水，产生蒸汽，推动（蒸）汽轮机，再带动发电机。整个过程为：（化石能源）的化学能→热能→机械能→电能。火力发电厂锅炉不能直接用自然界的水或自来水，而是要经过软化处理，过滤掉水中的杂质和钙、镁等离子，这样才能确保长期使用而不产生、积累水垢，避免锅炉及管道被堵塞，避免爆炸等风险。未经软化的称为硬水，经过软化的称为软水。

水电：利用水流推动水轮机，再带动发电机。整个过程为：（水在高处的）势能→（水从高处流向低处的）动能→机械能→电能。

太阳能发电（光伏）：整个过程为：太阳能→电能。

风电：风吹动风车，再通过齿轮组的转换，带动发电机。整个过程为：风能→机械能→电能。

核电：与火电厂很相似，只不过其核心发热设备由燃煤/油/气锅炉换成了核反应堆，但也是加热专门处理的水。此外，核电站的水/蒸汽分为一次回路（下图中红色）和二次回路（下图中蓝色），一次回路中的水直接接触带有放射性的核燃料，二次回路中的水则可以循环到核岛外面，一次回路与二次回路的水相互之间没有直接接触，仅有隔着管道的热传导，这就避免了核燃料中的放射性物质泄露到核岛外面。由于核电站的热能非常大，所以推动过蒸汽轮机之后的尾水会排入河流或海洋，用面积较大的自然水体来做冷却，正常的风冷或水冷系统是无法冷却如此庞大的热量，如果热量过度累积，核反应堆的堆芯几分钟就会熔化，然后便产生核泄漏。整个过程为：核能→热能→机械能→电能。

潮汐发电的原理与水电相似，涨潮和落潮都能带动水轮机和发电机。

地热发电的原理与火电相似，主要分为两种方式：一种是直接利用高温地热的蒸汽推动汽轮机，一种是建立类似核电站的两套蒸汽回路，以避免地热蒸汽中的杂质污染汽轮机和管道。

六、各种电能的优缺点

火电是我国和许多国家发电的主力，其优点有：一是功率大，随着节能减排和环保的日益严格，新建火电机组的功率越来越大，单位能耗也越来越低。二是不受天气、季节等外部因素的影响。三是可以根据用电需求变化和电网调度随时调整功率。火电的缺点有：一是环境污染，包括二氧化碳等温室气体，以及含有有毒有害物质的粉尘等排放。二是从经济性角度考虑，应尽可能安排在煤炭、石油、天然气的产地，比如建设煤矿的坑口电站，以减少运输成本，但也要考虑电网输电，尤其是长距离过程中的损耗。三是火电机组的启动相对慢，从完全的停机（冷态）到正常并网发电，可能需要十几个小时，期间有软水准备和注入，锅炉预热与升温、升压，管道和机械润滑，汽轮机和发电机检查、启动、升速，并网调试等多个复杂环节，为了提高火电机组的响应速度，有的火电厂采用温态启动，即常年保持部分火电机组的低功率运行，但这也是需要成本投入的，而且可能是一种浪费。

水电的发电量和地位在我国仅次于火电，最近几十年还在不断增长，建成了许多超大型水电站。水力发电的优点有：一是无污染，可再生。二是发电成本低，虽然前期建设需要大量投资，但投产后水资源的购买成本很低，水电站设备日常维护（检修）成本也很低。三是效率很高，先进的水电机组效率可以达到90%以上，火电机组则只有40%左右。四是运行灵活，有需求，几分钟就可以从静止状态达到满负荷状态，可以作为电网遇到紧急情况的调峰工具。五是水电站（水库）还兼有防洪、灌溉、供水、航运、水产养殖、旅游等多种作用。水电的缺点有：一是季节性变化大，春夏的丰水期可以多发电，秋冬枯水期则受限，另外许多水电站还要优先满足防洪、灌溉等需要，水多的时候不一定能开闸发电或是满负荷发电，会被水利主管部门要求蓄水以备将来，水不够的时候已影响到发电功率，或是电网没有需求，却还被要求放水到下游，以补充灌溉缺口。二是筑坝和人工改变水流的速度、季节分布等，可能对河流生态产生影响，比如泥沙淤积，鱼类无法通过，诱发地震、滑坡等地质灾害等，而是水电站建设周期长，施工难度大，三是水电站多在河流上游等偏远地区，需要在崇山峻岭中架设长距离输电线路，需要专门增加大量的电网配套设施。

太阳能是清洁能源和可再生能源，但太阳能受天气和季节变化影响大，阴雨天没法发电，冬季功率会降低，另外太阳能的转换率只有15%左右，如果设置大面积的太阳能板，又会占用较多地皮，太阳能板遮挡了阳光，其下方可能会长不出植物，引起水土流失和荒漠化，所以很多太阳能大型矩阵都建在沙漠、河沙滩或荒地上。

风能也是清洁能源和可再生能源，但也受风力变化的影响较大，且难以预测。目前风力发电的能量输出存在很大的波动，常常被称为垃圾电，甚至可能影响到电网的稳定运行，所以市场接受度不高。

核电的最大优势就是高效，百万千瓦级的发电站，一年要消耗300万吨煤炭，而如果使用核燃料，则只需要30吨，为煤炭的十万分之一。核电的主要风险，一是核泄漏，二是核燃料（原料）、核废料的安全处理。

潮汐发电的优点有：一是清洁能源，可再生能源。二是不需要筑坝，也就没有（水库）淹没区。其缺点有：一是涨潮和落潮可能会在一天之内多次变化，导致了发电的不稳定，而且涨潮和落潮的水流方向相反，潮汐电站的建筑和水轮机组就要更复杂，以适应模式的变换。二是潮汐电站是低水头，落差很小，发电功率受到影响。三是海水与海洋生物对潮汐电站的建筑和水轮机组都有腐蚀作用，损耗大。

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