这些支撑人类生命的能源你知道吗？

万物生存都需要能量。 植物吸收太阳能，将其转化为化学能并储存起来以维持生命。 动物通过吃其他动植物来获得化学能以维持生命。 但对于人类来说，在生存的基础上，更多的是对“生”的需求。 休闲娱乐、交通运输、工业生产……这一切都离不开“能源”。

能源为人类创造了丰富多彩的生活。 人类文明的进步，在某种程度上也是由能源驱动的。

火

火是人类最先掌握的一种能量形式，可以追溯到数百万年前。

人类通过火释放的热量，可以加热食物、烧毁器具、御寒御寒、夜间照明。

食物加热后杀菌，味道鲜美，更容易吸收，大大增加了人类的体质，促进了人类大脑的发育。 新材料、新器具的发明，驱赶野兽的功能，夜间的利用，极大地提高了人类的生存率和有效时间，加速了文明发展的进程。

图1 火的使用使人类文明的发展迈上了一个新的台阶。

图2、3 建造砖窑、陶窑等，用火把粘土烧成各种工具和建筑材料。

图4 冶金技术的发明将人类带入了青铜器和铁器时代。

木材、木炭

人类已经学会了使用火，而木材是人类使用的第一种能源。 由于木材中含有水分等杂质，难以充分燃烧，火焰温度低，烟雾大。 用与空气隔绝并加热的木材制成的木炭可以解决这个问题。

图5、6 木材在隔绝空气的条件下，经高温处理可制成木炭。 木炭比木头燃烧更稳定，烟雾更少挖比特币水力发电站，温度更高。

直到工业革命时期，木材一直是主要能源。 随着城市的不断扩张和工业生产的不断发展，木材的弊端也逐渐显现出来：森林生长缓慢，不能供应人类日常所需。 人类迫切需要一种新的能源来解决这个问题。

图7 工业革命前，一个城市的能源需求至少需要50-150倍的森林面积来支撑。

煤炭

煤炭是人类较早发现和使用的能源之一。 1973年，在我国辽宁省沉阳市北陵附近的新石器时代新乐遗址下，发现了许多用煤制成的器物，说明我国在六七千年前就发现并使用了煤。 这也是世界上使用煤炭的最早确凿证据。 煤炭作为燃料用于冶金等用途，在我国可追溯到西汉时期。 然而，煤炭作为一种主要能源，真正登上历史舞台是在第一次工业革命之后。

图8 乌黑发亮的煤炭曾经是，现在仍然是人类的主要能源，推动了工业革命的发展。

煤炭开始大规模使用，始于18世纪初的英国。 人们愿意使用它，并不是因为它好用，而是因为英国的森林燃烧得越来越少，几乎枯竭，导致木炭价格大幅上涨。 所以每个人都不得不退而求其次，选择烧煤。 一时间，烟尘滚滚，英国首都伦敦也成为著名的“雾都”。

图9、10 由于煤中含有各种杂质，难以充分燃烧，会冒出浓浓的黑烟，对空气造成不良影响。 英国伦敦在第一次工业革命时期成为雾都，这就是根源。

英国煤的含硫量很高，燃烧时浓烟滚滚，十分呛人。 用于炼铁时，硫会进入钢中并使其变脆。 至于食品、酒类等其他行业的生产，用煤的可能性就更小了。 直到有人模仿木炭的生产，在缺氧条件下加热煤形成焦炭，发明了焦炭鼓风炉，这个问题才得到解决。

图11 直到今天，焦炭仍然是炼铁的主要燃料。

图12 在采煤区，运煤车将煤炭运往各地。

图13 淮南长壁煤矿，采煤机正在煤层上采煤。

随着煤炭的不断开采，浅层煤被挖空，地下的煤矿不断开发。 越挖越深，一直挖到地下水面。 起初，人们只能雇人挑水，效率很低。 1712年，托马斯·纽科门发明了用于抽水的蒸汽水泵，从而解决了这个问题。 1776年，詹姆斯·瓦特设计了一种冷凝装置，大大提高了蒸汽机的效率。 后来有人设计了高压蒸汽机，进一步提高了蒸汽机的效率。 为了运输开采出来的煤，一个名叫亨廷顿·博蒙特的人于1604年发明了用铁轨铺成的马车轨道，以方便马车运输煤炭。 后来，理查德·特雷维西克在车头安装了瓦特蒸汽机，火车顺利诞生。

图14 煤炭驱动的蒸汽火车使长途大运量运输成为现实，极大地加速了人类文明的进步。

从200多年前的工业革命开始，直到今天，煤炭仍然是支撑我们生活的重要能源之一。 截至2021年底，我国电力以燃煤为主，火力发电量57702.7亿千瓦时，占总发电量的71.13%。

石油气

石油的上涨首先与照明需求有关。 木头和煤炭在燃烧时也会发光，但它们也会产生多余的热量和烟雾。 古人喜欢用油灯，油灯多用动物脂肪制成，其中以鲸油最为流行。 18、19世纪，捕鲸业高度发达，平均每年捕杀5万多头鲸鱼，导致鲸鱼数量锐减，几近灭绝。 一位名叫 Abraham Gessner 的加拿大发明家发明了从沥青中提取煤油的技术，从而使鲸鱼免于灭绝。 同时，也带动了石油工业的迅速崛起。

图15 煤油精炼技术的发明，使石油的开发利用登上了历史舞台。

图16 夕阳下的油田，抽油机（俗称磕头机）正在运转，从地下抽出“工业血液”。

早期的石油勘探主要以生产煤油为主，其他成分大多被当作废料处理。 后来，一位名叫约翰·洛克菲勒的商人学会了如何从石油中分离出长短不一的碳链，并制成各种化学品，石化工业由此诞生。 后来，人类发明了用石油合成塑料和人造纤维的方法，新材料的发明给人类生活带来了翻天覆地的变化。 十九世纪末，德国人发明了一种以汽油为燃料的轻型内燃机； 1903年，亨利·福特成立福特汽车公司，研制出世界上第一辆面向普通人的廉价汽车T型车，燃油车成为主流。 ，并一直持续到今天。

图 17 从石油中分解出的不同碳链长度的物质及其用途。

图18 炼油厂，从油田中提取的原油经过一系列加工，生产出汽油、柴油、煤油、润滑油、沥青、乙烯等各种产品。

图19 亨利·福特生产出世界上第一辆普通人用的T型车，开启了家用燃油车时代。

汽油和柴油的能量密度高，每公斤汽油平均含有44MJ（百万焦耳）的能量，是最优质煤的1.5倍。 截至目前，该电池的最高能量密度刚刚突破200Wh/kg（1Wh=3600焦耳，即电池的能量密度约为72万焦耳/kg）。 因此，直到今天，石油仍占交通运输业和工业生产的大部分。 远洋航运、航空航天、军事国防、工业生产都离不开石油。 因此，石油也被称为“工业血液”和“黑色黄金”。 过去几十年，大国之间的利益竞争，大多围绕着这种能量展开。

近年来，随着石油需求量的不断增加和浅层油气资源的不断枯竭，人们开始走向深海和深地，建设海上石油钻井平台，开采页岩油等非常规油气。气体和可燃冰。 活力。 同时，作为石油“副产品”的天然气重量轻，便于运输。 而且天然气的碳排放量小，作为实现双碳目标的过渡能源，也有着广泛的应用。

图20和21是位于海南南海的天然气钻井平台。 夕阳消融，茫茫大海上的平台展现着人类对自然的智慧。

图22 2017年，我国首次在南海试采可燃冰取得成功，标志着我国可燃冰开采已达到世界领先水平。 可燃冰是天然气和水在高压低温下形成的物质。 （图片来源：CNN）

电

与木材、煤炭、石油等看得见、摸得着的能源相比，电更像是一种隐藏的精灵。 严格来说，电不是能源，而是能量的一种形式。 人类不能直接从大自然中获取电能，而是需要通过一些技术手段将其他形式的能量转化为电能。

电池，最早尝试产生电能，将储存在特定材料中的化学能转化为电能，但效率低下，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，证明了电能和动能在磁场中可以相互转化。 发电机和电动机就是按照这个原理工作的。

图23 法拉第（Faraday）发现了电磁感应现象，为电的发展提供了理论基础。

1880年，托马斯·爱迪生发明了发光效率更高、使用更安全的白炽灯。 1882年，他分别在伦敦和纽约建成了世界上第一座和第二座火力发电站，铺设了电网，使电灯走进了千家万户。 此后，爱迪生相继发明了电唱机、录音机等一系列电器产品，引领人类进入了一个新纪元。

图24 托马斯·爱迪生（Thomas Edison）发明了电灯，用电为人类照亮了前进的道路。

电力的发展已经过去了一百多年。 可以肯定地说，没有电几乎没有人可以生活。 电网已经渗透到每一个城市的每一个角落，成为陪伴人类生活的“忠实伴侣”。 大部分能量必须转化为电能才能为人类所用。 为减少二氧化碳排放，替代燃油汽车，近年来新能源汽车产业蓬勃发展，将用电推向新高潮。

图25 四通八达的电网是人类修建的“能源高速公路”。 支持人类的日常生活。

图26 滇藏线 云南西电东送线路。 西部地区产生的电力，穿山越岭，输送到东部沿海城市，点亮万家灯火。

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

光能、风能、水能、地热能

随着世界人口的不断增加和科学技术的不断发展，对能源的需求也急剧增加。 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，人类能源消耗总量的80%以上来自煤、石油、天然气等化石能源。 按照目前的使用状况，石油的探明储量仅够人类再使用53年，天然气可再使用48.8年，煤炭仅可再使用139年。 与此同时，因使用化石能源造成的环境污染、气候变暖等问题也逐渐显现，威胁着人类的生存。 因此，寻找和开发可持续能源已成为人类必须完成的任务。

太阳能是环保主义者最看好的新能源。 太阳是地球上生命的能源。 无论是我们每天吃的食物，还是我们使用的化石能源，本质上都是固定在化学物质中的太阳能。 在世界的任何地方，太阳总是从东方升起，从西方落下。 爱因斯坦发现的光电效应为太阳能发电提供了理论基础。 1950年代，第一块太阳能电池板在美国贝尔实验室研制成功，但其光电转换效率仍是一个有待攻克的难题，平均只有20%左右。

图28 爱因斯坦提出光具有量子特性，解释了光电效应，为光伏发电铺平了道路。 1921年，他因这一成就获得诺贝尔物理学奖，这是他获得的唯一一次诺贝尔奖。

尽管光伏发电效率低下，但对于幅员辽阔的国家，尤其是中国，仍有相当大的发展潜力。 我国西北部的戈壁滩，面积广阔，日照强烈。 是发展光伏产业的绝佳区域。

图29、30 2018年12月28日，我国首座100兆瓦熔盐塔式太阳能热电站在甘肃敦煌并网发电。 巨大的光伏板非常壮观。

图31 位于青海格尔木的光伏产业园，巨大的太阳能电池板犹如一片海洋。

此外，由于发电板需要定期清洁，同时发电板起到遮挡阳光、帮助土壤保持水分的作用，一种新的产业合作形式——光伏农业应运而生。

图32、33 在光伏板的遮荫下，牧场肥沃，牛羊更肥。

光伏板虽然优点多多，但占地面积大，可能会对生态造成影响。 相比之下，风力发电占地少，对动物栖息地和迁徙的影响较小，因此也受到青睐。 特别是在我国东部沿海地区，风能资源丰富，能源需求高，建设海上风电场是一个不错的选择。

图34 位于我国东部沿海某地的海上风电项目。

水往低处流，这是永恒的规律。 水吸热蒸发，又能回到高处，从而维持大江大河奔腾不息。 人类建造水电站的历史可以追溯到1878年的英国，当时电力的应用还处于起步阶段。 今天，我国相继兴建了一系列大型水利工程，其中以三峡工程为最。

图35 三峡大坝是世界上最大的水电站。

同时，我国的地热能开发也值得关注。 我国有很多温泉，尤其是在中国南方和青藏高原地区。 通过开发来自地面的滚动热流，不仅可以替代煤炭用于取暖、洗浴等，还可以用于发电。 即使没有温泉，只要利用被称为“干热岩”的地热，也能达到同样的效果。 目前，这方面的研究工作正在进行中。

图36 地下深度越深，温度越高。 平均而言，每下降 1000 米，温度会升高 25°C。 向地下注入冷水，抽回热水，通过换热站提取热量，可用于采暖、洗浴、发电等用途。

无论是太阳能、风能、水能，还是地热能，都或多或少地受到时间和地点的限制。 电的特点之一是必须立即使用。 因此，这些新能源发电方式往往面临用电时没电的情况，而电量低时发出的电就不幸浪费掉了。 要解决这个问题挖比特币水力发电站，必须依靠储能技术的进步。

氢能

氢能是目前最有前途的储能方式之一。 其制备简单，只需电解水即可生产纯氢，有效解决了各种新能源发电时空分布不协调的问题。 氢气燃烧后没有副产物，只产生水，是名副其实的清洁能源。 而且，与电池相比，氢气在低温下性能更好，重量更轻，能量密度更高。

但目前，氢能储存面临诸多挑战。 一方面，氢气易燃易爆，对储存要求高。 国内常见的35兆帕储氢罐重达100多公斤，但只能储存5公斤氢气。 另一方面，氢燃料电池的生产工艺非常复杂，技术难度大，成本高，导致氢能发展滞后。

图37 日本丰田汽车公司2015年推出的燃油车上的储氢罐，其壁厚非常厚。