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邹才能 马锋 潘松圻
在全球应对气候变化推进实现碳中和背景下，以化石能源为主体的传统高碳能源体系，正向以可再生能源为主体的新型绿色低碳能源体系转型，多能互补、多能融合、多能转化的“大能源”时代正在开启。面向未来，能源技术革新和能源转型将深刻改变人类的生活方式和观念，而对地球系统、人类发展和能源演化的历史研究，将有助于鉴往知今，开启未来。
本报将连续刊载邹才能院士团队发表在《石油勘探与开发》2022年第49卷第2期的文章——《论地球能源演化与人类发展及碳中和战略》，以飨读者。
地球上“能”主要有3个“源”，包括来自地球外部天体能、地球自身能、与其他天体相互作用能。外部天体能主要是太阳能，除了直接辐射外，太阳能还为风能、水能、生物质能和矿物能提供产能基础，植物通过光合作用把太阳能转变成化学能存储下来，煤炭、石油、天然气等则是古代植物、动物固定下来的太阳能。
地球自身能包括地壳中储存的原子能、地热能等，原子能包括核裂变能和核聚变能，地热能主要以地下热水、地下蒸汽、干热岩体等形式表现。与其他天体相互作用能主要为潮汐能，由于月球引力变化导致海平面周期性升降而产生能量。
有关能源的分类，除了按上述来源进行粗分外，更多是根据能量被存储的载体性质进行分类。按照能量守恒定律，能量能够从一种形式转变成另外一种或多种形式，或者从一个载体或系统转移到另外一个载体或系统，但是它不能够被创造也不能够被消灭；日常提及的节约能源，严格意义上讲，应该节约的是能量载体资源，而不是能量本身，众多的石油公司在“生产”石油，也是能量的“转运工”。
依据载体资源的类型，通常将能源划分为化石能源和非化石能源，根据短期内是否可以重复再生利用，进一步划分为再生能源和不可再生能源。
以天然气为例，其主要成分是甲烷，碳原子和氢原子之间的组合方式比较“松散”，如果它们与氧混合或与含氧量20%的空气混合，氢原子将与氧原子结合形成稳定的水分子，而碳原子则与氧原子结合形成稳定的二氧化碳分子，水和二氧化碳与烃类分子相比，具有较低的势能，更多的能量以热的形式释放出来。在这个天然气燃烧的过程中，处于还原态、高能量的碳变成氧化态、低能量的碳，同时也使数亿年前被沉积物掩埋的碳重新回到大气圈中。化石能源的形成与人类历史相比，短期内无法恢复再生，属于不可再生能源。
太阳能是直接将太阳的电磁辐射能转化成电能、热能或化学能等，主要以光伏发电和光热发电转化成电能为主，前者利用半导体界面的光电效应将光能直接转化为电能，后者则使用大型反射镜阵列聚焦太阳光获得热能，利用热能产生蒸汽驱动涡轮机发电。
光伏发电技术成熟，但电池生产过程高能耗、高污染，且受日光照射强度影响较大，与传统电网并网难度大；光热发电能将太阳能以热能形式存储起来延迟发电时间，实现连续供电，还可通过增加储热单元或补燃与常规火电联合运行，但该技术目前仍处于创新与改进完善阶段。
风能是太阳能产生的另一种间接能源。太阳辐射热使地表空气不均匀受热膨胀流动而产生两种方式动能，一种是空气从高空下沉到低处，重力推动空气做功，另一种是空气从高压区移动到低压区，压力梯度做功。利用动能驱动风力涡轮机叶片旋转发电，但转化效率存在绝对上限59.3%，又称贝茨极限，现代风力涡轮机的效率已经达到贝茨极限的80%，但也只利用了48%动能。
公元前2000年，人类已开始建造帆船和风磨，1887年，Charles F.Brush建造了世界第一台风机用来产生电力。2020年世界风力发电量约占全球发电量的6%左右。
潮汐能是由地球、太阳、月球三者之间的万有引力所产生的能量。月球引力场使得距离月球最近和最远区域的海平面上升和下降，引发潮汐运动，涨潮和退潮产生的动能推动水下涡轮机叶片运转进行电力生产。潮汐能属于可再生资源，但只局限在潮汐资源丰富的地区。
水能是由太阳辐射能产生的一种间接能源，地球所截获的太阳能中，约50%被地表吸收，其中约一半的能量用于水的蒸发过程，主要是海水蒸发，但大气层保留水蒸气的能力有限，当水蒸气以雨水的方式降落到高于海平面的地表，水就被赋予了势能，在向下流回海洋的过程中势能转化为动能，人类在水流动的路径上引导动能来做有用功，目前主要用来发电，是一种可再生清洁能源。
公元前200年左右，人类已经开始建造水磨利用水能，1878年法国建成世界第一座水电站，随后在20世纪水电得到快速发展，2020年世界水力发电量占全球发电量16%左右。
地热能主要来自地球内部放射性元素的衰变和地幔、地核的热对流与热传导，热能资源只分布于构造活动区域。目前使用热蒸汽驱动涡轮机发电的地热能仅是其潜在可用总量的一小部分。下一步将探索增强型地热系统（EGS），该系统将热介质注入地下，通过与高温岩石接触获取能量来进行发电，传统油气形成过程中的热水资源和油气井设施，使其与EGS具有天然融合的发展优势。
此外，利用超临界二氧化碳替代水作为传热介质，实现二氧化碳封存与地热发电也将是一个重要方向。
原子能即核能，是由原子结构发生变化而释放的能量，重原子核裂变的过程是核裂变，轻原子核相结合的过程是核聚变。通常意义的化学反应仅涉及原子之间相互结合关系的变化，原子核不发生变化。但在核反应中，原子核的中子和质子相互关系发生了变化，在核力作用下质子和中子聚集在一起拥有势能，当新形成的原子核的质量小于构成它所有原子核的质量之和时，根据爱因斯坦质能方程，损失的质量将变成热量，由于光速的平方是个巨大的数字，微小的质量变化导致的能量变化将释放出比化学反应大几百万倍的能量。作为原子能量载体的核矿石属于不可再生的矿产资源，故原子能属于不可再生能源。
目前，人类发电以核裂变为主，主要利用铀原子，单个铀原子裂变释放的能量，比单个甲烷分子燃烧释放的能量高1.2亿倍。可控核聚变技术仍处在实验室初级阶段。
生物质能指蕴藏在生物质中的太阳能，大部分生物质能都来源于绿色植物通过光合作用生产的有机物，广义的生物质包括一切有生命可以生长的有机物（动植物和微生物），狭义的生物质包括人类种植、养殖的各种农牧产品以及人和家畜产生的粪便与有机垃圾等。
生物质能的利用实质就是如何把生物质中储存的能量释放出来，主要包括薪柴直接燃烧（热能）、生物质化和液化（热化学转换）、沼气发酵（生物化学转换）等方式，人类历史上最早使用的能源就是生物质能，也是唯一一种可再生的碳源。
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编辑：王琳琳
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