第三节能源 能源的分类 人类社会的进步也是对能源与物质消费量持续增长的过程。据研 究,原始社会人类的能源消费极其有限,只限于食物的消费。随着 文明的进步,在生活和生产上所消耗的能量急剧增加,现代化工业 社会人均的能源消费量为原始社会的100多倍。而且,当今世界各 地能量消费水平差异很大,发达国家与发展中国家人均的能源消费 量的差别也达几十倍至上百倍。 迄今人类所利用的能源种类不过十数种,从原始社会就开始利用 的生物能(包括薪柴、畜力和燃烧畜粪)到后来利用的煤炭、石油 天然气、水电以及风能、地热能、潮汐能、核能、太阳能等。人 们从不同的角度对能源进行多种多样的分类,例如:
第三节 能源 一、能源的分类 人类社会的进步也是对能源与物质消费量持续增长的过程。据研 究，原始社会人类的能源消费极其有限，只限于食物的消费。随着 文明的进步，在生活和生产上所消耗的能量急剧增加，现代化工业 社会人均的能源消费量为原始社会的100多倍。而且，当今世界各 地能量消费水平差异很大，发达国家与发展中国家人均的能源消费 量的差别也达几十倍至上百倍。 迄今人类所利用的能源种类不过十数种，从原始社会就开始利用 的生物能（包括薪柴、畜力和燃烧畜粪）到后来利用的煤炭、石油 、天然气、水电以及风能、地热能、潮汐能、核能、太阳能等。人 们从不同的角度对能源进行多种多样的分类，例如：
按能源的产生和再生能力分为可再生能源和不可再生能源两大 类。前者包括太阳能、水力、生物能、风能、潮汐能和地热能等: 后者包括一切化石燃料与核裂变燃料等。 2.按能源的使用方式分为一次能源与二次能源。前者指直接从自 然界取得而不改变其原有形态的能源、亦称作初级能源,包括一切 直接使用的可再生能源和不可再生能源;后者是指一次能源经过加 工,转换成另一种形态的能源,如火电与煤气等。但有时一次能源 和二次能源之间并无截然的界线。 3.按能源的来源分为:来自太阳的辐射能,通过植物光合作用的 转化而得以储存,包括化石燃料在内;来自地球内部的能量,如地 热能和核能;以及因地球等天体引力形成的能量,如潮汐能。 4.按能源使用的历史分为常规(或传统)能源和新能源,前者常 指煤炭、石油、天然气、水力和生物能等;后者指核能、地热能 海洋能(潮汐能和波浪能)、太阳能和沼气等。此外,风能的利用 自古有之,但近代高效风力发电机的集群利用又使风能成为新能源 的一种
1.按能源的产生和再生能力分为可再生能源和不可再生能源两大 类。前者包括太阳能、水力、生物能、风能、潮汐能和地热能等； 后者包括一切化石燃料与核裂变燃料等。 2.按能源的使用方式分为一次能源与二次能源。前者指直接从自 然界取得而不改变其原有形态的能源、亦称作初级能源，包括一切 直接使用的可再生能源和不可再生能源；后者是指一次能源经过加 工，转换成另一种形态的能源，如火电与煤气等。但有时一次能源 和二次能源之间并无截然的界线。 3.按能源的来源分为：来自太阳的辐射能，通过植物光合作用的 转化而得以储存，包括化石燃料在内；来自地球内部的能量，如地 热能和核能；以及因地球等天体引力形成的能量，如潮汐能。 4.按能源使用的历史分为常规（或传统）能源和新能源，前者常 指煤炭、石油、天然气、水力和生物能等；后者指核能、地热能、 海洋能（潮汐能和波浪能）、太阳能和沼气等。此外，风能的利用 自古有之，但近代高效风力发电机的集群利用又使风能成为新能源 的一种
表1历史上各时期人均能量消费的增长(单位:每人每日千焦耳) 年 文明 物新工业效逼正输 平以石时优早期8林 护我前融时代中1m 0千前新石时代甲期1213019m0 m年前中世术期2:北欧)25顶cm0:0m0:0 ⑩工么号 230134m00m0503 A元u年不社 则22则
表1 历史上各时期人均能量消费的增长 （单位：每人每日千焦耳）
二、世界能源供求的现状与前景 从人类的全部历史来看,化石燃料大规模使用的历史尚不足200年 ,人类长期以来使用的燃料是薪柴、木炭、作物秸秆和畜粪。有资 料表明,直至1895年,工业发达的美国与欧洲大陆的能源结构中木 材仍占90%。只是进入20世纪以后,煤的地位才开始占据主导。在 木材丰富的北美,煤在能源供应中的比重上升至70%,木材则下降 至20%。同期世界商业能源组成中煤炭已占90%。这个时期煤炭的 地位至高无尚,君临天下(“ coalwastheking”)。从1920年开始, 石油的开采大幅度上升,煤的重要性开始下降,到1950年,石油和 天然气二者占美国能源供应的60%。即使曾经有过1973年的“石油 危机”(该年石油在世界能源供应中所占比例下降至43%),但至 1975年石油和天然气二者仍占世界能耗的67%。总之,从1920年至 1970年的半个世纪之中,石油产量急剧增长,构成了能源供应的“ 石油时代”。从1929年至1971年,世界煤炭产量增长了70%,而同 期石油产量增长了1000%
二、世界能源供求的现状与前景 从人类的全部历史来看，化石燃料大规模使用的历史尚不足200年 ，人类长期以来使用的燃料是薪柴、木炭、作物秸秆和畜粪。有资 料表明，直至1895年，工业发达的美国与欧洲大陆的能源结构中木 材仍占90％。只是进入20世纪以后，煤的地位才开始占据主导。在 木材丰富的北美，煤在能源供应中的比重上升至70％，木材则下降 至20％。同期世界商业能源组成中煤炭已占90％。这个时期煤炭的 地位至高无尚，君临天下（“coalwastheking”）。从1920年开始， 石油的开采大幅度上升，煤的重要性开始下降，到1950年，石油和 天然气二者占美国能源供应的60％。即使曾经有过1973年的“石油 危机”（该年石油在世界能源供应中所占比例下降至43％），但至 1975年石油和天然气二者仍占世界能耗的67％。总之，从1920年至 1970年的半个世纪之中，石油产量急剧增长，构成了能源供应的“ 石油时代”。从1929年至1971年，世界煤炭产量增长了70％，而同 期石油产量增长了1000％
人类对能源消费的增长速度是惊人的,上文已经谈及从远古至现代 工业社会人均能耗的增长情况。就全人类而言,有人作过估计,自 从700年前人类开始利用煤炭以来,到1860年全人类共消费了煤炭 约7×109吨,而从18601970的110年间共消费了133×10吨,为过 去700年的19倍。如果把所有能源均包括在内,则从远古至1860年 全人类所消费的能源约为35×109吨煤当量(英文缩写为t.c.e.) 大约等于1Q(注:1Q=36.62×109t.C.e.)。而1860-1970年的消 费量约为10Q,1980年全世界的能源消费量即为0.28Q。据此估计 本世纪的最后20年内的能源需求量约为20Q。从历史上看,世界能 源消费不仅呈指数增长,而且增长率愈来愈大。19世纪中期世界能 源消费的年增长率约为2%,至20世纪初增长率为3.5%,而60年代 的平均年增长率为5.6%,如果按后一个数字外推,则公元2025年 全世界的能源需求将达到200400Q。这个数字可能并没有给读者 留下任何印象,但只要指出岩石圈中所有化石燃料的总储量约为 250Q这一点即足以想象问题的严重性和紧迫性了
人类对能源消费的增长速度是惊人的，上文已经谈及从远古至现代 工业社会人均能耗的增长情况。就全人类而言，有人作过估计，自 从700年前人类开始利用煤炭以来，到1860年全人类共消费了煤炭 约7×109吨，而从1860—1970的110年间共消费了133×109吨，为过 去700年的19倍。如果把所有能源均包括在内，则从远古至1860年 全人类所消费的能源约为35×109吨煤当量（英文缩写为t.c.e.）， 大约等于1Q（注：1Q＝36.62×109t.c.e.）。而1860—1970年的消 费量约为10Q，1980年全世界的能源消费量即为0.28Q。据此估计， 本世纪的最后20年内的能源需求量约为20Q。从历史上看，世界能 源消费不仅呈指数增长，而且增长率愈来愈大。19世纪中期世界能 源消费的年增长率约为2％，至20世纪初增长率为3.5％，而60年代 的平均年增长率为5.6％，如果按后一个数字外推，则公元2025年 全世界的能源需求将达到200—400Q。这个数字可能并没有给读者 留下任何印象，但只要指出岩石圈中所有化石燃料的总储量约为 250Q这一点即足以想象问题的严重性和紧迫性了
表2世界已探明的商业性能源储量①,1987 (单位:拍焦耳PJ,1P=1015焦耳=9478×109Btus) 石油然气 世界 比区 楮量X/PA葡量MP硬炼旦我媒量壯总储量 全 517:4n4n474F91Fnm4n47941F9n47m3 发中国家 184707E2201435155203893801883035E582271091 一論出国 27475978170007【00094m0E9G1302 欧刷克回家 『7536218346284672138005592122 非欧师克国家 3600321433696206530L 占疵并凵国 209948162336486"20305451183027E3232074 16:7%6773Y1149"749179m99 亚及大洋洲 15111417166837:87621431805437002054 拉丁美升 41C3183973423740T04474137
表2 世界已探明的商业性能源储量① ，1987 （单位：拍焦耳PJ，1PJ＝1015焦耳＝947.8×109Btus）
表2世界已探明的商业性能源储量0,1987 (单位:拍焦耳PJ,1P=1015焦耳=9478×109Btus) 石油又然气 世界 比区 量IP里P硬等旦软媒垦H总里 工回家 Y11222166927U64541:13127:33 经努合与发妞织国察31151E.l岂比2出l6 23510322715372147:4E:575 西欧 105331322587548409217419345 太平米 12E541155r30g31m34642168 非经济合件与发屁组国嫁家311」im:2577424EEe0m 中欧 lLE11422514845311455阳 升13北业4了如21出儿∴154
表2 世界已探明的商业性能源储量① ，1987 （单位：拍焦耳PJ，1PJ＝1015焦耳＝947.8×109Btus）
1.石油1970年石油曾占世界商业能源的48%,受“石油危机” 的影响,此后比重有所下降,1973年占43%,现仍呈下降趋势。现 在普遍认为用石油作能源是人类极不明智之举:这种本来应是极其 宝贵的化工原料不应用作能源,它又是各类能源中储量最少而且分 布最不均匀的 近年来陆续发现了一些新的大油田,但是新的油田往往在更深 的地层和离岸更远的近海,说明石油勘探的前景不甚光明。世界石 油耗竭的前景似已属定论 世界石油总储量通常有两种估计,一是美国标准石油公司 Ryman 的数字:Q。=2100×10桶,约合330×10吨,或大约为15Q。他的 估计有两个前提,一是包括了现有技术能够开采的一切近海石油, 二是开采的回收率为40%(现有回收率仅略高于30%)。按照这个 数字,石油的有效开采期限(0.8Q。)为58年(1962-2020),开 采峰值出现在1991年。另一种是 Hubbert(1969)的估计,Q 1350×10桶,约合215×109吨,或大约等于10Q。其有效开采期限 为64年(1965—2029),开采峰值出现于20年。值得注意的是虽 然这两个储量数字差距很大,但它们的有效开采期限和开采峰值出 现的年份却相差不远(9年)
1.石油 1970年石油曾占世界商业能源的48％，受“石油危机” 的影响，此后比重有所下降，1973年占43％，现仍呈下降趋势。现 在普遍认为用石油作能源是人类极不明智之举：这种本来应是极其 宝贵的化工原料不应用作能源，它又是各类能源中储量最少而且分 布最不均匀的。 近年来陆续发现了一些新的大油田，但是新的油田往往在更深 的地层和离岸更远的近海，说明石油勘探的前景不甚光明。世界石 油耗竭的前景似已属定论。 世界石油总储量通常有两种估计，一是美国标准石油公司Ryman 的数字：Q∞ ＝2100×109桶，约合330×109吨，或大约为15Q。他的 估计有两个前提，一是包括了现有技术能够开采的一切近海石油， 二是开采的回收率为40％（现有回收率仅略高于30％）。按照这个 数字，石油的有效开采期限（0.8Q∞）为58年（1962—2020），开 采峰值出现在1991年。另一种是Hubbert（1969）的估计，Q∞ ＝ 1350×109桶，约合215×109吨，或大约等于10Q。其有效开采期限 为64年（1965—2029），开采峰值出现于2000年。值得注意的是虽 然这两个储量数字差距很大，但它们的有效开采期限和开采峰值出 现的年份却相差不远（9年）
2.天然气主要成分为甲烷(占75%—79%),其次为轻质烃(丙 烷、丁烷和戊烷),并含有痕量N和硫化物,是一切化石燃料中污 染最轻者。世界天然气总储量也相当大,但有关储量的估计数字差 别很大,从150×10吨煤当量至1500×10吨煤当量不等,前一数字 折合4186500PJ,与表8.5所列数字接近。有人认为较现实的估计数 为600×10吨煤当量,约合20Q,与石油储量属于同一数量级。但与 石油相比,其分布对欧洲较为有利:大约有10%的天然气储量分布 在欧洲,其中荷兰的格罗宁根( Groningen)储量达2000×109立方 米,是世界最大的气田之一。此外,值得注意的是前苏联天然气储 量十分丰富,占世界总储量的38%,但是,总的看来,天然气的储 采比R/P并不大,仅为60。也就是说,其开采寿命只比石油长20年
2.天然气 主要成分为甲烷（占75％—79％），其次为轻质烃（丙 烷、丁烷和戊烷），并含有痕量N2和硫化物，是一切化石燃料中污 染最轻者。世界天然气总储量也相当大，但有关储量的估计数字差 别很大，从150×109吨煤当量至1500×109吨煤当量不等，前一数字 折合4186500PJ，与表8.5所列数字接近。有人认为较现实的估计数 为600×109吨煤当量，约合20Q，与石油储量属于同一数量级。但与 石油相比，其分布对欧洲较为有利：大约有10％的天然气储量分布 在欧洲，其中荷兰的格罗宁根（Groningen）储量达2000×109立方 米，是世界最大的气田之一。此外，值得注意的是前苏联天然气储 量十分丰富，占世界总储量的38％，但是，总的看来，天然气的储 采比R/P并不大，仅为60。也就是说，其开采寿命只比石油长20年
3.油砂与油页岩这类资源是岩石中所含一定数量的烃类化合物, 具有很高的粘稠性甚至呈准固态。岩石圈中这类物质储量也很丰富 仅加拿大艾伯塔省( Alberta)的油砂田面积就达10万平方公里, 估算含烃类47×109吨,居世界首位,约合世界石油储量的一半。委 内瑞拉的奥里诺科(0 tinoco)油砂田含沥青20×10吨。另有地质 学家估计,马达加斯加的油砂田含烃150×10吨,远远超过加拿大。 世界储量最大的油页岩在美国西部的格林河流域,包括科罗拉多 犹他和怀俄明几个州,1860年修筑大陆铁路时即已被发现。全世 界油页岩的远景储量大约含油2×1015桶,但目前有经济价值可供开 采的只有约50×109吨。 油砂与油页岩的组成与石油颇不相同,因而需要特殊的提炼技术 例如油砂的技术处理常用沸水与蒸汽的混合物把吸附于惰性砂粒 上的烃类分离出来,然后作进一步的加工。油页岩中所含固态烃类 成分也与原油差别很大,而且还含各种氮的化合物和其他无机杂质 ,其提炼过程中需将岩石加热至48℃以上,而且耗水量很大:每产 出1吨粗挥发油需水3立方米。因此,其成本将远远高于开采煤炭。 而且,油砂与油页岩处理后所剩余的大量废砂石也造成新的环境问 题
3.油砂与油页岩 这类资源是岩石中所含一定数量的烃类化合物， 具有很高的粘稠性甚至呈准固态。岩石圈中这类物质储量也很丰富， 仅加拿大艾伯塔省（Alberta）的油砂田面积就达10万平方公里， 估算含烃类47×109吨，居世界首位，约合世界石油储量的一半。委 内瑞拉的奥里诺科（Orinoco）油砂田含沥青20×109吨。另有地质 学家估计，马达加斯加的油砂田含烃150×109吨，远远超过加拿大。 世界储量最大的油页岩在美国西部的格林河流域，包括科罗拉多 、犹他和怀俄明几个州，1860年修筑大陆铁路时即已被发现。全世 界油页岩的远景储量大约含油2×1015桶，但目前有经济价值可供开 采的只有约50×109吨。 油砂与油页岩的组成与石油颇不相同，因而需要特殊的提炼技术 。例如油砂的技术处理常用沸水与蒸汽的混合物把吸附于惰性砂粒 上的烃类分离出来，然后作进一步的加工。油页岩中所含固态烃类 成分也与原油差别很大，而且还含各种氮的化合物和其他无机杂质 ，其提炼过程中需将岩石加热至48℃以上，而且耗水量很大：每产 出1吨粗挥发油需水3立方米。因此，其成本将远远高于开采煤炭。 而且，油砂与油页岩处理后所剩余的大量废砂石也造成新的环境问 题