5.1.1 能源的概念与类型
一、能源的概念
能源（energy resources）是指可以为人类利用的含有高品位能量的物质，如太阳能、风力、水力、蒸汽、化石燃料及核能、潮汐能等。能源是实现经济现代化和提高人民生活水平的物质基础。据测算，由于能源不足所引起的国民经济损失可达能源本身价值的20～60倍。因此，以便于利用的形式提供数量充足而价格合理的能源，是维持现代社会发展的必要条件。
二、能源的分类
有关能源的分类主要从实用的角度来考虑。从能源物质来源和属性方面，一般将其分为矿质能源和非矿质能源；从能源利用形式上，分为一次能源和二次能源；从能源利用的永续性方面，分为可再生性能源和不可再生性能源；从能源利用技术的新颖性和复杂性上，分为常规能源和新能源；从能源利用对环境的影响方面，分为污染型能源和清洁型能源；等等。下面对各分类系统的定义做简要介绍。
（1）矿质能源：又称化石能源，是指在地质成矿过程中形成的能源物质，主要有煤、石油和天然气。
（2）非矿质能源：指矿质能源之外的其他能源物质，包括核能、生物质能、水能、太阳能、风能、地热能等。
（3）一次能源：指存在于自然界的可以提供现成形式能量的能源物质，也即直接来自自然界的未经加工转换的能源形式，主要有矿质能源、水能、太阳能、风能、地热能等。
（4）二次能源：指由一次能源加工转换而来的能源，其中主要有电能、热能和机械能。电、蒸汽、煤气、汽油、焦炭等则是二次能源产品。
（5）可再生性能源：指具有自然恢复能力，其质量不会随自身的转化或人类的利用而日益减少的能源，如水能、风能、太阳能和生物质能源等。
（6）不可再生性能源：指在短期内不能自然再生，其质量将随人类的开发利用而不断减少，直至枯竭的能源，如煤、石油、天然气、核燃料等。
（7）常规能源：指开发利用的历史较长，利用技术较成熟，使用较普遍的能源，如原煤、石油、天然气。
（8）新能源：指开发利用的历史较短，技术要求高，使用条件苛刻，或者仍在研发之中的能源，如核能、氢能、太阳能、风能、地热能等。新能源和常规能源都只是一个相对的概念，随着利用技术的日趋成熟和时代变迁，新能源将会逐渐成为常规能源，并取代现有的常规能源。
（9）污染型能源：指在消费后可造成明显的环境污染，尤其是对大气环境造成严重污染的能源，如煤和石油类能源。
（10）清洁型能源：指在消费过程中不会对自然环境造成污染，或污染影响程度较小的能源，前者如水力、电力、地热、生物质能和太阳能等，后者如天然气和核能等。清洁型能源和污染型能源也都只是一个相对性概念，清洁能源使用不当也可能造成严重污染，如核能；反之，如果采用先进的能源利用和污染控制技术，污染型能源对环境的污染影响也可控制在一个可以接受的程度之内。
此外，根据能量的储存形式，还可将能源分为含能体能源和过程性能源。含能体能源的能量直接储存在物质体内，如矿质燃料、核燃料、地热、高位水库等；过程性能源则不能大量地直接储存能量，如电能、风能、潮汐能等都属于过程性能源。
三、主要能源的特性
1.矿质能源
（1）煤：煤是远古的植物被埋在地下以后，由于压力和地热的作用，经历炭化过程形成的可燃性碳氢化合物。随着成煤年龄增加，其挥发物、氧和氢含量会逐渐减少，含碳量逐渐增加。按照炭化程度和煤中挥发物含量高低，可分成无烟煤、沥青煤、亚沥青煤、褐煤和泥煤等类型。其中，无烟煤和沥青煤为高品质煤，即狭义上的煤炭；亚沥青煤和褐煤等为低品质煤。在褐煤中常常可以看到因炭化率低而残留的木质形态。需要指出的是，即使同一种煤，由于产地不同，其成分、发热值、含硫量、灰分含量和含水率等也都会存在较大差异。大多数的煤是在2.86亿～3.6亿年前的石炭纪形成的。由于煤的形成需要很长时间，因此基本上是不可再生的资源。世界煤的储量很大，总量估计达1×1019 t，若所有这些煤矿均能被开采，煤的使用能持续几千年。以现在的消耗速率，那些已探明储地且经济上可行的煤可以维持开采200年左右。
（2）石油：又称原油，主要由C、H、O、S、N 5种元素组成，其中C、H分别占84%～87%和12%～14%。一般认为，石油是海洋生物被埋在海底以后，通过微生物分解，在地热和压力的作用下形成的。根据其密度，可以分成超重质原油、重质原油、中质原油、轻质原油和超轻质原油。按烃类组成比例，又可分为石蜡基原油、环烃基原油和混合基原油。石蜡基原油含石蜡系烃类较多，适于制造固体石蜡和优质润滑油。环烃基原油含环烃系烃类较多，蒸馏时有大量沥青产生，故又称沥青基石油，适宜生产燃料重油。混合基原油含有以上两种石油的混合成分，适宜于制造润滑油、燃料重油。原油通过蒸馏、精炼，可生产出液化石油气、挥发油、汽油、航空汽油、煤油、柴油、重油和润滑油等石油制品。石油制品的产率（yield）是确定各种原油商品价值的重要指标。世界石油总储量估计为4×1012桶（1 m3=6.29桶），约6×1011 t，其中一半可以被开采。(https://www.daowen.com)
（3）天然气：组分以甲烷为主，还含有乙烷、丙烷、丁烷和其他气态烃类。常常把以甲烷为主要成分的天然气称为干性天然气，而将戊烷以上重质碳氢化合物含有率较高的天然气称为湿性天然气。2006年世界天然气剩余探明可采储量为1.7508×1014 m3，相当于2.3286×1014 t标准煤。至于天然气的最终可采资源，一般看法是大约3×1014 m3（折合原油1.9×1012桶）。天然气燃烧产生的CO2仅是等量煤燃烧所产生CO2量的一半，属于清洁型能源，用它取代煤可以减缓全球气候变暖。
2.水力
水力资源是由河流落差和流量大小决定的，在可再生能源中，水力发电是用作商业能源最多的。全球水力发电的潜力估计在3×1012 W左右，如果这个生产能力能满负荷运转的话，可以提供8×109～1×1010度电能。水力发电不用燃烧燃料，在运行过程中没有烟气排放，对环境的污染小，是一种清洁的能源形式。
3.核能
核能是原子核发生变化时释放出来的能量。从现有科学技术水平看，可以从两个方面来开发利用核能：一是通过重元素裂变，如铀；二是利用轻元素聚变，如氘和氚。目前商用核电站采样的是铀裂变（nuclear fission）技术，即热中子核反应堆技术。自然界中有两种铀（U）的同位素，一种是不能发生裂变反应的铀-238（238U），另一种是可裂变的铀-235（235U），238U丰度为99.283%，235U仅为0.711%，核电站用作核燃料的主要是235U。与化学反应中的原子间电子转移不同，原子核反应是原子核中的核子转移。由于原子核内核子间的作用力要比原子内原子核与电子间的作用力大得多，所以核反应能量也比化学能高得多。从理论上讲，1 g235U发生核裂变反应可以得到82×109 J热量，相当于燃烧3.3 t标准煤的能量。据估计，全世界铀的可采储量约3.95×106 t，可采年限为66年。但是，海水中溶解铀的数量可达4.5×109 t，如果能够全部收集起来，可保证人类几万年的能源需要。不过，海水铀浓度很低，1000 t海水只含有3 g铀。目前正在研究多种从海水中提取铀的办法，包括吸附法、共沉法、气泡分离法和藻类生物浓缩法等。
通常用来进行核反应的装置称为反应堆，它是控制核裂变反应，把所产生的能量以热能形式安全取出的系统，包括核燃料、中子减速材料和控制棒、为了取出热能的冷却材料。按照使用的减速和冷却材料分类，反应堆可以分成石墨堆、轻水堆、重水堆、液体金属冷却堆、气体堆等，目前世界上建成最多的是轻水堆，包括压水堆（PWR）和沸水堆（BWR）两种类型。在压水堆中，反应堆内压力高达150 atm（1 atm=101.325 kPa）左右，冷却水在高温下并不沸腾，冷却水加热到320℃左右之后，被送入蒸汽发生器，变成蒸汽进到汽轮机。在沸水堆中，流过反应堆的冷却水在约70 atm的活性区内沸腾，然后蒸汽被送进汽轮机，驱动汽轮机发电。不论在哪种反应堆中，都用235U含量为3%～5%的低浓缩铀做燃料。
阅读材料：
快中子增殖堆技术
利用235U裂变反应发电的技术，会因原料相对贫乏等因素的影响而受到限制。不过，铀-238（238U）也可接收一个中子而变成钚-239（239Pu）。239Pu和235U一样具有易裂变性，可以作为核燃料利用。
利用中子轰击产生裂变同位素的反应式如下：
在反应式中，铀-238吸收一个中子，转变为铀-239，随后又自发地转变为镎-239，最后镎-239再转变为钚-239。钚-239虽然在自然界中不存在，但它比较稳定，半衰期为24390年，它也能吸收一个中子而裂变并放出能量。这样，用一个中子使铀-238转变为钚-239，再用一个中子使钚-239裂变，一次共需要两个中子。如果这次裂变又释放出两个中子，那就会使另一个铀-238原子又转为钚-239，并接着进行裂变。这样，就产生了连锁反应，使核裂变连续进行下去，这就是目前正在研究利用的快中子增殖堆（FBR）技术的工作原理。采用增殖堆技术，可将自然界大量存在的铀-238作为核能资源来利用，有效解决铀资源稀缺的限制。
资料来源：滨川圭弘等编，郭成言译的《能源环境学》，科学出版社2003年出版。
4.生物质能
植物的叶绿体在阳光的作用下，把水、二氧化碳、无机盐等转化为简单的小分子物质，再合成糖类、蛋白质、脂肪等较复杂的大分子，以ATP（三磷酸腺苷）的形式把能量储存起来，每摩尔ATP储存的能量约为5×104 J。农作物、树木及其残体、畜禽粪便等有机废物都是生物质能源的原材料。据估计，生长在地球上的生物总量每年高达2×1011 t，含能量4×1021 J，是世界能量消耗总量的10倍。生物质能燃料燃烧所释放的CO2大体相当于其生长时通过光合作用所吸收的CO2，几乎没有SO2产生。生物质能源的有效利用方法有直接燃烧或气化、通过干馏生成木炭、通过化学方法转变成乙醇或柴油等。
5.其他能源
（1）风能：风能直接来自太阳能，由于地球表面各处情况不同，接受太阳辐射不同，各地区的温差或气压也不同，结果形成了风。历史上，主要将风能转化为机械能利用，如利用风作动力行船、抽水灌溉等。20世纪初期人类发明风力发电机之后，赋予了风能现代新能源的意义。据估计，太阳传给地球的辐射能约有2%被转化成风能，在整个大气中，总的风能为3×1014 kW，相当于1012 t标准煤的储能量。风能属洁净的、取之不尽的能源。不过，风能具有分散、间歇、能源密度不高、风力不均匀等弱点，因此，要发展风能利用，需解决储能技术，将风力高峰期发的电能储存起来用于弥补无风时期使用。风力发电的理论效率为60%以上，在现场条件下的转换效率为15%～30%。
（2）地热：指由于地壳或地幔上部的放射性元素裂变而产生的热量。有人估计，在地壳表面3 km以内，可利用地热能约为8.4×1020 J，接近全世界煤储量的含热量。地热来源有干蒸汽、湿蒸汽和热水三种形式。其中干蒸汽最好，温度在150℃以上，属于高温地热田，可直接用来发电。湿蒸汽温度在90～150℃，属于中温地热田，用前必须脱水，技术上较困难一些。热水储量最大，温度在90℃以下，属于低温地热田，只能直接用于取暖或供热，不能用来发电。由于地热与太阳能无关，能够保证输出功率的稳定。国外对地热发电的大量开发应用始于20世纪60年代。截至2008上半年，全世界总安装地热发电能力为1×104 MW，分布在20多个国家，其中美国占40%。
（3）海洋能：指来自海洋的波浪能、潮汐能等，它们均属间接太阳能。波浪能是一种在风的作用下产生的，并以位能和动能形式由短周期波储存的机械能。潮汐能是地球旋转所产生的能量通过太阳和月亮的引力作用而传递给海洋的，并由长周期波储存的能量。潮汐包括水平面的上升与下降的垂直运动和涨潮与退潮的潮汐浪水平运动。利用波浪能发电不消耗燃料资源和土地资源，对于沿海地区，尤其是对那些难以架设输电线路的小岛来说，很有开发前途。
