萬物想要生存，都離不開能量。植物吸收太陽能，将其轉化為化學能儲存起來，維持生命。而動物則通過食用其它的動植物，擷取化學能，維持生命運轉。但對于人類而言，在生存的基礎上，更多了“生活”的需求。休閑娛樂，交通運輸，工業生産……所有的這些，都離不開“能源”。
能源，為人類創造了多姿多彩的生活。人類文明的進步，某種程度上，也是由能源所推動的。
火
火，是人類最先掌握的一種能量形式，最早可以追溯到數百萬年前。
通過火釋放的熱量，人類可以加熱食物，燒制器具，驅寒取暖以及進行夜晚的照明。
食物加熱後，殺菌消毒，風味鮮美，更容易吸收，大大增加了人類的身體素質，促進了人類大腦的發育。而新材料、新器具的發明，驅趕野獸的作用，夜晚時間的利用，則大大提高了人類生存幾率和有效時間，加快了文明發展的程序。
圖1 火的使用，使人類文明發展邁上了一個新的台階。
圖2、3 建造磚窯、陶瓷窯等，可以用火将泥土燒制成各種工具和建築材料。
圖4 冶金技術的發明，讓人類先後進入青銅和鐵器時代。
木材、木炭
人類學會了用火，而木材，則是人類最先使用的能源。由于木材含有水等雜質，難以充分燃燒，火焰溫度低、煙氣大。由木材隔絕空氣加熱制成的木炭，則可以解決這一問題。
圖5、6 在隔絕空氣的條件下對木材進行高溫處理，可以制作木炭。木炭的燃燒比木材更穩定，煙少、溫度也更高。
木材作為主要的能源，一直持續到工業革命前後。随着城市的不斷擴張，和工業生産的不斷發展，木材的弊病開始逐漸顯現：森林生長緩慢，無法供給人類的日常需求。人類迫切需要一種全新的能源，來解決這一問題。
圖7 在工業革命前，一座城市的能源需求，至少需要50-150倍面積的森林來支撐。
煤
煤，是人類較早發現并使用的能源之一。1973年，在大陸遼甯省沈陽市北陵附近的新石器時代的新樂遺址下，就發現了不少用煤制作的器物，說明在六七千年前，大陸就已經發現并使用煤炭。這也是世界上用煤最早的确鑿證據。煤作為燃料用于冶金等用途，在大陸最早可以追溯至西漢。但是，煤作為一種主要能源，真正登上曆史舞台，則從第一次工業革命開始。
圖8 烏黑油亮的煤塊，曾經是、現在也依舊是人類主要的能源，推動了工業革命的發展。
煤開始大規模使用，始于18世紀初的英國。人們樂于使用它，并不是因為它好用，而是因為英國的森林越燒越少，幾乎消耗殆盡，造成木炭價格的大幅提高。是以大家隻好退而求其次，選擇燒煤。一時間，煤煙滾滾，英國首都倫敦，也成了著名的“霧都”。
圖9、10 由于煤炭中含有各種雜質，以及難以充分燃燒，使其散發出濃重的黑煙，對空氣造成了惡劣的影響。英國倫敦曾在第一次工業革命期間變成了霧都，根源就在此。
英國的煤含硫量高，燒起來濃煙滾滾，十分嗆人。用于煉鐵，硫進入鋼鐵，也會使其變脆。至于其它行業如食品、釀酒業的生産，則更不可能使用煤。直到有人模仿木炭的生産，把煤在無氧下加熱生成焦炭，并發明了焦炭鼓風高爐，才解決了這一問題。
圖11 直到今天，焦炭依然是冶鐵的主要燃料。
圖12 煤礦區内，運煤車将煤運往各地。
圖13 淮南長壁煤礦，采煤機正在煤層上采煤。
随着煤的不斷開采，淺層煤挖空，煤礦也不斷向地下發展。越挖越深，一直挖到了地下水面。起初，人們隻能雇傭勞工來搬水，效率很低。1712年，托馬斯·紐科門（Thomas Newcomen）發明了蒸汽水泵用于抽水，解決了這一問題。1776年，詹姆斯·瓦特（James Watt）設計了一個冷凝裝置，大大提高了蒸汽機的效率。後來又有人設計了高壓蒸汽機，使得蒸汽機效率進一步提高。而為了運輸開采出來的煤，一個叫亨廷頓·比爾蒙特（Huntington Beaumont）的人于1604年發明了用鐵軌鋪成的馬車軌道，友善馬車運煤。後來，理查德·特裡維西克（Richard Trevithick）把一台瓦特蒸汽機安裝在了車頭上，火車就順利成章的誕生了。
圖14 由煤炭驅動的蒸汽火車，使得長距離、大承載量的運輸成為現實，大大加快人類文明的程序。
自兩百多年前的工業革命起，直到今天，煤仍是支撐我們生活的重要能源之一。截至2021年底，大陸的電力主要以煤電為主，火力發電量為57702.7億千瓦時，占總發電量的71.13%。
石油、天然氣
石油的興起，最早和照明的需求有關。木材和煤炭燒起來也會發光，但同時會産生多餘的熱量和煙氣。古人更喜歡用的是油燈，油燈多用動物脂肪制成，其中尤以鲸油最受人們歡迎。18-19世紀期間，捕鲸業高度發達，平均每年都有超過5萬頭鲸被捕殺，導緻鲸的數量大幅下降，幾近滅絕。一位名叫亞伯拉罕·蓋斯納的加拿大發明家發明了從瀝青中提取煤油的技術，才使得鲸免遭滅絕。同時，也帶動了石油産業的快速崛起。
圖15 煤油提煉技術的發明，使得石油的開采利用登上了曆史舞台。
圖16 夕陽下的油田，抽油機（俗稱磕頭機）正在運作，把“工業血液”從地下抽出。
早期的石油開采，主要以煤油生産為主，其它的成分大都當廢棄物處理掉了。後來，一個名叫約翰·洛克菲勒（John Rockefeller）的商人學會了如何把各種長度的碳鍊從石油中分離出來，并制成各類化工制品，石油化工行業誕生了。再後來，人類又發明了利用石油合成塑膠和人造纖維的方法，新材料的發明更給人類生活帶來了天翻地覆的變化。十九世紀末期，德國人發明了輕型内燃機，使用汽油作為燃料；1903年，亨利·福特成立了福特汽車公司，開發了全世界第一款面向普通群眾的廉價汽車Model T，燃油汽車遂成為主流，一直持續至今。
圖17 石油中分解出的不同碳鍊長度的物質及其用途。
圖18 煉油廠，油田開采的原油，在這裡經過一系列加工，生産為汽油、柴油、煤油、潤滑油、瀝青、乙烯等各種産品。
圖19 亨利·福特生産了世界上第一輛面向普通群眾的Model T汽車，從此開啟了家用燃油汽車的時代。
汽油、柴油的能量密度高，平均每千克汽油含有44MJ（百萬焦耳）的能量，是最優質燃煤的1.5倍。而截至目前，電池的最高能量密度也才剛剛突破200Wh/kg（1Wh=3600焦耳，即電池的能量密度約合72萬焦耳/千克）。是以，直到今天，石油仍占據着交通行業以及工業生産的大半，遠洋航運、航空航天、軍工國防、工業生産，都離不開石油。是以，石油也被譽為“工業血液”、“黑色黃金”。過去數十年，大國之間的利益競争，也多圍繞着這一能源展開。
近年來，随着石油需求量的不斷增加，以及淺層油氣資源不斷開采殆盡，人們開始向深海、深地進發，進行海上石油鑽井平台的建設、開采頁岩油氣、可燃冰等非正常油氣能源。同時，作為石油“副産物”的天然氣，具有品質輕、易傳輸的特點。而且，天然氣排碳量小，作為實作雙碳目标的過渡能源，也有着廣泛的應用。
圖20、21 位于海南南海的天然氣鑽井平台。落日熔熔，廣闊海面上的平台，向自然彰顯着人類的智慧。
圖22 2017年，大陸南海首次海域可燃冰試采成功，表明大陸可燃冰開采達到世界領先水準。可燃冰，是天然氣與水在高壓低溫下形成的一種物質。（圖檔來源：CNN）
電
比起木材、煤炭、石油等看得見摸得着的能源，電，更像是一個隐秘的精靈。嚴格來講，電并不是一種能源，而是能量的一種存在形式。人類無法從自然界中直接擷取電能，而需要通過一些技術手段，把其他形式的能量轉化為電能。
電池，是生産電能的第一個嘗試，它把儲存于特定材料中的化學能轉化為電能，但效率較低，難以大規模應用。1831年，英國科學家邁克爾·法拉第發現了電磁感應現象，證明了電能和動能可以在磁場中互相轉換。發電機和電動機，就基于這一原理工作。
圖23 法拉第（Faraday）發現了電磁感應現象，為電力的發展提供了理論基礎。
1880年，托馬斯·愛迪生發明了白熾燈，發光效率更高，使用也更安全。1882年，他分别在倫敦和紐約建成了世界上第一、第二座火力發電站，鋪設了電網，使得電燈走進了千家萬戶。此後，愛迪生相繼發明了電唱機、錄音機等一系列電器産品，帶領人類進入了一個全新的時代。
圖24 托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）發明了電燈，用電力給人類照亮了一條前進的路。
電力發展至今已過去一百多年，可以很确定的說，現在幾乎沒有人能夠離開電。電網已經滲透到了每一座城市的每一個角落，成為伴随人類生活的“忠實伴侶”。大多數的能源，都要轉化成電能的形式來被人類利用。為了降低二氧化碳排放，取代燃油汽車，近些年，新能源汽車産業蓬勃發展，将電力使用推向了一個新的高潮。
圖25 四通八達的電網，是人類建構的“能源高速公路”。支撐起人類的日常生活。
圖26 滇藏線雲南境内的西電東送線路，西部地區生産的電力，穿山越嶺，輸送到東部沿海城市，點亮萬家燈火。
圖27 一輛新能源汽車正在充電。近年來，随着氣候變暖的加劇、雙碳目标的提出，新能源汽車成為未來發展的一個方向。
光能、風能、水能、地熱能
随着世界人口的不斷增多，科技水準的不斷發展，能源需求也随之劇增。随着人們的不斷開采和利用，化石能源也面臨着枯竭的挑戰。目前人類能源消耗總量當中尚有80%以上來自煤、石油、天然氣等化石能源。而根據現在的使用狀況，石油已探明儲量隻夠人類再用53年，天然氣是48.8年，煤炭也隻有139年。同時，化石能源使用造成的環境污染、氣候變暖等問題也逐漸顯現，威脅着人類的生存。是以，尋找并發展可持續能源，成為人類必須要完成的任務。
太陽能是環保人士最為看好的新能源。太陽是地球生命的能量源頭，無論是我們日常吃的食物，還是使用的化石能源，本質上都是固定在化學物質中的太陽能。在世界上的任何地方，太陽總會東升西落。愛因斯坦發現的光電效應，為太陽能發電提供了理論基礎。上世紀50年代，第一塊太陽能闆在美國貝爾實驗室研制成功，但發展至今，其光電轉化效率依然是一個有待攻克的難題，平均隻有20%左右。
圖28 愛因斯坦提出了光具有量子性，解釋了光電效應，為光伏發電埋下了伏筆。1920年，他因這項成果獲得諾貝爾實體學獎，這也是他獲得的唯一的諾獎。
盡管光伏發電效率低，但對于國土廣闊的國家，尤其是中國來說，仍具有相當大的發展潛力。大陸的西北沙漠戈壁面積廣闊，光照強烈，是發展光伏産業的絕佳地區。
圖29、30 2018年12月28日，中國首個百兆瓦級熔鹽塔式光熱電站在甘肅敦煌并網投運。大片的光伏電闆，蔚為大觀。
圖31 位于青海格爾木的光伏産業園區，大片的太陽能發電闆，如同一片海洋。
此外，由于需要定時清洗發電闆，同時，發電闆遮擋了陽光，有助于土壤保持水分，一種新型的産業協作形式——光伏農業應運而生。
圖32、33 在光伏電闆的遮蔽下，牧草豐美，牛羊更肥。
光伏電闆固然優勢很多，但占地面積大，可能會對生态造成影響。與之相比，風力發電占地更少，對動物栖息、遷徙的影響也更小，是以也備受青睐。尤其在大陸的東部沿海地區，風力資源豐富，能源需求也大，建設海上風電場，是一個不錯的選擇。
圖34 位于大陸東部沿海某處的海上風力發電項目。
水往低處流，是一個亘古不變的規律。而水吸熱蒸發，則可以再回到高處，進而維持大江大河，奔騰不息。人類建設水電站的曆史可以追溯到1878年的英國，那時電力的應用還處在萌芽的狀态。而如今，大陸已相繼建成了一系列大型水利工程，其中尤以三峽為最。
圖35 三峽大壩，是世界上最大的水電站。
同時，大陸的地熱能開發，也值得關注。大陸溫泉衆多，尤其在大陸南部以及青藏高原地區分布最為廣泛。通過開發來自地下的滾滾熱流，不僅可以代替煤炭用于供暖、洗浴等，還可以用于發電。即使沒有地下熱泉，僅僅利用地下的熱量，即“幹熱岩”，也可以實作相同的效果。目前，這方面的研究工作，正在持續進行中。
圖36 地下深度越深，溫度越高，平均每下降1000米，溫度提高25℃。向地下注入冷水，抽回熱水，經過換熱站提取熱量，可用于供暖、洗浴、發電等用途。
無論是太陽能、風能、還是水力、地熱，都或多或少的受到時間和地域的限制。電力有一個特點，就是必須即發即用。是以，這些新能源的發電方式，常常面臨用電時沒電可用，用電少時發出的電，又被很可惜的浪費掉了。而想要解決這一問題，就必須依賴于儲能技術的進步。
氫能
氫能，是目前最有前景的儲能方式之一。其制備簡單，隻需要電解水，就可以制出純淨的氫氣，有效的解決了各類新能源發電的時空分布不協調的問題。氫氣燃燒後沒有任何副産物，隻産生水，是名符其實的清潔能源。而且，相比于電池，氫氣在低溫環境下的表現更好，品質更輕，能量密度也更大。
但在目前，氫氣儲能面臨着衆多挑戰。一方面，氫氣易燃易爆，對于儲存有着很高的要求。國内常見的35兆帕儲氫罐重達100多公斤，卻隻能存儲5公斤的氫氣。另一方面，氫燃料電池生産工藝十分複雜，技術難度大，成本高，造成了氫能發展的滞後。
圖37 日本豐田汽車公司于2015年推出的燃料汽車上的儲氫罐，罐壁十分厚重。
（圖檔來源：https://www.autoevolution.com/news/toyota-fcv-hydrogen-tanks-are-bulletproof-74977.html）
然而，盡管氫能的起步晚，技術難度大，但仍是未來極有前景一個方向。大陸是全球第一大産氫國，産量約占全球的一半。很多儲氫相關的技術，也處于世界一流水準。随着雙碳目标的提出，二氧化碳減排成為必然，而氫能正是最理想的能源。在未來，氫氣不僅可以用于燃料電池、氫能汽車等，更在航空航天、遠洋航運等多個産業有廣闊的前景。
圖38 2020年1月16日，東京瓦斯公司與日本氫站網絡有限責任公司共同建設的“Toyuso”加氫站正式投入營運。
（圖檔來源：https://auto. hindustantimes. com/ auto/ news/ forget-electric-power-green-hydrogen-may-fuel-vehicles-in-the-years-ahead-41588999347875.html）
圖39 2018年，全球第一艘以氫氣推動的遊艇“能源監察者号”（Energy Observer）正式啟用。
（圖檔來源：https://esdw.eu/events/energy-observer-ship-in-helsinki/）
核能
如果有一種能源，可以作為人類能源的終極形式的話，那一定是核能。核能是自然界能量密度最大的能源形式，1克鈾-235裂變後釋放出的能量相當于2.7噸标準煤。然而，能量越大，危險也越大。提起核能，大多數人的聯想，恐怕都會是核武器以及曆史上的幾次核電站事故。
圖40 1986年4月26日，蘇聯切爾諾貝利核電站發生爆炸事故，事故造成數千人患上輻射病，十幾萬人被迫離開家園。
人類的很多進步，往往都是建立在慘痛的經驗教訓上的。核裂變核電站發展至今已逾七十年，安全性已經比一開始提升了成百上千倍，且往往在建設中趨于保守，使其具有較高的安全性。随着環境污染、空氣變暖等問題越來越嚴重，諸多曾經反對核電的環保主義者也開始轉變态度。
圖41 高聳的核電站冷卻塔。現在，随着核能的不斷發展，大衆對核能利用的接受度越來越高。
比起核裂變，核聚變則是核能利用的終極目标。核裂變使用的鈾-235，儲量有限，而核聚變的材料則幾乎遍地都是。然而，核聚變要遠比核裂變發電難以控制的多。從第一顆原子彈的爆炸到第一座核裂變電站的誕生，隻用了五年的時間。而第一顆氫彈在1951年爆炸，一直到今天，人們依然沒有掌握控制核聚變反應的方法。
核聚變反應需要極高的溫度和壓力，科學家們經過幾十年的探索，設計出了一種名為“托卡馬克”（Tokamak）的裝置，通過一圈圈的環形線圈，利用磁性來限制發生聚變反應的等離子體，以營造核聚變反應所需要的條件。想要實作核聚變發電，必須要使得輸出的能量大于輸入的能量，而這兩者的比值被稱為“聚變能增益系數”，用Q表示。隻有Q＞1，才能實作發電，Q＞5，才具有商業價值。在過去七八十年的探索中，Q值已經從不到0.0001增加到了1左右，成就顯著。
圖42 托卡馬克（Tokamak）裝置概念圖
理論上講，托卡馬克（Tokamak）裝置做的越大，Q值就越大。實作這一目标，需要全世界科學家的通力合作。2007年，中印日韓美俄以及歐盟七個成員發表了一份聯合宣言，決定在法國南部的卡達拉舍（Cadarache）建造一個世界最大的國際熱核聚變實驗堆（ITER），用于研究核聚變發電的可能性。這一項目是繼國際空間站之後科學界規模最大的一次國際合作，項目預算由一開始的100億美元一路飙升到目前的250億美元。項目計劃2025年放電，2035年實作核聚變。由此可以看出，實作能源的可持續發展，是全世界所面對的共同任務和挑戰。
圖43 國際熱核聚變實驗堆（ITER）的托卡馬克裝置正在建設中。
此外，大陸也建設了相關的實驗裝置，取得了光輝成就：2021年12月30日，中國科學院在合肥建造的“東方超環”EAST核聚變反應堆，創造了7000萬℃1056秒的高溫等離子體放電時長的世界記錄。
圖44 位于中國合肥的“東方超環”（EAST）核聚變反應堆，也是用于探究核聚變反應的大科學裝置。
（圖檔來源：https://tekhdecoded.com/chinas-artificial-sun-sets-new-world-record-of-120-million-degrees-c-getting-closer-to-nuclear-fusion/）
結語
人類的文明發展，幾乎總是伴随着能源的革命。而人類生活水準的提高，也與能源消耗成正比。人類從未停止過對能源效率和能量密度的追求，也從未停止過對美好生活的向往。利用能源，我們可以在有限的土地上種植更多的糧食、蔬菜，實作更高效的交通，擁有更便捷的生活方式，更豐富的娛樂。如今的時代，一個普普通通的人一天的能源消耗，可能已是原始人幾世都難以企及的。
思考一下，如果沒有能源，你的生活會怎樣？
而随着科技的不斷發展，“5G”、“人工智能”、“物聯網”、“區塊鍊”等新概念的提出與實作，對能源也提出了更高的要求。以比特币為例，其2021年的總耗電量達2000億千瓦時，如果把這一行業比作一個國家，其耗電量可以位居全球第25位。每交易一次，就會消耗大約2300千瓦時的電力，足夠一個三口之家一年的使用。這也是大陸之是以禁采比特币的原因之一。
圖45 人工智能的代表“Alpha Go”，其功率高達100萬瓦，而與其對戰的人腦僅為20瓦左右。未來生活的能源消耗，可見一斑。
（圖檔來源：https://www.thestandard.com.hk/section-news/fc/1/170880/Modest-steps-spark-keen-interest-in-AI）
過去，人類在實作能源自由的道路上邁出了堅實的一步又一步。但是，在我們歌頌人類的智慧和偉大成就的同時，也一定不要驕傲自滿，不要忘記了我們所擁有的一切的來源——我們的地球母親。我們隻有充分的珍惜她，呵護她，才能長久的享有生活的幸福與快樂。
（注：未經标注的圖檔，均來自于圖蟲創意。）
參考資料
袁越.未來的能源[J].三聯生活周刊第1175期,2022
袁越.人類能源簡史[J].三聯生活周刊第1175期,2022
袁越.可再生能源的未來[J].三聯生活周刊第1175期,2022
袁越.電氫之戰[J].三聯生活周刊第1175期,2022
袁越.核能，人類的終極能源[J].三聯生活周刊第1175期,2022
美編：王皖豫
校對：李玉钤、趙娜