引入
能量守恒，为什么还会“能源危机”？
为什么电动车被称为“新能源”，电不也是烧煤来的吗？
为什么同样一吨煤，用来发电和直接取暖，能做的事不一样？
“能源”不是一个精确的物理量，而是一个工程概念：指人类能大规模获取并转化为可用形式的能量来源。理解它需要把能量守恒、能量品质和转化效率放在一起看。
正文
定义
能源是人类可以直接或经转换后获取，用于提供能量服务的自然资源。
能源的分类
| 分类依据 | 类型 | 例子 |
|---|---|---|
| 是否可再生 | 可再生 | 太阳能、风能、水能、生物质能 |
| 不可再生 | 煤、石油、天然气、核燃料 | |
| 是否需加工 | 一次能源 | 煤、原油、天然气、铀 |
| 二次能源 | 电力、汽油、氢气 | |
| 利用历史 | 常规能源 | 煤、石油、水能 |
| 新能源 | 太阳能、风能、地热、潮汐 |
“新能源”的“新”是相对的。风能、太阳能本身很古老，只是大规模利用技术较新。
能量品质
能量守恒，但不同形式的能量“可利用程度”不同：
| 能量形式 | 可转化为功的比例 | 品质 |
|---|---|---|
| 机械能、电能 | 理论上可 100% | 高 |
| 高温热能 | 受卡诺效率限制 | 中 |
| 低温热能 | 几乎不能 | 低 |
这解释了为什么“能源危机”的实质是高品质能源的减少，而不是能量总量的减少。见热力学第二定律中的能量退化。
化石能源的问题
| 问题 | 说明 |
|---|---|
| 储量有限 | 形成需要数百万年，消耗速度远快于再生 |
| 碳排放 | 燃烧产生 ，是温室气体主要来源 |
| 污染 | 产生 、、颗粒物 |
| 分布不均 | 引发能源安全和地缘政治问题 |
可再生能源
| 类型 | 原理 | 优点 | 局限 |
|---|---|---|---|
| 太阳能 | 光伏效应、光热转换 | 清洁、分布广 | 间歇性、占地大 |
| 风能 | 风力带动发电机 | 成本下降快 | 不稳定、噪声 |
| 水能 | 水位差驱动水轮机 | 调节能力强 | 生态影响、选址受限 |
| 地热 | 地热蒸汽发电 | 稳定 | 地域限制 |
| 生物质 | 燃烧或发酵 | 可储存 | 与粮食争地 |
间歇性是太阳能和风能的核心难题，需要储能技术配合。
储能技术
| 方式 | 原理 | 适用 |
|---|---|---|
| 抽水蓄能 | 电能转化为水的重力势能 | 大规模、长时间 |
| 电池储能 | 化学能 ↔ 电能 | 分布式、快速响应 |
| 飞轮储能 | 电能 ↔ 转动动能 | 短时、高频次 |
| 氢能 | 电解水制氢，再发电 | 长周期、跨季节 |
飞轮储能的原理见刚体转动中的转动动能。
效率与节能
| 环节 | 典型效率 |
|---|---|
| 燃煤发电 | 35–45% |
| 输电 | 92–97% |
| 电动机 | 85–95% |
| 内燃机 | 25–40% |
| LED 照明 | 40–50%（其余为热） |
全链条效率是各环节效率的乘积。提高任何一个环节都有价值，但最有效的往往是减少不必要的消耗。
节能优先的物理依据：节省 1 度电，等于少烧约 0.3 kg 标准煤，也等于少排放约 0.8 kg 。
可持续发展的三个维度
| 维度 | 关注点 |
|---|---|
| 环境 | 碳排放、污染、生态 |
| 经济 | 成本、就业、产业 |
| 社会 | 公平、能源可及性 |
三者需要平衡。只追求环境目标而忽略经济可行性，政策难以持续；只追求经济而忽略环境，代价会转移给后代。
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| “能量守恒，所以能源不会枯竭” | 守恒的是总量，不是可用能 |
| “电动车零排放” | 取决于电力来源 |
| “核能不是清洁能源” | 运行阶段几乎无碳排放，问题在废物处理 |
| “新能源一定更便宜” | 取决于资源条件、储能和电网配套 |
引出
为什么储能在高比例可再生能源电网中变得关键？
氢能作为二次能源，转化链条中的能量损失有多大？
核聚变如果实现，会如何改变能源格局？见核裂变与核聚变。