能源科技创新推动人类新文明

1、能源科技创新推动人类新文明 大工讲堂能源科技创新推动人类新文明目 录一、能源及其作用二、能源创新与人类文明的发展三、能量的基本原理与外延四、能源面临的挑战未来之问五、颠覆性能源科技与新文明曙光六、青年才俊的历史责任 目 录一、能源及其作用二、能源创新与人类文明的发展三、能量的基本原理与外延四、能源面临的挑战与未来之问五、颠覆性能源科技与新文明曙光六、青年才俊的历史责任 我们的时代-激动人心、生机勃勃 互联网、化学、核科学、宇宙学、新材料、引力波蓬勃发展，在智能手机上上网、查资料、看电影人类对自然界的认识达到了前所未有的高度，可是我们向前发展所需的能源之路却很迷茫 我们正好处于一个依靠燃烧石油、

2、天然气、煤炭的后化石能源时代、与新能源可能占主流的未来时代，一个从后工业时代向信息时代、智能时代的转变，从工业文明向生态文明和超智能文明的转变。是什么推动人类文明的进化？ 哲学之问：谁，来源，去向？新能源是否可以代替现有能源？其可靠性能否保证人类未来的需求，我们需要做些什么？ 一、能源及其作用 1.1 能源的定义 我是谁？ 1.2 能源的来源 1.3 能源的分类 1.4 能源的作用一、能源及其作用1.1 能源的定义 能源是指自然界中可以释放出某种形式的能量的自然资源，可以直接或转换为人类生产与生活提供能量与动力；是人类生存和文明发展的最重要的物质资源。1.2 能源的来源：来自于太阳的能源：太阳

3、辐射能（目前人类所适用的能源绝大部分来源于太阳能，光合作用，化石燃料能源（煤炭、石油、天然气、可燃冰）、生物质能源、风能、水能、海洋波浪能/温差能）（电磁力）来自于地球本身蕴藏的能源：地热能（5000）（万有引力），核能核裂变与核聚变（强核力、弱核力）来自于地球与其它星球相互作用的能源：引力能（潮汐能）万有引力一、能源及其作用1.3 能源的分类：按照有无加工转化：一次能源， 二次能源按照是否可再生： 可再生能源， 不可再生能源按照是否环保： 清洁能源， 非清洁能源按照技术成熟性分：常规能源， 新能源一、能源及其作用1.3 能源的分类：按照形态分：固体燃料（煤炭、焦炭），液体燃料（石油、成品油、

4、酒精等），气体燃料（天然气、煤气、沼气），电能，水能，太阳能，风能，地热能，生物质能，海洋能，核能（核裂变与核聚变） 已经被人类认识、开发利用的能源种类非常多：柴草、秸杆、木材、沼气、木炭，这些能源统称为生物能源。煤炭、石油、天然气以及由它们加工而成的许多产品，如焦炭、汽油、煤油、液化石油气统称为化石燃料能源或矿物燃料能源。它是当前人类社会主体能源。太阳辐射能、风能、海洋能、潮汐能、地热能和核能等很有开发利用价值目前由于经济、技术等方面原因，多数仍处在研究和开发利用初期，称之为新能源。一、能源及其作用 1.4 能源的作用 能源存在于自然界中，并随着人类智力的发展而不断地被发现和开发利用。每一种

5、新能源的发现和利用，又强有力地推动了人类文明的发展，因此能源的变迁史同人类社会文明发展史紧紧联系在一起的。没有太阳哪来的粮食，没有煤炭哪来的钢铁；在现代的一切(人类）经济活动中，能源是压倒一切的问题！一、能源及其作用1.4 能源的作用作为人类社会赖以生存的三大资源：能源、物质和信息总是在互洽中共同演进。能源的先发性变革，往往会带来物质的制造、转化、运输和信息的获取、处理、传输的重大革新。世界文明发展历史表明，唯有引领世界能源技术创新，才可能推动人类文明发展，实现大国崛起。能源是人类社会发展的动力，它推动并困扰着人类文明继续向前发展。如果能源之火熄灭，世界的繁华和文明将不复存在！二、能源创新与人

6、类文明的发展 2.1 钻木取火与农业文明 2.2 蒸汽机与工业文明 2.3 低碳经济与生态文明 2.4 信息爆炸与智能文明我从哪来？二、能源创新与人类文明的发展人类文明到达现今这个程度很不容易：四十五亿年前，地球形成；三十亿年前，原始海洋中出现了第一个可复制自身的有机分子（单细胞生物）；三亿年前，动物从海洋登陆；三百万年前，古猿人笨拙的走下树木，靠着双腿蹒跚向前；三万年前，原始人类开始用火，尝试着播种，尝试着把太阳能固定下来；三百年前，牛顿第一次系统的描述科学，瓦特准备改进蒸汽机。二、能源创新与人类文明的发展能源革命： 人类历史上关于能源的开发和利用方式上的重大创新导致了人类文明的进步。三次能

7、源革命-科技创新的标志：第一次能源革命：钻木取火第二次能源革命：蒸汽机的发明（煤的利用）第三次能源革命：石油、内燃机、电力、核能的利用人类文明狩猎文明农业文明工业文明（后工业文明，生态文明）未来新文明新智能文明人类祖先原始人的生活采集与狩猎文明地球上原始人类出现以来，一段非常漫长的时期（三百万年），人类完全靠采集野生果实、植物、捕获野生动物、鱼类、依赖自然界太阳的光热能维持生存和繁衍。二、能源创新与人类文明的发展2.1 钻木取火与农业文明（化学能热能）钻木取火是人类在能量利用方面最早的一次科技创新。从利用自然火到利用人工火的转变，导致了以柴薪作为主要能源的时代的到来，这就是人类的第一次能源革命

8、。火的发现和利用是 人类有意识利用 能源的开始，也 是人类文明的起源。“刀耕火种”原始农业采集野生果实“刀耕火种”原始农业火的发现与使用第一次能源革命部落的社会化发明文字 火的发现和利用是人类有意识利用能源的开始。也是人类文化的起源。原始冶金金属时代石器时代铜器时代铁器时代手工业烧制陶器冶炼金属文明社会的发展火还促使人类进入金属时代。人类发现天然金属熔化，从此就不再敲磨石块而开始冶炼金属，由石器时代进入铜器时代，然后是铁器时代。二、能源创新与人类文明的发展2.2 蒸汽机的发明与工业文明“木材危机” ： 随着文明发展，生产力的提高，人口增多，对木材需求出现了供不应求的局面。欧洲曾是世界工业最发达

9、的地区。早在16世纪文艺复兴时期，由于农业、手工业、商业、远航贸易的发展增加了木材的砍伐量，引起森林滥恳滥伐。到16世纪后期，在英国在整个欧洲，作为主要热能来源的木材奇缺，供不应求，价格暴涨。16世纪发生于欧洲的“木材危机”迫使人们用煤代替木材作为主要能源。 为什么没有将煤炭的开发利用作为第二次能源革命的标识？二、能源创新与人类文明的发展2.2.1 蒸汽机与第一次工业革命（化学能热能-机械能）第二次能源革命：蒸汽机、纺织机和内燃机的发明与使用 第一次工业革命：蒸汽化 取代了风车和马车 使人类对客观世界的认识发生了巨大飞跃，改造世界的能力发生了革命性变更。1750年到1850年发生的第一次工业革

10、命，导致煤成为新能源得到广泛应用，纺织机、蒸汽机、有线通讯和无机化工材料、高炉炼钢技术、火车、蒸汽船等相继问世，开辟了科技进步和产业革新的新时代。蒸汽机与第一次工业革命（化学能热能-机械能）伟大！1784年，瓦特的蒸汽机已装上曲轴、飞轮，活塞可以靠从两边进来的蒸汽连续推动，再不用人力去调节活门，世界上第一台真正的蒸汽机诞生了。瓦特改进蒸汽机梅多可利发明的机车模型第一次工业革命（社会化大生产)交通运输富尔顿“克莱蒙特”号在哈得孙河上史蒂芬孙的蒸汽机车第一次工业革命（社会化大生产）采矿与炼钢纺织第一次工业革命（学科大发展）18世纪第一次工业革命以来促进了学科大发展牛顿经典力学万有引力、三大定律 牛

11、顿的苹果热力学与动力学能量守恒与转换定律机械工程：蒸汽机、纺织机、采矿机械、机车、汽船流体力学：欧拉方程、伯努利方程、纳维-斯托克斯方程控制工程：蒸汽机转速和气门的反馈控制（飞轮、离心摆）电磁学：富兰克林电、法拉第电磁感应、麦克斯韦电磁方程 生物学：施莱登和施旺的细胞学、达尔文进化论化学：门捷列夫化学元素周期率原子科学：居里夫人伦琴射线 后来的爱因斯坦相对论二、能源创新与人类文明的发展2.2.2 石油和电力与第二次工业革命（化学能热能-机械能）第三次能源革命：是石油、电力技术和燃气轮机技术的 发明与使用第二次工业革命: 电气化 法拉第、 爱迪生、贝尔 从1850年到第二次世界大战前夕，第二次工

12、业革命使得石油和电力成为新的能源，发动机、内燃机、汽车、飞机、转炉炼钢、有机化工材料、电话及无线电通讯，成为经济发展和社会发展的强大驱动力。石油的利用与第二次工业革命二、能源创新与人类文明的发展2.2.3 核能利用与 第三次工业革命第3.5次能源革命：是核能技术和信息技术的发明与使用第三次工业革命: 自动化从第二次世界大战到20世纪八十年代，发生了第三次工业革命，原子能等新能源脱颖而出，计算机、集成电路、光纤通讯、基因工程、自动化技术、柔性加工系统，使世界科学技术发生了能级飞跃，产业结构发生了深刻变革。我国错过了两次工业革命，但抓住了第三次工业革命的尾巴！核能的可控利用相对论 量子力学核能利用

13、的理论基础：质能方程揭开“上帝”造物密码的一角。薛定谔量子波动方程上帝掌控微观世界运动运动规律的一角。牛顿万有引力方程揭开上帝掌控宏观世界运动规律的一角。核能利用的原理核裂变 与核聚变核裂变及其利用核电与核爆核裂变及其利用核电与核爆 技术双刃剑二、能源创新与人类文明的发展2.2.4 新能源与四次能源革命（新能源与新智能革命）准第四次能源革命：利用互联网技术把分散在五大洲的能效技术、新能源技术、分布式能源技术、储能技术等有机的结合起来 解决化石能源形成的环境污染和气 候变化问题， 构筑清洁和低碳能源的新世界，人类开始进入低碳经济和生态文明的新时代。 第四次工业革命：智能化20世纪八十年代以来，新

14、科技革命正推动第四次产业革命浪潮的涌动和冲击，当代科学的前沿阵地孕育着新的重大突破，新能源技术、微电子技术、信息技术、生物技术、新材料技术、空间技术、海洋技术、人类生命科学技术和载人航天技术等高新技术产业群体迅速崛起，正在蕴育新的智能革命。学习世界史，可以清楚认识到能源科技革命是人类文明进步的根本动力。高科技作为新时期历史的火车头，成为推进未来经济增长、社会发展和文明进步的有力杠杆。科技的发展必须有新的能源技术作为支撑。二、能源创新与人类文明的发展 2.3 低碳经济与生态文明研究生态文明，首先要研究文明和支撑文明的环境的关系。 用生态文化构建生态文明，既要建设物质生态文明，也要建设精神生态文明

15、，更要建设政治生态文明。农业文明是“黄色文明”,工业文明是 “黑色文明”,生态文明是“绿色文明”。拯救地球还是拯救人类?生态文明黑色文明二、能源创新与人类文明的发展2.3 低碳经济与生态文明目前，资源减少和环境恶化，人类的生存与 发展遇到了历史上前所未有的巨大挑战。 大气圈内有毒气体的积累会扼杀人类的未来。生态环境所带来的一系列变化，促使人们对 环境问题产生新的伦理学方面的思考,并全面审视人类与自然的关系。人类的发展历 史表明,人类文明的每一步发展和演变,都与自然生态系统的变化息息相关。生态文明与可持续发展 世界工业化的发展使征服自然的文化达到极致， 一系列全球性生态危机说明地球再没能力支持工

16、业文明的继续发展，需要开创一个新的文明形态 来延续人类的生存，这就是生态文明。二、能源创新与人类文明的发展2.3 低碳经济与生态文明生态文明是人类与自然将实现协调发展的社会系统。生态文明是“社会记忆”中第四阶段的文明，是建筑在知识、教育和科技高度发达基础上的文明，强调自然界是人类生存与发展的基石，明确人类社会必须在生态基础上与自然界发生相互作用、共同发展， 人类的经济社会才能持续发展。生态文明不再是纯粹的发展系统，而是人类与生存环境的共同进化、和谐发展的社会系统。生态文明也就涵括人类以前一切文明成果，其理论与实践基础直接建立在工业文明之上，是对工业文明以牺牲环境为代价获取经济效益进行反思的结果

17、，是传统工业文明发展观向现代生态文明发展观的深刻变革。2.4 信息爆炸与智能文明受控核聚变技术革命与电力技术、量子信息科技等领域重大科技创新的结合，可能带来第四次世界科技革命和世界新工业革命。其中，第四次世界科技革命将主要集中在能源、电力、量子调控与信息、材料、仿生技术等领域。新工业革命将主要表现为能源结构多元化、组织形态网络化、生产系统智能化、产品制造个性化。 信息技术与新智能文明时代人类社会经历了五千多年的农业文明时代，又经历了三百多年的工业文明时代。那么，未来将向什么新文明时代演进呢?这种新文明的挑战究竟有多大，大到要彻底颠覆自人类诞生以来的所有的文明的存在方式。2.4 信息爆炸与智能文

18、明 三次信息大爆炸 使人类从野兽中脱颖而出，攀登到食物链顶端的三件大事第一次信息爆炸： 火的使用：火，把人类从一片混沌中带领了出来，有动物变成了人。之后的人类，可以用火创造出来一个人工自然，另一套负熵循环，也就是文明的前身。 火时代持续几万年 文字的发明：学会用火之后，捣鼓出来了一堆陶器青铜器之类的新鲜东西，导致信息爆炸。为了存储这些信息，那么就得发明文字、印刷术、造纸，来储存管理这些信息。这是第一次信息爆炸。 文字被发明出来，人类便开始进入了文明社会。 人类智能的本质：使用火来发起了第二套负熵循环体系，即在自然界以太阳光为驱动的光合作用生物炭循环之外，另建了一套负熵循环体系（人工环境）。农耕

19、文明造成了信息爆炸，信息爆炸又促进了人类大脑处理信息能力上的升级。2.4 信息爆炸与智能文明 三次信息大爆炸 第二次的信息爆炸 从蒸汽机到电脑的发明。工业化革命(蒸汽化、电气化、自动化）之后，人类又瞎捣鼓出来了层出不穷的新玩意，信息再一次爆炸，电脑被发明了出来。这是第二次的信息爆炸。 硅时代到来 电脑被发明出来之后的信息革命，人类进入了信息化。人类大脑进化太慢（脑容量太大，出生困难） 大脑容量进化跟不上信息的指数增长，必须有外存储器电脑与网络的存储处理器。2.4 信息爆炸与智能文明 第三次信息爆炸： 电脑被发明出来之后的网络和信息革命，人类进入了信息化，造成了第三次的信息大爆炸。这次爆炸，比前

20、两次都要剧烈。这次信息爆炸，将会催生出来一种新的技术革命新智能。 新智能将是以大数据为能源，创立地球上的第三套负熵循环体系，信息熵的负熵循环。现在万事俱备，只在等待那一把火的到来。 智能文明，对于人类的意义，如同再一次学会了使用火。推开这扇门，会打开另一个完全不一样的世界。三、能量的基本原理与外延 3.1 能源与光合作用 3.2 热力学第一定律与效率革命 3.3 热力学第二定律与人工负熵循环 3.4 第二套人工负熵循环信息熵的负熵循环 3.5 能源变迁与人类文明发展 宇宙真理是什么？3.1 能源与光合作用能源：直接或通过转换提供人类所需的有用能量的资源。化石燃料，核、太阳能、风 水流、海浪、潮

21、汐、地热 为一次能源；二次能源、可再生能源。多数能源直接或间接来源于太阳（光合作用）。光合作用：自然界一种负熵过程阳光，水，二氧化碳，叶绿体，通过光合作用合成淀粉，这里面改变的又是什么呢。本质上改变的，是信息结构的复杂性程度不同。砂子和芯片的区别，也是如此。由光合作用 植物 淀粉 蛋白质 生物 动物节约能源，实际上就是提高能量转换的经济性指标。这就需要对能量转换系统中的能量转换规律进行分析，热力学第一定律和热力学第二定律就是能量转换所遵循的最基本的规律。 3.2 热力学第一定律与效率革命 热力学第一定律即能量守恒定律：能量是物质运动的量度，当任何一种形式的能量被转移或转化为另一种形式的能量时，

22、数量不变。热力学第一定律分析法是以热力学第一定律为基础进行系统的能量平衡计算和用能分析，该方法应用广泛，主要利用热效率指标来进行评价，指出能量在“量”的方面的利用情况和损失所在，以及能量在“量”方面的节能潜力，为提高能量的利用效率指出改进措施。 3.2 热力学第一定律与效率革命案例分析 由锅炉用能平衡图可以看出，尽管进入体系的总能量等于体系输出的总能量，但体系（燃烧过程）没有将所有的输入能量转移到人们感兴趣的蒸汽体系中去，这部分能量仅占总输入能的73.2%。 通过能量平衡分析，指明了节能方向。尽管采取了空气预热器等节能措施，但烟气还是带走了17.2%的能量，为目前状态下损失能量的最大部分。锅炉

23、用能平衡图能量损失主体 3.2 热力学第一定律与效率革命效率的普遍意义： 如何提高热机的热能利用率（热效率） 由于热能转换为机械能的有效利用程度（即热机的热效率）较低，早期蒸汽机的热效率只有12，现代燃气轮机装置的热效率大约只有3742，蒸汽电站的热效率也只有40左右。因此，如何更有效地实现热能和机械能之间的转换，提高热机的热效率，是十分重要的课题。 锅炉汽轮机冷凝器水泵冷却水过热蒸汽乏汽循环水发电机高温热源吸热Q1热机作功W机械能放热Q2低温热源热效率 一般而言，能量转换效率是指一个能源转换设备所输出可利用的能量，相对其输入能量的比值。以热效率而言，输入的能量 是热量或所消耗燃料中含有的燃烧

24、热，希望输出的能量是机械功 ，或是有用热，或是希望两者都输出。由于输入的能量一般都会有其对应的成本，热效率可以用以下的方式定义 3.2 热力学第一定律与效率革命锅炉热效率按下式计算： 有效输出热量/输入热量100锅炉输入热量燃料消耗量（kg/s）进入锅炉燃料低位发热量(kJ/kg)锅炉输出的热量锅炉蒸发量（过热蒸汽比焓锅炉给水比焓）电站发电效率？换热器效率？制冷机或热泵效率？ 用COP表示 3.2 热力学第一定律与效率革命效率的普遍意义 技术的 价值取向 信息爆炸与效率革命是驱动社会发展和文明进步的主要因素 信息大爆炸（三次）：人造物增加，信息结构的复杂程度越来越高：光合作用与生物，火与陶器青

25、铜，甲骨文与语言文字，耕种 手工与大工业， 沙子与硅，细胞与大脑；电脑与新智能。 效率增长或进化是经济增长、产业扩张、社会发展的的本质：失业与就业，金钱存银行与金融投资土地闲置与耕种、建房、开发 哪个效率高？投资夕阳产业与朝阳产业投资老经济体（欧洲）与新兴经济体效率革命驱动 社会发展和 经济增长；效率革命驱动的实质是 对人类的生存更有价值的行为取向。文明的进步，部落或民族生存下来、经济的发展、产业扩张. 靠的是 效率3.3 热力学第二定律与负熵循环热力学第二定律：当任何一种形式的能量被转移或转化为另一种形式的能量时，其品位只可能降低或贬值，绝不可能提高。这样能量在数量的守恒性和质量上的贬值性，

26、就构成了能量的全面本性。 过程的不可逆性造成能量的贬值。克劳修斯说法：自发从低温向高温传热 开尔文：单一热源吸热全部做功 （第二类永动机）热力学第二定律分析法以热力学第二定律为依据。热力学第二定律是对自然界各种自发过程的不可逆性或者方向性的总结，阐明了能量在“质”上是有差异的，不同形式的能量间的转换存在“不等价”现象。能量=火用+火无卡诺定理，卡诺循环熵无序度的量度， 熵增原理 dS0 （孤立系统）3.3 热力学第二定律与负熵循环熵无序度的量度 不可逆性 有序 自发向 无序熵增原理 dS0 孤立系中 熵不减少热力学第二定律是对自然界各种自发过程的或者方向性的总结，阐明了能量在“质”上是有差异的

27、，不同形式的能量间的转换存在“不等价”现象。热寂说 热力学第二定律推广到宇宙；不是孤立系 熵可以减少：光合作用：自然界的第一套负熵循环体系火的使用：创造人工自然（陶器 青铜）第二套负熵循环，生物链顶电脑新智能：信息熵的负熵循环。智能的本质 在自然界阳光驱动的生物碳循环之外 另建立了一套负熵循环。进化/发展：有序 复杂程度越来越高 细胞到大脑，部落到国家，农耕到大工业人类一切活动的目的：熵减少(有序，结构复杂)3.3 热力学第二定律与负熵循环 三次信息大爆炸与三套负熵循环第一套负熵循环光合作用（自然界的负熵碳循环）光合作用：自然界一种负熵过程植物 淀粉 蛋白质 生物 动物阳光，水，二氧化碳，叶绿

28、体，通过光合作用合成淀粉，这里面改变的又是什么呢？本质上改变的，是信息结构的复杂性程度不同，是熵减小的过程。光合作用是自然界以太阳光为驱动的生物炭循环3.3 热力学第二定律与负熵循环 三次信息大爆炸与三套负熵循环第一套负熵循环光合作用（自然界的负熵碳循环）光合作用：自然界一种负熵过程植物 淀粉 蛋白质 生物 动物阳光，水，二氧化碳，叶绿体，通过光合作用合成淀粉，这里面改变的又是什么呢？本质上改变的，是信息结构的复杂性程度不同，是熵减小的过程。光合作用是自然界以太阳光为驱动的生物炭循环北大生物学教授饶毅说过： 从物理学来说，无机的原子逆热力学第二定律出现生物是宇宙的奇迹！ 从生物学上来说。按进化

29、规律产生遗传信息指导组装人类是奇迹！ 一百年后，你所含全部原子再度按热力学第二定律回归自然。最后我们都逃不掉热力学第二定律！ 3.3 热力学第二定律与负熵循环 三次信息大爆炸与三套负熵循环第二套负熵循环人类用火创造出来一个人工自然负熵循环当人类把火，木材，空气，黏土，石头放在一起，烧制出来陶器，冶炼出来金属的时候，一种类似于光合作用的神奇变化出现了，负熵。当人类学会使用火，可以从大自然中源源不断有意识的以化合形式提取负熵后，便宣告人类已经站上了生物链的顶端。人类学会了使用火，发明了独立于生物碳循环之外的以能源驱动的第二套负熵循环，这时候，一些大自然中本来不存在的器物出现了，是人类制造了它们。驯

30、化动物，培育植物，发展农耕业，金属冶炼和手工业，人类的经济活动，越来越复杂，分工越来越细化，新的文明出现了。人类智能的本质，是在在自然界以太阳光为驱动的生物炭循环之外，另建了一套以能源为驱动力创造出人工自然的负熵循环体系。也就是文明的前身。3.4 信息大爆炸与信息熵的负熵循环 三次信息大爆炸与三套负熵循环第三套负熵循环信息熵的负熵循环 工业革命之后，人类又瞎捣鼓出来了层出不穷的新玩意，信息再一次爆炸，电脑被发明了出来。这是第二次的信息爆炸。 电脑被发明出来之后，人类进入了信息化，造成了第三次的信息大爆炸，这次爆炸，比前两次（火与文字，蒸汽机与工业革命）都要剧烈。这次信息爆炸，将会催生出来一种新

31、的大数据技术革命新智能。 新智能将以大数据为能源，创立地球上的第三套负熵循环体系，信息熵的负熵循环，现在万事俱备，只在等待那一把火的到来。3.5 能源变迁与人类文明发展一是从被动到主动我们对能源的利用，最早是以“靠天吃饭”的方式被动获取。即采集植物和狩猎动物以获取它们本身含有的能量。后来，通过认识和利用火，包括引用自然火种和钻木取火，人们对能源的利用从被动逐渐转为有意识的主动。再后来，随着技术的不断进步，能源利用逐渐主动转移到煤炭和石油，乃至之后的核能、太阳能、风能、水能等新的能源形式上。二是从发现到发明人类从用火山和闪电留下来的火种取火，到掌握钻木取火历经的时间数以万年。而从 1820 年荷

32、兰人汉斯奥斯特发现了电流磁效应，到法拉第用磁棒来回进出金属线圈制造电力仅仅历经了 11 年。偶然的发现是小概率事件，需要等待漫长的时间，同时只能发现比较单一的规律。试验发明是一个复杂、系统的过程，同时又有更加明确的目的性和研究方向，大大缩短了发明的时间。3.5 能源变迁与人类文明发展3.5 能源变迁与人类文明发展 三是从“肤浅”到深远在采猎文明和农耕文明时期，我们就地取材，在视线所及范围内行动。在工业文明时期，能源利用的目光穿透地层，地下的煤炭、石油和天然气，将来外星球开采，都成为文明前行的重要动力来源。随着技术的进步，能源形式开始从有形转为无形，电能开始得到普遍使用，核能、太阳能、可燃冰和地

33、热能等开始进入我们的视野。总之，我们对能源的利用是从小聪明逐步过渡到大智慧的过程。在农耕文明时期，人们利用畜力靠马车等出行。进入工业文明时期，蒸汽机、内燃机、发电机及电动机让能源变得更加丰富和强劲。后来，混合能源又开始被使用，再后来，能源形式进一步更新，燃料电池、混合动力、氢能源动力和太阳能等发展迅猛。随着文明的演进，生产技术水平的提升，主流能源形式中所蕴含的人类智慧元素比重越来越大。四、能源面临的挑战与未来之问 4.1 能源面临的挑战 4.2 新能源技术探索 4.3 新能源存在的问题与破解 4.4 人类能源与颠覆性科技的未来之问 我要到哪儿去？四、能源面临的挑战与未来之问我们目前处于一个什么

34、形式的能源供给时代？石油等化石能源危机环境问题大气圈内环境污染的积累会扼杀人类的未来新能源（风、光、生物质）能量密度低、规模化不足、技术不成熟（海洋能）核能风险依然较大、废料处理很难主要化石能源的可采年限4.1 能源面临的挑战人口膨胀，能源消费大幅度增长。全球化石能源探明储量可支撑人类发展的时间期限将至世界上的石油、天然气和煤等生物化石能源将在几十年至200年内逐渐耗尽。4.1 能源面临的挑战石油危机“在总的石油贮量中，10500亿桶石油业已消耗，另外7000亿桶是已发现的探明储量。还有3500亿至7500亿桶石油有待发现，到2059年当世界上第一口油井开钻180周年之际，世界石油大概所剩无几

35、了。”石油开采的时间不过150年历史，使我们已经感到“石油枯竭”的威胁，我们今天所说的“能源危机”实际上是“石油危机”。化石能源“快没了”4.1 能源面临的挑战生态破坏 地球不需要拯救，需要被拯救的是人类自己。能够拯救人类的也只有人类自己，那就是在这个和而不同的世界 产生更包容性的、新的文明。4.1 能源面临的挑战核泄漏、污染、核废料处理切尔诺贝利核泄漏日本福岛核泄漏4.2 新能源的探索水利能新能源如此火热，因为目前存在巨大、紧迫的潜在需求，这些需求来自两个方面：一方面是应对能源危机；另一方面是应对经济危机。能源危机也是来自两个方面：一是短缺；二是污染和排放，尤其是碳排放。水利能主要在西南，已

36、开发差不多了，占总能好的20%左右。4.2 新能源的探索风电 弃风严重4.2 新能源的探索光电、光热4.2 新能源的探索地热地热4.2 新能源的探索生物质能4.2 新能源的探索海洋潮汐、波浪、洋流能4.2 新能源的探索海洋温差、盐差能可从海洋温差中获取能量的发电厂计划建在中国一个度假胜地的海岸附近。这个10兆瓦的海洋热能转换工厂将成为世界最大的海洋热能厂，可为全球类似的热能厂铺平道路，有助于满足全球对可靠可再生能源日益增加的需求。这个工厂计划由洛克希德-马丁公司和中国华彬集团共同建造。4.3 新能源存在的问题与破解风电太阳能发电的不稳定（能量输出的不连续性）弃光、弃风、弃电4.3 新能源存在的

37、问题与破解风电太阳能发电的规模性（能量输出的密度低） 生产转化占地面积偏大生产转化元件代价高输入输出差值小、污染大工作介质及其能量不易直接储存，转化后的存储技术难度目前尚未克服。4.3 新能源存在的问题与破解二次转化：抽水蓄能、压气蓄能、制氢、电池全球最大容量风电制氢工程沽源风电制氢项目分布式能源系统多能互补提高转化效率4.3 新能源存在的问题与破解190019502000205021002150220022502300能源消费量年代世界未来能源需求动向能源消费需求量化石能源可供给量（乐观估计）新能源与可再生能源未来可能的替代能源：可燃冰，氢能，太阳能，风能；可控核聚变；暗物质与暗能量 4.4

38、 新能源的未来之问第一，必须足够丰富，可以保证长期使用；第二，必须足够便宜，可以保证多数人用得起；第三，相关的技术必须成熟，可以保证大规模使用；第四，必须足够安全、清洁，可以保证不会严重影响环境。-形成能量的势差必须足够大，引力场、电磁力、弱核力、强核力.人类未来能源必须满足的条件：我的未来 4.4 新能源的未来之问人类未来能源的希望核爆聚变电站天然气水合物（可燃冰）太阳能海洋能4.4 新能源的未来之问新的科学发现孕育新的能源技术， 推动人类文明发展。五、颠覆性能源科技与新文明曙 新能源与新智能 5.1 颠覆性科技 5.2 颠覆性新能源革命 5.3 人类新文明的曙光 我想要干什么？ 5.1 颠

39、覆性科技颠覆性技术：技术上颠覆的是人类的利用能量传统方式，生产方式或生活模式，火器技术颠覆了冷兵器和石器蒸汽机颠覆了风车和马车核能、激光、半导体、超级计算机、人工智能都属于颠覆性技术。颠覆性科技是人类进步的根本动力，并非拯救人类未来的通天之梯、包治全球问题的救世良方。颠覆性科学：科学发现上的颠覆是指向人类的思维方式和理念日心说颠覆了地心说；量子力学和相对论颠覆了牛顿 经典学 5.1 颠覆性科技20世纪世界三大尖端科技之一（空间技术、能源技术、人工智能），21世纪三大尖端技术之一（基因工程、纳米科学/石墨烯碳纳米管、人工智能）。我国十三五重点科技专项 正确的预测往往显得愚蠢和不可信。 从全球角度

40、来看未来十年可能取得突破的颠覆性技术有以下九个领域。未来十年，世界范围内可能出现颠覆性创新的科技领域 5.1 颠覆性科技1.先进计算技术与人工智能 主要包括：认知科学、量子通信、 量子计算机等； 人工智能被视为人类科学尖端， 科研领域皇冠上的明珠。先进计算技术与人工智能将改变行业秩序，促使利润在资本、劳动力和消费者之间发生转移，从而影响全球经济秩序和政治格局。谷歌、IBM、微软、甚至相关国家的政府都已经开始致力于开发量子计算机。中国科学技术大学潘建伟院士领衔的关于量子科学的研究处于世界领先水平，我国有望在量子信息等产业抢占先机、成为领跑者。5.1 颠覆性科技1.先进计算技术与人工智能 5.1

41、颠覆性科技2.纳米技术与材料科学 主要包括：纳米材料、纳米传感器、生物医学纳米技术和纳米药物、纳米制造等。先进的纳米材料如石墨烯和碳纳米管可生产新型显示器、超高效电池和太阳能电池。纳米技术作为下一代通用技术，在材料与制造、医疗与卫生、能源与环境、计算与信息等领域，特别是有关国家安全的技术领域将取得新突破，纳米技术的应用将引发生产革命和消费革命。纳米技术将覆盖每一个经济部门，包括电子、建筑、医药、食品、甚至国防。纳米医用材料可为癌症患者提供癌症靶向药物，以治疗癌症等疾病。 5.1 颠覆性科技2.纳米技术与材料科学 可穿戴碳纳米管 5.1 颠覆性科技3.基因组学与精准医疗主要包括：基因组、分子医学

42、、合成生物技术、生物识别技术、生物技术诊断等。基因技术将给人类自身带来颠覆性革命，以基因组信息为基础的精准医疗将为患者量身制定出最佳治疗方案，达到治疗效果最大化和副作用最小化。精准医疗是系统工程，大数据是基础，基因测序是工具。基因测序产业的竞争要素是技术、服务和渠道，门槛是数据库。下一代基因组学将推动生物学领域的快速进步。 5.1 颠覆性科技4.太空技术与地外生命探测谁拥有太空话语权，谁就拥有了真正话语权。在地球同步轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）建造太空机器人、保护宇航员免受太空辐射、先进推进系统、人类外太空生存等多项研究，以奠定发展太空文明的基础，并为未来

43、人类去往火星提供保障。 5.1 颠覆性科技5.网络、大数据与云计算网络与大数据。包括：互联网、物联网、大数据、产业融合等。大数据、云计算、硬件和软件虚拟化、可穿戴设备、智能虚拟电子助手、移动银行与智能手机支付、机器对机器通信、物联网、自动化和智能机器人、无人机、按需服务等。的实现，“互联网+”新经济形态将初步形成，“互联网+”成为经济社会创新发展的重要驱动力量。从更大范围来看，云计算及基于网络与大数据的物联网，将涵盖包括智能电网、城市基础设施、公共安全、资源开采、农业和汽车等众多领域。“互联网+”将助力“中国制造2025” 5.1 颠覆性科技6.网络、大数据与云计算 军队之间的机器人、无人机之

44、战，和网络战。 5.1 颠覆性科技7.智能汽车与智慧交通智能汽车与智慧交通。包括：人工智能无人驾驶汽车、计算机视觉、自动控制、激光雷达、机器对机器通信云平台、传感器、交通智能管理系统等。是典型的高新技术综合体。5.1 颠覆性科技7.智能汽车与智慧交通 5.1 颠覆性科技8. 绿色先进制造与3D打印主要包括：智能制造、机器人、3D打印、数控机床、航空航天装备、海洋工程装备等。为降低高能耗、高污染的传统制造业的比重，需要发展绿色制造与先进制造。在产品整个生命周期中，实现对环境的负作用最小，资源利用率最高，是全球面临的重大课题。绿色制造、先进制造能力与信息技术、新材料技术的融合，将在全球范围内带来颠

45、覆性改变，受到发达国家和发展中国家政府和产业界的极大重视。 5.1 颠覆性科技9.脑科学、教育技术与知识自动化脑科学研究将彻底改变人类！它给人类展示记忆的密码，让人类洞察思维的秘密，它让人类掌握意识的钥匙，给人类揭示生命的奥秘，让人类拥有“上帝”的能力。 脑科学尤其是人脑研究，是人类在与机器人的竞赛中推迟失败甚至保持不败的唯一希望。脑科学研究会不断制造天才，它会催生大脑改造、大脑设计、内外脑合一。 5.1 颠覆性科技9.脑科学、教育技术与知识自动化颠覆性创新因人而生，先进教育技术和知识自动化系统将以较小成本带来社会思想领域和行为领域的深刻变革。知识自动化可以引发知识传播、获取、分析、影响、产生

46、等方面的重要变革。 在法律、医学等领域已有应用 5.2 颠覆性新能源革命新的能源革命是科技革命的先导，会带来一种新智能文明为什么这样说，因为要找到可以经济地、大规模地替代化石能源的新能源，目前面临巨大的技术挑战。这个挑战究竟有多大，大到要彻底颠覆自人类诞生以来的所有的文明的存在方式。人类未来能源的希望 近期：天然气、 天然气水合物、 氢能、 太阳能 中期：可控核聚变 远期：暗物质与暗能量 5.2 颠覆性新能源革命1、新能源开发先进油气勘探开采方面，到2025年，页岩气和轻质致密油勘探开采，可能开发出新的能源，如煤层甲烷、天然气水合物等，甚至有可能导致下一个能源革命。可再生能源方面，包括太阳能、

47、风能、水力能、波浪能。 5.2 颠覆性新能源革命 2、石墨烯与能源存储技术石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料；具有透光、导热、超导等特性，可应用于发展出更薄、导电导热速度更快的新一代集成电路或导热材料，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池，以及薄膜过滤器，超级电容器电极、石墨烯生物器件等。 从硅材料时代走向石墨烯时代。 5.2 颠覆性新能源革命 2、石墨烯与能源存储技术由新材料技术衍生的太阳能和风能发电、储能技术发展将改变世界能源格局，减少人类对化石能源的依赖，大幅改善环境质量。储能与新一代超级电池

48、方面，匹配供求关系是可再生能源使用的最大障碍之一，在使用锂、钠、铝和锌，特别是石墨烯电池和燃料电池的新进步，使电动汽车、分布式能源、公用事业，以及构建小型电网提供清洁又可靠的能源成为可能，给12亿人提供可靠的电力。电池储能技术：太阳能、风能，电动车等产业的发展一直受制于储能的瓶颈，即电池发展的瓶颈，因为发电和用电、充电和用电的时间差问题都需要储能技术解决。目前，新的技术已经在实验室出现，氧化铝电池、锂氧电池、燃料电池、石墨烯电池等都可以实现电池效率的大幅提升， 5.2 颠覆性新能源革命3、太阳能技术太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万t煤，每年6.1X1012亿大卡，折合标煤87000

49、亿吨，是当今世界能耗的700倍。随着晶硅电板成本降低90%，太阳能的发电有望取代火力发电成为主流发电模式。太阳光能/热能发电。以太阳能行业为例。特斯拉CEO马斯克认为，这个世界不需要化石能源。在美国爱荷华州圈一小片地，铺满太阳能电板，其发电量足够供应全美国。中国有1.5个北京市的面积铺满太阳能电板就能供应全中国所有用电，或者平均每人有18平米的太阳能电板就够了。根据国家能源局公布的数据，2015年中国用电总量55500亿千瓦时，而一平方米太阳能板发电功率约140瓦。假设全年200天有光照，每天光照8小时，那么全中国一年用电总量需要245亿平方米，折合24500平方公里，是中国国土面积的0.25

50、%。内华达州太阳能热发电站5.2 颠覆性新能源革命4.高能量密度的未来能源-核聚变 人类已经在可控核聚变上花费了将近60年的时间，进展基本为0。人类科学史上，还没有一项技术耗费了如此长的时间，看似触手可及，但就是找不到突破途径。一旦成功，人类的可持续发展能源问题得到彻底解决。海水中的是氘，足够人类使用几百亿年。不仅仅不需要裂变反应堆核电站，火力发电厂及化石燃料成为历史。水电站、聚变反应堆核电站、风发电场、太阳能电厂等将成为人类能源的主要来源。地球文明已经进入一个关键点。有网友称为文明的临界点！要么冲破地球蛋，孵化成功，获得宇宙广阔新空间，要么，人类可能永远没有机会谈论“高智能外星人”，会困死在

51、地球上，和那些寂静的星球一样，依靠太阳能维持一个低层次的文明。5.2 颠覆性新能源革命“ARC”核聚变反应堆托卡马克式反应堆是所有最有前途的核聚变反应堆之一。托卡马克式系统是一种像油炸圈饼样的环形真空室。燃料在其中被加热到1.5亿摄氏度以上，形成炽热等离子体。然后利用超强磁场驱动等离子体离开安全壳内壁。在安全壳的周围有一圈超导线圈，负责产生超强磁场。然而，到目前为止，这种线圈是所有核聚变反应堆设计方案中的一大技术瓶颈“ARC”核聚变反应堆利用氘和氚两种氢原子。科学家首先将氘和氚注入到反应堆的安全壳内，然后为其提高能量使得电子脱离宿主原子，形成等离子体，这一过程会释放巨大的能量。科学家表示，如果

52、这一技术能够得以完善，它将能够提供无穷无尽的能量，从此彻底解决全球能源危机。4.高能量密度的未来能源-核聚变中国可控核聚变EAST实验装置已领先世界（合肥）中国的全超导托卡马克核聚变实验装置EAST和中国、美国、俄罗斯等七方共同启动的国际热核聚变实验堆ITER都是旨在创造一个“太阳”，给人类带来源源不断的清洁能源，因此也俗称“人造太阳”。EAST既定科学目标是实现1亿度1000秒的等离子体放电。目前中国“人造太阳”EAST物理实验获重大突破，实现在国际上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电，标志着中国在稳态磁约束聚变研究方面继续走在国际前列。5.2 颠覆性新能源革命4.高能量密度

53、的未来能源-核聚变“分布式能源系统”（Distributed Energy Resources System）是一种建立在用户端的能源供应系统，可根据用户需求在负荷中心实现能源清洁生产和就近消纳，并以热电联产和冷、热、电、汽联供等方式，通过能源梯级利用，实现更高的综合能源利用率，是大型能源点(如电厂等)集中供应的补充。5.2 颠覆性新能源革命5.分布式能源系统分布式智慧能源系统电网，能源用户，电力，发电机，天然气源，高温热能，光伏发电，风力发电，制冷，采暖，储能，中温热能，天然气，低温热能，燃机，热水，余热等，分布式能源就是利用小型的设备，在靠近符合条件的地方新建的，能够为用户近距离传送发电、

54、供热和供冷，包括其他功能形式的能源利用形式，最大的好处是可以有效地实现能源的积极利用，从而达到更高的能源效率。我国的资源禀赋现状是“富煤贫油少气”，且在未来相当长的时间里，煤炭的能源供应主体地位不会动摇。中国必须立足于现有能源资源，全力提高资源利用效率，扩大资源的综合利用范围，发展煤基分布式能源系统，将锅炉超低排放技术小型化、民用化，是中国可持续发展的必须选择。5.2 颠覆性新能源革命5.分布式能源系统1.天时：目前能源面临着消费、供给、技术、体制四方面革命，为能源互联网的发展和催生奠定了一定的机遇。2.地利：能源互联网最终的发展需要的目标很大程度上是清洁能源比例上的提高和清洁能源的高效利用，

55、为能源互联网的发展提供了必要的物质条件。3.人和：一是互联网行业对传统行业的渗透和冲击；二是经过李克强总理号召的“互联网+”的思想和“大众创业万众创新”的氛围，为整个能源互联网的技术和创新提供了良好的条件。5.2 颠覆性新能源革命6.能源互联网 互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业新形态推进能源生产智能化、建设分布式能源网络和发展基于能源互联网的新业态三个方面全面建设“互联网+”智慧能源。“能源互联网将从根本上颠覆传统的能源系统，并从根本上解决能源安全问题，新能源在能源互联网中占据核心地位。局域能源互联网通过一个局部区域的热网、气网、电网以及这几个部分来实现区域的自

56、制和局部的自产，是一个小型的系统。5.2 颠覆性新能源革命6.能源互联网广域能源互联网由全球能源互联网发展合作组织进行相关的推动，全球能源互联网的背景图是实现全球能源骨干网络，通过特高压电网实现互联。5.2 颠覆性新能源革命7.能源大数据对于一个能源使用者来说，家庭、学校、机构、商场等能源使用行为各有不同特征，并且涉及电力、燃气、油品等方面。面对如此复杂的情况，在能源互联网趋势之下，需要对全网的能源使用者构建能源画像，形成以人为中心的标准的网状结构。智慧能源的基础如今是大数据时代，将大数据技术应用于能源领域，是推动产业发展创新的趋势。能源企业通过将能源消费数据、智能设备数据、客户信息等数据相结

57、合，可充分挖掘客户行为特征，发现用户消费规律，从而提升企业运营效率。每一个用能机构(包括家庭、机构、社区)都会变成能源互联网上最重要的节点。整个网络的连接节点构建的大数据平台，利用大数据对能源生产、使用的完整的数据分析，让能源互联网真正实现高效的运转。5.2 颠覆性新能源革命7.能源大数据未来，能源互联网一定是彼此合作、互联互通的，在能源互联网应用中非常重要的一点，就是要对每一个节点进行精准画像，以能源用户为中心，将各个用能设备、环节数据化。5.2 颠覆性新能源革命人类能源的未来之路新的科学发现 人类对世界的认识高度决定了人类对自然界能源的利用形式和种类5.2 颠覆性新能源革命8.暗物质和暗能量下一个新能源时代是什么？引力波使得垂直激光发生干涉暗物质使得光束发生扭曲科学发现：宇宙中普通物质、暗物质和暗能量，它们在宇宙中的比例分别是4%、23%和73%。 诺贝尔奖得主李政道教授2005年10月25日在清华大学的演讲中指出：“21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。更为奇怪的是