鄒才能，馬鋒，潘松圻，林敏捷，張國(guó)生，熊波，王影，梁英波，楊智

（中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

目前人類對(duì)能源的定義，約有20余種，但本質(zhì)都是圍繞著“能量”和“資源”進(jìn)行不同角度的闡述[1-4]。首先是提供能量的形式，包括光能、熱能、機(jī)械能、電能等；其次是提供能量的載體資源，包括煤炭、石油、天然氣、流水、陽(yáng)光、風(fēng)等。能源之所以被人類認(rèn)識(shí)并利用，與人類社會(huì)的進(jìn)步密不可分。伴隨著社會(huì)革命、科技革命、工業(yè)革命的發(fā)展，可利用的優(yōu)質(zhì)能源形態(tài)和先進(jìn)能源技術(shù)也不斷演化發(fā)展，自舊石器時(shí)代遠(yuǎn)古人類發(fā)現(xiàn)和使用火開始，歷經(jīng)薪柴、煤炭、油氣三次用能轉(zhuǎn)換，從低能量密度、低端技術(shù)開采、低效率應(yīng)用、高碳排放的“三低一高”，向高能量密度、高端技術(shù)開采、高效率利用、低碳排放的“三高一低”轉(zhuǎn)換，推動(dòng)人類文明從原始文明、農(nóng)業(yè)文明、工業(yè)文明逐步向綠色生態(tài)文明轉(zhuǎn)型，也使人類活動(dòng)從認(rèn)識(shí)自然、改造自然逐步向保護(hù)自然發(fā)展。

化石能源作為自工業(yè)革命以來(lái)的主體能源，助力人類完成了工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程，但傳統(tǒng)用能方式與人類社會(huì)的快速發(fā)展，逐漸改變了地球原有的自然環(huán)境，引發(fā)以氣候變化為代表的全球生態(tài)危機(jī)，成為全世界共同關(guān)心的首要問(wèn)題。在全球應(yīng)對(duì)氣候變化推進(jìn)實(shí)現(xiàn)碳中和背景下，以化石能源為主體的傳統(tǒng)高碳能源體系，正向以可再生能源為主體的新型綠色低碳能源體系轉(zhuǎn)型[5]，多能互補(bǔ)、多能融合、多能轉(zhuǎn)化的“大能源”時(shí)代正在開啟。面向未來(lái)，能源技術(shù)革新和能源轉(zhuǎn)型將深刻改變?nèi)祟惖纳罘绞胶陀^念，而對(duì)地球系統(tǒng)、人類發(fā)展和能源演化的歷史研究，將有助于鑒往知今，開啟未來(lái)。

1 能源分類及供能機(jī)理

1.1 地球上“能”的來(lái)“源”

地球上“能”主要有3個(gè)“源”，包括來(lái)自地球外部天體能、地球自身能、與其他天體相互作用能。外部天體能主要是太陽(yáng)能，除了直接輻射外，太陽(yáng)能還為風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能和礦物能提供產(chǎn)能基礎(chǔ)，植物通過(guò)光合作用把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能存儲(chǔ)下來(lái)，煤炭、石油、天然氣等則是古代植物、動(dòng)物固定下來(lái)的太陽(yáng)能。地球自身能包括地殼中儲(chǔ)存的原子能、地?zé)崮艿?，原子能包括核裂變能和核聚變能，地?zé)崮苤饕缘叵聼崴?、地下蒸汽、干熱巖體等形式表現(xiàn)。與其他天體相互作用能主要為潮汐能，由于月球引力變化導(dǎo)致海平面周期性升降而產(chǎn)生能量（見圖1）。

圖1 地球能源來(lái)源示意圖（地殼厚度未按真實(shí)比例示意）

1.2 能源分類及供能機(jī)理

有關(guān)能源的分類，除了按上述來(lái)源進(jìn)行粗分外，更多是根據(jù)能量被存儲(chǔ)的載體性質(zhì)進(jìn)行分類。按照能量守恒定律，能量能夠從一種形式轉(zhuǎn)變成另外一種或多種形式，或者從一個(gè)載體或系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)載體或系統(tǒng)，但是它不能夠被創(chuàng)造也不能夠被消滅；日常提及的節(jié)約能源，嚴(yán)格意義上講，應(yīng)該節(jié)約的是能量載體資源，而不是能量本身，眾多的石油公司在“生產(chǎn)”石油，也是能量的“轉(zhuǎn)運(yùn)工”。依據(jù)載體資源的類型，通常將能源劃分為化石能源和非化石能源，根據(jù)短期內(nèi)是否可以重復(fù)再生利用，進(jìn)一步劃分為再生能源和不可再生能源（見表1）。

表1 地球上能源的種類、規(guī)模與特點(diǎn)[6-9]

1.2.1 化石能源及其供能機(jī)理

化石能源主要包括煤炭、石油和天然氣，它們儲(chǔ)存的化學(xué)能來(lái)源于幾億年前地球上古植物光合作用捕獲的古太陽(yáng)能。古植物將CO2和H2O轉(zhuǎn)化成更高能量（還原態(tài)）的碳，為生物提供能量并通過(guò)化學(xué)重組成為生物的結(jié)構(gòu)材料，隨后經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的生物化學(xué)和地質(zhì)演化過(guò)程，這些生物原料轉(zhuǎn)化形成了化石能源，它們中的能量主要以化學(xué)鍵的形式存在于C、C原子和C、H原子之間[6]。以天然氣為例，其主要由CH4組成，C原子和H原子之間的組合方式比較“松散”，如果它們與氧混合或與含氧量 20%的空氣混合，H原子將脫離出來(lái)與O原子結(jié)合形成穩(wěn)定的H2O分子[5]，而C原子則與O原子結(jié)合形成穩(wěn)定的CO2分子，H2O和CO2與結(jié)合前的烴類分子相比，具有較低的勢(shì)能，更多的能量以熱的形式釋放出來(lái)，在這個(gè)天然氣燃燒的過(guò)程中，處于還原態(tài)、高能量的C變成氧化態(tài)、低能量的C，同時(shí)也使數(shù)億年前被沉積物掩埋的C重新回到了大氣圈中[7]。化石能源的形成與人類歷史相比，短期內(nèi)無(wú)法恢復(fù)再生，屬于不可再生能源。

1.2.2 非化石能源及其供能機(jī)理

非化石能源主要包括原子能、地?zé)崮堋L(fēng)能、水能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、潮汐能等，因其能量來(lái)源的不同，其供能機(jī)理也存在差異。

原子能即核能，是由原子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而釋放的能量，重原子核裂變的過(guò)程稱為核裂變，輕原子核相結(jié)合的過(guò)程稱作核聚變。通常意義的化學(xué)反應(yīng)，僅涉及原子與原子之間相互結(jié)合關(guān)系的變化，原子核不發(fā)生變化。但在核反應(yīng)中，原子核的中子和質(zhì)子相互關(guān)系發(fā)生了變化，在核力作用下質(zhì)子和中子聚集在一起擁有勢(shì)能，當(dāng)新形成的原子核的質(zhì)量小于構(gòu)成它所有原子核的質(zhì)量之和時(shí)，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，損失的質(zhì)量將變成熱量，由于光速的平方是個(gè)巨大的數(shù)字，微小的質(zhì)量變化導(dǎo)致的能量變化將釋放出比化學(xué)反應(yīng)大幾百萬(wàn)倍的能量。作為原子能量載體的核礦石屬于不可再生的礦產(chǎn)資源，故原子能屬于不可再生能源。目前人類發(fā)電以核裂變?yōu)橹?，主要利用鈾原子，單個(gè)U235原子裂變釋放的能量，比單個(gè) CH4分子燃燒釋放的能量高1.2×108倍；可控核聚變技術(shù)目前仍處在實(shí)驗(yàn)室初級(jí)階段[6]。

地?zé)崮苤饕獊?lái)自地球內(nèi)部放射性元素的衰變和地幔、地核的熱對(duì)流與熱傳導(dǎo)，目前主要用來(lái)產(chǎn)生熱蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電，熱能資源只分布于構(gòu)造活動(dòng)區(qū)域，僅占地?zé)崮茉礉撛诳捎每偭康囊恍〔糠?。下一步將探索增?qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS），該系統(tǒng)將熱介質(zhì)注入地下，通過(guò)與高溫巖石接觸獲取能量來(lái)進(jìn)行發(fā)電，傳統(tǒng)油氣形成過(guò)程中的熱水資源和油氣井設(shè)施，使其與EGS具有天然融合的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。此外，利用超臨界 CO2替代水作為傳熱介質(zhì)，實(shí)現(xiàn) CO2封存與地?zé)岚l(fā)電也將是一個(gè)重要方向[10-11]。

潮汐能是由地球、太陽(yáng)、月球三者之間的萬(wàn)有引力所產(chǎn)生的能量。月球引力場(chǎng)使得距離月球最近和最遠(yuǎn)區(qū)域的海平面上升和下降，引發(fā)潮汐運(yùn)動(dòng)，漲潮和退潮產(chǎn)生的動(dòng)能推動(dòng)水下渦輪機(jī)葉片運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行電力生產(chǎn)。潮汐能屬于可再生資源，但只局限在潮汐資源豐富的地區(qū)。

太陽(yáng)能是直接將太陽(yáng)的電磁輻射能轉(zhuǎn)化成電能、熱能或化學(xué)能等，主要以光伏發(fā)電和光熱發(fā)電轉(zhuǎn)化成電能為主，前者利用半導(dǎo)體界面的光電效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)化為電能，后者則使用大型反射鏡陣列聚焦太陽(yáng)光獲得熱能，利用熱能產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。光伏發(fā)電技術(shù)成熟，但電池生產(chǎn)過(guò)程高能耗、高污染，且受日光照射強(qiáng)度影響較大，與傳統(tǒng)電池并網(wǎng)難度大；光熱發(fā)電生產(chǎn)過(guò)程清潔，能將太陽(yáng)能以熱能形式存儲(chǔ)起來(lái)延遲發(fā)電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)連續(xù)供電，還可通過(guò)增加儲(chǔ)熱單元或補(bǔ)燃與常規(guī)火電聯(lián)合運(yùn)行，但該技術(shù)目前仍處于創(chuàng)新與改進(jìn)完善階段。

水能是由太陽(yáng)輻射能產(chǎn)生的一種間接能源，地球所截獲的太陽(yáng)能中，約 50%被地表吸收，其中約一半的能量用于水的蒸發(fā)過(guò)程[6]，主要是海水蒸發(fā)，但大氣層保留水蒸汽的能力有限，當(dāng)水蒸汽以雨水的方式降落到高于海平面的地表，水就被賦予了勢(shì)能，在向下流回海洋的過(guò)程中勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，人類在水流動(dòng)的路徑上引導(dǎo)動(dòng)能來(lái)做有用功，目前主要用來(lái)發(fā)電，是一種可再生清潔能源。公元前 200年左右，人類已經(jīng)開始建造水磨利用水能[12]，1878年法國(guó)建成世界第一座水電站，隨后在 20世紀(jì)水電得到快速發(fā)展，2020年世界水力發(fā)電量占全球發(fā)電量16%左右。

風(fēng)能是太陽(yáng)能產(chǎn)生的另一種間接能源。太陽(yáng)輻射熱使地表空氣不均勻受熱膨脹流動(dòng)而產(chǎn)生兩種方式動(dòng)能，一種是空氣從高空下沉到低處，重力推動(dòng)空氣做功，另一種是空氣從高壓區(qū)移動(dòng)到低壓區(qū)，壓力梯度做功。利用動(dòng)能驅(qū)動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)發(fā)電，但轉(zhuǎn)化效率存在絕對(duì)上限59.3%，又稱貝茨極限，現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)的效率已經(jīng)達(dá)到貝茨極限的 80%，但也只利用了48%動(dòng)能。公元前2 000年，人類已開始建造帆船和風(fēng)磨，1887年，Charles F. Brush建造了世界第一臺(tái)風(fēng)機(jī)用來(lái)產(chǎn)生電力[5]。2020年世界風(fēng)力發(fā)電量約占全球發(fā)電量的6%左右。

生物質(zhì)能是指蘊(yùn)藏在生物質(zhì)中的太陽(yáng)能，大部分生物質(zhì)能都來(lái)源于綠色植物通過(guò)光合作用生產(chǎn)的有機(jī)物，廣義的生物質(zhì)包括一切有生命可以生長(zhǎng)的有機(jī)物（植物、動(dòng)物和微生物），狹義的生物質(zhì)包括人類種植、養(yǎng)殖的各種農(nóng)牧產(chǎn)品以及人和家畜產(chǎn)生的糞便與有機(jī)垃圾等。生物質(zhì)能的利用實(shí)質(zhì)就是如何把生物質(zhì)中儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，主要包括薪柴直接燃燒（熱能）、生物質(zhì)化和液化（熱化學(xué)轉(zhuǎn)換）、沼氣發(fā)酵（生物化學(xué)轉(zhuǎn)換）等方式，人類歷史上最早使用的能源就是生物質(zhì)能，也是唯一一種可再生的碳源。

2 地球、能源演化與人類發(fā)展

宇宙與地球的演化為人類的出現(xiàn)提供了包括能源在內(nèi)的諸多物質(zhì)前提和全球環(huán)境條件[13]，人類的發(fā)展改造地球演化進(jìn)程。在此過(guò)程中，對(duì)于能源的開發(fā)利用驅(qū)動(dòng)人類文明階梯式上升，但文明進(jìn)步反過(guò)來(lái)又加速了能源利用類型的演化和利用技術(shù)的發(fā)展，并帶來(lái)全球化石能源危機(jī)和氣候變化問(wèn)題，進(jìn)而影響人類文明的升級(jí)（見圖2）。剖析地球、人類、能源三者的關(guān)系，需要從 3個(gè)尺度論述：①?gòu)挠钪嫜莼某L(zhǎng)時(shí)間尺度，分析日-地-月系統(tǒng)來(lái)揭示地球的演化史；②從地球系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間尺度，分析地球各圈層關(guān)系和人地關(guān)系來(lái)揭示生命的起源和人類的發(fā)展史；③從人類社會(huì)發(fā)展的短時(shí)間尺度，結(jié)合人類社會(huì)形態(tài)與文明的發(fā)展來(lái)揭示能源的演化史。

圖2 地球、人類、能源關(guān)系圖

2.1 超長(zhǎng)時(shí)間尺度上的日-地-月系統(tǒng)演化

按照宇宙大爆炸理論，大約138×108年前，宇宙由密度極大且溫度極高的奇點(diǎn)爆炸、膨脹而成[14]。在這一過(guò)程中直接產(chǎn)生了氫和氦。約50×108年前，以氫分子為主的氣體-塵埃旋渦收縮形成“太陽(yáng)星云”，受自轉(zhuǎn)離心力扁平化的影響，在收縮快、密度高的中心區(qū)形成了原始的太陽(yáng)，其余部分則圍繞太陽(yáng)，沿赤道方向逐漸擴(kuò)展形成“星云盤”；太陽(yáng)由于物質(zhì)的收縮動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而持續(xù)升溫，氫發(fā)生核聚變反應(yīng)變?yōu)楹ぃ饾u進(jìn)入“主序星”階段（青壯年時(shí)期）。星云中塵埃顆粒相互碰撞和黏合，形成較大的物質(zhì)團(tuán)塊，在引力、離心力、摩擦力作用下，這些物質(zhì)團(tuán)塊再碰撞形成包括地球在內(nèi)的八大行星[15-16]，由于太陽(yáng)質(zhì)量占太陽(yáng)系質(zhì)量的 99%以上，故將行星吸引在自己周圍。在太陽(yáng)系形成后不到1×108年，月球星胚撞擊地球產(chǎn)生巨大能量，使地球處于熔融狀態(tài)，地球表面的硅酸鹽與月球星胚的物質(zhì)共同形成了圍繞地球的物質(zhì)，這些物質(zhì)中重物質(zhì)冷卻返回地球，一部分則消失在太空，其余部分就形成了月球[17-18]。月球的出現(xiàn)改造了地球的重力場(chǎng)，在地球表層形成了潮汐，并改變了兩者的距離和轉(zhuǎn)速，影響地球軌道運(yùn)動(dòng)周期，還通過(guò)平衡地球的傾斜度而影響地球的氣候。（46～45）×108年前，日-地-月系統(tǒng)形成，太陽(yáng)系的行星在各自軌道上運(yùn)行，為地球的演化提供了安全的宇宙環(huán)境；太陽(yáng)自身逐漸穩(wěn)定和逐步升溫，為地球提供光和熱，維持著地球地表的溫度。地球自身適中的質(zhì)量（占太陽(yáng)系質(zhì)量的0.000 3%）使其與太陽(yáng)保持距離適中[16-17]，并使地球地表溫度適中，為液態(tài)水和大氣層的存在提供了條件，進(jìn)而為生命的存在提供了物質(zhì)和能量前提。

2.2 長(zhǎng)時(shí)間尺度上的地球系統(tǒng)演化

關(guān)于長(zhǎng)時(shí)間尺度的起點(diǎn)，即地球的天文年齡，由于早期的星子碰撞事件造成地球可能存在多次“巖漿海”，完全抹殺了最初大陸的地質(zhì)記錄，組成地球原始地殼的巖石和礦物并沒有被完整保存下來(lái)，目前可以追蹤年代的最古老礦物是在澳大利亞西部發(fā)現(xiàn)的約44×108年前的鋯石[19]；采用鉛-鉛測(cè)定年代法，測(cè)算地球南極上最原始的球粒隕石中鉛同位素的比率，間接推斷地球形成時(shí)間在 45.5×108年以前；而地球上最早的生命記錄來(lái)自格陵蘭西部Isua火山與沉積巖[15]。據(jù)此，將地球系統(tǒng)的演化按照“天文階段”、“生物圈演化階段”、“人類圈演化階段”3個(gè)部分進(jìn)行闡述。

2.2.1 地球形成的天文階段（138×108年前—38×108年前）

由于缺乏直接的證據(jù)和地質(zhì)記錄，基于人類目前的認(rèn)知和科學(xué)界的普遍共識(shí)，來(lái)闡述此階段的演化特征[14-20]。原始地球在增大成長(zhǎng)過(guò)程中，受微行星的碰撞或內(nèi)部長(zhǎng)壽命放射性物質(zhì)的衰變及引力位能的釋放，發(fā)生增溫過(guò)程，使地球上部處于熔融狀態(tài)（巖漿海），鐵、鎳、鈷、錳等親鐵元素與硅、鋁、鎂、鈣等親石元素發(fā)生重力分異，形成地核和地幔，地幔的表層又逐漸分異出薄薄的地殼，地球的分層結(jié)構(gòu)由此逐漸形成。（44～38）×108年前的“晚期大爆炸”階段，微行星碰撞引發(fā)地球表面發(fā)生碰撞放氣過(guò)程，釋放大量水分子和其他揮發(fā)性化合物，形成原始的大氣圈，以氣態(tài)硅酸鹽為主，伴隨著地球表面冷卻，大量硅酸鹽迅速凝固，留下CO2和H2O組成濃厚大氣層，隨后大氣溫度繼續(xù)急劇下降，水分凝結(jié)產(chǎn)生降水，形成了地球上的水圈。

2.2.2 生物圈演化階段（38×108年前至今）

在38×108年前，逐漸降溫的地球原始大氣中沒有氧氣，也就沒有臭氧層來(lái)吸收太陽(yáng)光中的紫外線，生命很難存活；但水圈的形成為生命的產(chǎn)生提供了條件，原始生態(tài)系統(tǒng)開始逐步形成[14-15]。大約在27×108年前，藍(lán)細(xì)菌以微生物席形式進(jìn)行有氧光合作用，開啟了地球大氣聚氧過(guò)程，早期的氧氣基本被生物呼吸作用、還原性物質(zhì)風(fēng)化作用、火山噴發(fā)氣體中的H2和H2S與O2相互作用消耗掉；直到25×108年前的“大氧化事件”，F(xiàn)e2+被氧化為Fe3+在海底廣泛沉淀，在全球范圍內(nèi)發(fā)育條帶狀含鐵建造，形成了全世界 70%的鐵礦，同時(shí)造成了早期的海洋“硫化氫化”，延遲了地球生物的大發(fā)展；元古宙真核細(xì)胞生物逐漸出現(xiàn)，地球的氧氣和臭氧濃度逐漸上升，有效的紫外線屏障形成，海底條帶狀含鐵建造結(jié)束，板塊活動(dòng)使海底水層徹底擺脫硫化物的困擾[14]；（7.5～6.0）×108年前，地球再次發(fā)生氧化事件后，大量有機(jī)碳被埋藏，從而使得無(wú)機(jī)碳δ13C變重，地幔釋放到表層的碳被還原為有機(jī)碳，釋放出自由氧，形成氧化大氣，為約5.4×108年前寒武紀(jì)生命大爆發(fā)提供了條件；伴隨著大陸地殼增厚、氧氣含量的不斷升高、多次大冰期的出現(xiàn)，地球生物圈開啟了從微生物、植物、動(dòng)物到人類的演化，地球系統(tǒng)也開始從原始巖石圈演變?yōu)閹r石圈、大氣圈、水圈、生物圈多圈層協(xié)同發(fā)展系統(tǒng)[21-22]。此外，在奧陶紀(jì)末、晚泥盆世、二疊紀(jì)末、白堊紀(jì)末發(fā)生了 5次生物大滅絕重大生物事件[23-24]，產(chǎn)生了大量的有機(jī)質(zhì)并為其保存提供了適宜的條件，為化石能源的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。煤炭的形成主要集中在 3大聚煤期[25]：晚石炭世—二疊紀(jì)的孢子植物成煤，以煙煤和無(wú)煙煤為主；侏羅紀(jì)和早白堊世的裸子植物成煤，以褐煤和煙煤為主；晚白堊世—新近紀(jì)的被子植物等高等植物成煤，以褐煤為主。石油與天然氣的形成主要集中在寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)、志留紀(jì)、泥盆紀(jì)—早石炭世、晚石炭世—中二疊世、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)、古近紀(jì)—新近紀(jì) 8大時(shí)期，早期的烴源巖演化程度較高，以生成天然氣為主，中晚期的烴源巖則以生油為主[26]（見圖3）。

圖3 地球系統(tǒng)演化階段與特征（據(jù)文獻(xiàn)[14-18, 20-28]修改；圖中百分?jǐn)?shù)為該層富集的煤炭和油氣資源占全球煤炭和油氣資源的比例）

2.2.3 人類圈演化與人類文明發(fā)展（250×104年前至今）

人類圈又稱人類社會(huì)圈、智慧圈，用來(lái)標(biāo)志現(xiàn)代地球系統(tǒng)中人類作用的介入。上述討論的巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈是人類圈的環(huán)境，又具全球規(guī)模，因此稱之為全球環(huán)境，現(xiàn)代地球系統(tǒng)是由人類圈和全球環(huán)境構(gòu)成的系統(tǒng)。關(guān)于人類圈與生物圈概念的區(qū)別、形成的時(shí)間（地理大發(fā)現(xiàn)時(shí)間）以及人類世地質(zhì)學(xué)概念的提出，目前有不同的看法[27-29]。但人類歷經(jīng)漫長(zhǎng)的演化，在認(rèn)識(shí)自然的基礎(chǔ)上，通過(guò)主觀能動(dòng)地開展社會(huì)性物質(zhì)生產(chǎn)和消費(fèi)過(guò)程，顯著改造了自然，已經(jīng)成為地球系統(tǒng)變化的驅(qū)動(dòng)力之一。人類活動(dòng)范圍內(nèi)至地表以下12.5 km的巖石圈深部[30]，外至太陽(yáng)系空間，已經(jīng)超出了傳統(tǒng)生物圈的概念，因此借用人類圈的概念，來(lái)闡述人類文明的發(fā)展對(duì)地球系統(tǒng)其他圈層的影響；同時(shí)結(jié)合1964年俄羅斯天體物理學(xué)家尼古拉·卡爾達(dá)舍夫基于能源利用率提出的宇宙文明卡爾達(dá)舍夫等級(jí)設(shè)想[31]，從人類對(duì)能源的利用方法和效率的角度，來(lái)闡述人類圈的演化（見圖4）。在人類出現(xiàn)之前的近45×108年里，地球系統(tǒng)處于原始自然演化階段，先后形成了巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈。在約250×104年前人類出現(xiàn)后，文字的形成標(biāo)志著原始文明的開端，按照尼古拉·卡爾達(dá)舍夫提出的三級(jí)文明構(gòu)想框架，人類文明歷經(jīng)原始文明、農(nóng)業(yè)文明、工業(yè)文明的發(fā)展，目前已達(dá)到0.73級(jí)[32]，人類圈的演化也從早期作為生物圈的物種之一，逐漸演化擴(kuò)張到目前的全球化圈層[33]，并顯著影響到地球系統(tǒng)其他圈層的自然演化，正從依靠自然、適應(yīng)自然、認(rèn)識(shí)自然、改造自然的低端形式，向共享自然、呵護(hù)自然的高端生態(tài)文明階段發(fā)展，突出的標(biāo)志可能是人類掌握可控核聚變技術(shù)，建造“人造太陽(yáng)”，人類也將在一級(jí)文明中成為地球的主人，不會(huì)因?yàn)榈厍蜻M(jìn)入下一次冰期，或者氣溫不斷升高等地球環(huán)境變化而帶來(lái)物種滅絕。對(duì)于二級(jí)文明和三級(jí)文明，目前仍處于科學(xué)假說(shuō)階段，雖然人類圈層的影響已經(jīng)突破了地球系統(tǒng)，發(fā)展了空間站和航天技術(shù)，但人類利用化學(xué)類能源的潛力已達(dá)極限，深地和深空探索仍處于初級(jí)階段，可持續(xù)發(fā)展受材料技術(shù)、電池技術(shù)、基因技術(shù)、可控核聚變技術(shù)等限制[34-35]，尚未突破無(wú)限能源、可持續(xù)生命、高性能材料、高級(jí)人工智能等人類圈實(shí)現(xiàn)一級(jí)行星文明跨越的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。受現(xiàn)代地球系統(tǒng)階梯式上升演化的控制，工業(yè)文明已發(fā)展到分岔點(diǎn)，進(jìn)入階梯式上升的突變期，轉(zhuǎn)變?nèi)祟惖男枨笈c生存模式，推動(dòng)能源利用轉(zhuǎn)型發(fā)展，將是人類社會(huì)發(fā)展尺度上，從工業(yè)文明發(fā)展到生態(tài)文明的主要途徑。

圖4 地球系統(tǒng)、人類圈與文明演化的階段與特征

2.3 短時(shí)間尺度的能源演化與人類社會(huì)發(fā)展

能源是人類文明進(jìn)步的基礎(chǔ)和動(dòng)力，關(guān)系人類生存和發(fā)展[36]，通過(guò)追溯人類社會(huì)的發(fā)展史和能源的演化史，可以為人類應(yīng)對(duì)地球環(huán)境變化的挑戰(zhàn)提供借鑒和參考。人類社會(huì)發(fā)展可劃分為生存階段（人類出現(xiàn)—工業(yè)文明之前）、發(fā)展階段（工業(yè)革命—21世紀(jì)早期）、可持續(xù)發(fā)展階段（21世紀(jì)中期—未來(lái)）。與這3個(gè)階段相對(duì)應(yīng)，能源利用的演化經(jīng)歷了薪柴時(shí)代、煤炭時(shí)代、油氣時(shí)代，正在向新能源時(shí)代轉(zhuǎn)型發(fā)展。

2.3.1 薪柴時(shí)代（170×104年前—18世紀(jì)中期）

自170×104年前元謀猿人開始使用火到1.8×104年前山頂洞人掌握人工取火技術(shù)，開啟了最早也是至今最漫長(zhǎng)的一次“技術(shù)革命”，推動(dòng)人類社會(huì)從舊石器時(shí)代進(jìn)入農(nóng)業(yè)文明時(shí)代，先后歷經(jīng)了3次農(nóng)業(yè)技術(shù)革命[37]，薪柴在這一時(shí)期成為人類社會(huì)發(fā)展的主體能源，推動(dòng)人類的進(jìn)化和社會(huì)技術(shù)的發(fā)展，使社會(huì)生產(chǎn)動(dòng)力從人力為主向畜力、風(fēng)力、水力發(fā)展（見圖5）。

圖5 人類社會(huì)發(fā)展與能源演化（薪柴時(shí)代與煤炭時(shí)代）

2.3.2 煤炭時(shí)代（18世紀(jì)中期—20世紀(jì)中期）

歐洲在歷經(jīng)黑暗時(shí)代的發(fā)展后，伴隨著蒸汽機(jī)的發(fā)明，蒸汽動(dòng)力開始大規(guī)模代替人力和畜力，人類社會(huì)首次真正意義上具有了超越生物圈的內(nèi)在強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力，相繼發(fā)生了2次科技革命和1次工業(yè)革命，并帶動(dòng)冶金業(yè)、制造業(yè)、開采業(yè)、運(yùn)輸業(yè)等工業(yè)的快速發(fā)展，加快了世界工業(yè)化進(jìn)程。

2.3.3 油氣時(shí)代（20世紀(jì)中期—現(xiàn)代）

自1859年，美國(guó)人首先在賓夕法尼亞鉆探第1口商業(yè)油井，開啟了近代石油工業(yè)，伴隨著大功率發(fā)電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明，石油以其更高熱值、更易運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，逐漸取代煤炭成為第 3代主體能源。人類社會(huì)進(jìn)入了工業(yè)和科技快速發(fā)展階段，發(fā)生了 4次科技革命、3次工業(yè)革命、1次農(nóng)業(yè)革命和4次管理革命[38]，推動(dòng)全球相繼進(jìn)入電氣時(shí)代、信息時(shí)代，并向智能時(shí)代發(fā)展，社會(huì)生產(chǎn)也從蒸汽動(dòng)力向燃?xì)鈩?dòng)力、電動(dòng)力、風(fēng)力、水力、核動(dòng)力等多元供能體系發(fā)展（見圖6）。

圖6 人類社會(huì)發(fā)展與能源演化（油氣時(shí)代）

2.3.4 新能源時(shí)代（21世紀(jì)中期—未來(lái)）

新能源一般指?jìng)鹘y(tǒng)能源之外的利用新技術(shù)加以開發(fā)利用的可再生能源，人類對(duì)于新能源的利用貫穿人類社會(huì)發(fā)展的生存階段和發(fā)展階段（見圖7），在 17世紀(jì)以前，主要以原始直接利用新能源產(chǎn)生機(jī)械力為特點(diǎn)；到了18世紀(jì)—20世紀(jì)早中期，人類開始了新能源供能機(jī)理與利用技術(shù)的探索；21世紀(jì)早期，受化石能源危機(jī)的刺激，新能源利用進(jìn)入規(guī)模化發(fā)展階段；面向未來(lái)，伴隨著人類社會(huì)進(jìn)入智慧時(shí)代和原子時(shí)代，人類將逐漸突破新能源高效、低成本、規(guī)模利用技術(shù)及儲(chǔ)能技術(shù)，建立起全球智慧能源網(wǎng)絡(luò)；預(yù)計(jì)在23世紀(jì)或之前，人類很可能最終掌握可控核聚變技術(shù)，徹底擺脫以利用化學(xué)能為主的能源利用模式，開啟直接利用核能和生物質(zhì)能的高級(jí)能源利用模式，傳統(tǒng)的化石燃料也將回歸其物質(zhì)原料屬性[35,39]。

圖7 新能源發(fā)展歷程及新能源時(shí)代預(yù)測(cè)

3 碳循環(huán)與全球氣候變化

從人類社會(huì)發(fā)展的生態(tài)學(xué)角度看，人類的生物屬性決定了相關(guān)的生態(tài)學(xué)規(guī)律將同樣作用于人類，人類社會(huì)的高速發(fā)展將帶來(lái)全球性環(huán)境變化。1844、1845年皮埃爾·弗朗索瓦·韋呂勒提出，在地球上環(huán)境資源有限、種群起始數(shù)量小于環(huán)境最大容納量的假設(shè)下，種群數(shù)量與環(huán)境之間遵循 Logistic曲線 3階段增長(zhǎng)方式[33,40]：第1階段，充足的環(huán)境容量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得以快速發(fā)展；第2階段，隨著人系統(tǒng)規(guī)模的增長(zhǎng)，環(huán)境條件的限制會(huì)明顯阻礙系統(tǒng)增長(zhǎng)率的提高；第3階段，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模發(fā)展接近環(huán)境容量的時(shí)候，系統(tǒng)增長(zhǎng)率趨近于零。Logistic曲線增長(zhǎng)方式表示環(huán)境對(duì)于物種數(shù)量的制約是即時(shí)的，但由于人類的主觀能動(dòng)作用，環(huán)境資源變化對(duì)于人類社會(huì)發(fā)展的影響相對(duì)滯后。從地球系統(tǒng)的角度看，所謂全球變化就是人類活動(dòng)改變了地球表層系統(tǒng)的自然運(yùn)行，具有智能的人類已經(jīng)成為地球系統(tǒng)前所未有的一種營(yíng)力，正在改變地球系統(tǒng)自然演化的運(yùn)行軌跡，尤其是人類通過(guò)大量使用化石能源，改變地球系統(tǒng)的自然碳循環(huán)路徑，嚴(yán)重影響到人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

3.1 碳的循環(huán)

宇宙中本沒有碳元素，借助恒星的氦聚變反應(yīng)，將3個(gè)氦原子核聚在一起，生成了1個(gè)碳原子，由此誕生了碳元素。當(dāng)恒星演化終結(jié)爆發(fā)成為星云時(shí)，其內(nèi)部的各種元素向宇宙彌散，以塵埃、顆粒、天體的形式被地球捕捉，由此開啟了碳在地球上的循環(huán)過(guò)程。碳原子通過(guò)+4、+2、0、-4等多種化合價(jià)參與化學(xué)反應(yīng)[14-15]，具有多種多樣的成鍵方式，而且C—C鍵強(qiáng)度極大。碳不僅能形成無(wú)機(jī)化合物，還可以通過(guò)原子間共用電子的共價(jià)鍵形成有機(jī)化合物，是地球上存在形式最復(fù)雜的元素，正是由于碳極高的成鍵能力和獨(dú)特的性能，成為太陽(yáng)能的主要化學(xué)能載體和構(gòu)成地球上各種生命體的骨架元素，也是溫室氣體的主要成分。碳循環(huán)可分為無(wú)機(jī)碳循環(huán)、短期有機(jī)碳循環(huán)、長(zhǎng)期有機(jī)碳循環(huán)3種過(guò)程，這3種過(guò)程相互交叉同時(shí)進(jìn)行[41]（見圖8）。

圖8 地球上碳循環(huán)簡(jiǎn)圖

3.1.1 無(wú)機(jī)碳循環(huán)

無(wú)機(jī)碳循環(huán)主要是無(wú)機(jī)碳在大氣圈碳庫(kù)、海洋圈碳庫(kù)和巖石圈碳庫(kù)的閉環(huán)循環(huán)過(guò)程，一個(gè)循環(huán)經(jīng)歷時(shí)間跨度在百萬(wàn)年至數(shù)千萬(wàn)年，使地球維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的溫度區(qū)間。大氣中的 CO2溶于雨水，通過(guò)化學(xué)風(fēng)化侵蝕陸地巖石或被海洋直接吸收，在海底形成碳酸鹽沉積物，歷經(jīng)沉積成巖作用，形成碳酸鹽巖。洋殼與陸殼的俯沖碰撞，使碳酸鹽巖被融化為巖漿，發(fā)生脫氣作用，再次轉(zhuǎn)化為CO2回到大氣圈（見圖8a）。

3.1.2 短期有機(jī)碳循環(huán)

短期有機(jī)碳循環(huán)是主要發(fā)生在大氣圈碳庫(kù)和生物圈碳庫(kù)之間的閉環(huán)循環(huán)過(guò)程，一個(gè)循環(huán)時(shí)間跨度在數(shù)十年至數(shù)百年；植物作為初級(jí)生產(chǎn)者，通過(guò)光合作用，借助葉綠素吸收太陽(yáng)能使低能量的 CO2和水轉(zhuǎn)化為高化學(xué)能的糖類，無(wú)機(jī)碳也首次以有機(jī)碳的形式，進(jìn)入生物圈；而作為消費(fèi)者的生物，通過(guò)食物鏈來(lái)獲得能量維持生命，動(dòng)植物的遺體和排出物被微生物分解，并釋放出CO2（見圖8b）。

3.1.3 長(zhǎng)期有機(jī)碳循環(huán)

長(zhǎng)期有機(jī)碳循環(huán)是主要發(fā)生在大氣圈碳庫(kù)、生物圈碳庫(kù)和巖石圈碳庫(kù)之間的閉環(huán)循環(huán)過(guò)程，一個(gè)循環(huán)時(shí)間跨度在數(shù)千萬(wàn)年以上；初期的過(guò)程與短期有機(jī)碳循環(huán)類似，但動(dòng)植物的遺體在被微生物分解之前，被掩埋至地層深處，歷經(jīng)漫長(zhǎng)的物理化學(xué)過(guò)程，轉(zhuǎn)變?yōu)槊禾俊⑹秃吞烊粴獾然剂?，然后在?jīng)歷板塊運(yùn)動(dòng)被燃燒，釋放出CO2（見圖8c）。

3.1.4 人類活動(dòng)對(duì)地球碳循環(huán)的影響

碳是人類最早利用的元素之一，對(duì)碳的利用將人類帶進(jìn)了文明時(shí)代。但人類文明反過(guò)來(lái)成為地球碳循環(huán)的新要素，改變了地球碳循環(huán)的閉環(huán)路徑（見圖9）。原始文明時(shí)代的人類仍屬于生物圈的一員，受限于人類數(shù)量和用火規(guī)模，額外排出的 CO2很快被地球碳循環(huán)調(diào)節(jié)了。但進(jìn)入農(nóng)業(yè)文明時(shí)代，農(nóng)耕技術(shù)的發(fā)展、人口的增加，一方面對(duì)薪柴的使用，使本該在生物圈存留數(shù)百年的碳被提前終止循環(huán)，排放到大氣圈；另一方面人類砍伐樹木造成森林面積的減少，使森林碳庫(kù)的儲(chǔ)碳能力減弱，導(dǎo)致自7 000年前起，大氣圈中的CO2濃度開始上升，但速度非常緩慢，并沒有徹底改變地球碳循環(huán)；自18世紀(jì)開始，人類進(jìn)入工業(yè)文明時(shí)代，化石能源的大量使用加速了地層深部有機(jī)碳的釋放，大量被提前釋放的 CO2進(jìn)入地球系統(tǒng)，但森林的儲(chǔ)碳效率下降，只能吸收人類排放的CO2的30%左右，而海洋由于過(guò)量 CO2的吸收導(dǎo)致海水酸化，進(jìn)而限制海洋碳庫(kù)的儲(chǔ)碳效率，也只能吸收人類排放的 CO2的30%左右，剩余 40%左右的 CO2進(jìn)入大氣，短期內(nèi)不參與碳循環(huán)，導(dǎo)致大氣圈層中 CO2體積分?jǐn)?shù)從工業(yè)革命前（1760 年）的 280×10-6上升到 2015 年的 400×10-6，2019年突破 410×10-6，2021年達(dá)到 415×10-6，過(guò)去 70年，大氣中CO2濃度的增長(zhǎng)率是末次冰期結(jié)束時(shí)的100倍左右[42-43]，成為影響全球溫度和氣候變化等連鎖反應(yīng)的直接因素。

圖9 人類活動(dòng)對(duì)碳循環(huán)影響示意圖

3.2 全球氣候變化及影響

全球氣候變化已成為21世紀(jì)人類的嚴(yán)重威脅。人口規(guī)模的持續(xù)增長(zhǎng)和社會(huì)的高速發(fā)展，使人類圈規(guī)模已逐漸接近地球環(huán)境容量。截至2022年1月，全球230個(gè)國(guó)家人口總數(shù)為75.97×108人[44]，其中發(fā)展中國(guó)家人口約占 80%，未來(lái)數(shù)十年，人口持續(xù)增長(zhǎng)和更多發(fā)展中國(guó)家人口轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化生活方式，世界溫室氣體排放將在510×108t/a的基礎(chǔ)上持續(xù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致地球系統(tǒng)能量收支不平衡，極端天氣事件和流行疾病日趨頻繁，人類的可持續(xù)發(fā)展面臨前所未有的挑戰(zhàn)[45]。

3.2.1 全球地表溫度升幅逼近1.5 ℃

CO2等溫室氣體濃度持續(xù)升高使地球的凈能量吸收不斷增加，導(dǎo)致地球圈層的持續(xù)升溫。2012年Hansen和Sato基于過(guò)去80×104年的氣候數(shù)據(jù)模擬揭示，當(dāng)大氣中的 CO2濃度當(dāng)量加倍時(shí)，全球平均地表溫度年平均值的平衡變化為（0.75±0.15）℃，由此計(jì)算出全球平均地表溫度將上升2.5～3.5 ℃[5-6]。1880年以來(lái)全球平均氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)揭示，1880—1930年，全球平均氣溫變化值平穩(wěn)，在0 ℃上下浮動(dòng)；1930—1980年，全球平均氣溫變化值緩慢上升，浮動(dòng)值為0.1～0.5 ℃；1980—2020年，全球平均氣溫上升速率加大，浮動(dòng)值為0.5～1.2 ℃，意味著70%的溫度增長(zhǎng)發(fā)生在過(guò)去的40年，地球地表溫度比過(guò)去140年內(nèi)任何時(shí)候都要高，不可逆轉(zhuǎn)的氣候變化風(fēng)險(xiǎn)也日益加大[46]（見圖10）。1977年，美國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家威廉·諾德豪斯最先提出全球2 ℃的溫升控制目標(biāo)，2015年，《巴黎協(xié)定》正式提出到本世紀(jì)末將全球平均溫升控制在工業(yè)化前水平（2 ℃）以內(nèi)。但2018年，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）歷時(shí)2年完成的《全球溫升1.5 ℃特別報(bào)告》指出，將全球溫升控制在 1.5 ℃比控制在2 ℃更能夠有效降低地球氣候風(fēng)險(xiǎn)[47]，2021年，聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)達(dá)成決議將“控制全球溫升 1.5 ℃”作為確保人類能夠在地球上永續(xù)生存的目標(biāo)之一[46-47]。

圖10 1880—2020年全球溫度距平值[46]

3.2.2 全球極端天氣增多增強(qiáng)

根據(jù)IPCC評(píng)估[47]，過(guò)去40年里，極端低溫、極端高溫、極端干旱、極端降水、火山噴發(fā)等極端事件呈現(xiàn)增多增強(qiáng)的趨勢(shì)[48]（見圖11），2021年全球爆發(fā)了約190次極端天氣事件，“地球之肺”亞馬遜雨林已逼近生態(tài)崩潰的臨界點(diǎn)，正從碳匯轉(zhuǎn)變成了碳源；北極海冰面積持續(xù)下降，將面臨夏季無(wú)冰的現(xiàn)象；海水熱膨脹和陸地冰融化造成全球海平面快速上升，1993—2002年全球平均海平面每年上升 2.1 mm，2013—2021年全球平均海平面每年上升4.4 mm，增加了1倍多；全球開闊海洋表面pH值下降為26 000年以來(lái)最低值，海洋碳庫(kù)吸收 CO2能力隨之降低；截至目前，全球15個(gè)“氣候臨界點(diǎn)”已被激活了9個(gè)，極端天氣有可能加速并引發(fā)地球系統(tǒng)的“多米諾骨牌”效應(yīng)，從而以自然災(zāi)害、疾病等直接或者間接形式影響人類的生存與可持續(xù)發(fā)展。目前人類已爆發(fā)了16次大的疫情，累計(jì)造成了超過(guò) 10×108人口的死亡。2002—2003年間爆發(fā)的SARS疫情，在短時(shí)期內(nèi)造成919人死亡，病死率達(dá)11%；2019年爆發(fā)至今的新型冠狀病毒疫情已造成全球死亡人口突破 600×104人（見表2），人類面臨自二戰(zhàn)以來(lái)最嚴(yán)峻的考驗(yàn)，全球氣候變化帶來(lái)的環(huán)境危機(jī)不斷發(fā)展，未來(lái)強(qiáng)度更大、影響更廣的極端天氣將給地球系統(tǒng)各圈層帶來(lái)更多不確定性的風(fēng)險(xiǎn)因素。世界各國(guó)已普遍認(rèn)識(shí)到：為避免全球極端天氣帶來(lái)的威脅，人類不僅需要關(guān)掉持續(xù)排放溫室氣體的“水龍頭”，將每年向全球大氣排放510×108t CO2當(dāng)量的溫室氣體在本世紀(jì)末實(shí)現(xiàn)“凈零”排放，人類還需要打開清除歷史累積溫室氣體的“排水閥”，消除人類歷史已排放的CO2，實(shí)現(xiàn)“凈負(fù)排放”[49]。

圖11 1980—2021年人類經(jīng)歷的極端天氣災(zāi)害[48]

表2 全球爆發(fā)16次大疫情統(tǒng)計(jì)表

4 碳中和下能源發(fā)展戰(zhàn)略

碳中和目標(biāo)下，碳基能源向非碳基能源跨越，能源體系將加速向低碳化、零碳化轉(zhuǎn)型[50-51]，化石能源將從主體能源逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ｕ闲阅茉?，新能源將逐步成為主體清潔能源[52-53]；能源技術(shù)將實(shí)現(xiàn)變革性突破，CCUS（碳捕獲、利用與封存）/CCS（碳捕獲與封存）、氫能與燃料電池、生物光伏發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、光儲(chǔ)智能微網(wǎng)、超級(jí)儲(chǔ)能、可控核聚變、智慧能源互聯(lián)網(wǎng)等顛覆性技術(shù)將逐漸被攻克。能源理念將發(fā)生轉(zhuǎn)變，從單一滿足人類自身用能需求向呵護(hù)與共享地球的綠色用能轉(zhuǎn)變，構(gòu)建綠色能源命運(yùn)共同體將成為打造人類命運(yùn)共同體的重要組成部分，追求綠色創(chuàng)新、奉獻(xiàn)綠色能源、建設(shè)綠色家園將成為新型能源科技創(chuàng)新體系的“三綠”目標(biāo)。

4.1 世界能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略舉措

4.1.1 更新能源理念，發(fā)展“能源學(xué)”與“碳中和學(xué)”

能源理念的更新轉(zhuǎn)變需要對(duì)能源科學(xué)理論的再認(rèn)識(shí)和再發(fā)展。碳中和目標(biāo)下，綠色能源體系建立是關(guān)鍵。能源學(xué)的提出[24]打破了傳統(tǒng)單一類型的能源研究范式，第一次以系統(tǒng)觀的視角探究地球、能源、人類三者相互影響與協(xié)同演化這一科學(xué)問(wèn)題，在時(shí)間和空間尺度，研究各類能源形成分布、評(píng)價(jià)選區(qū)、開發(fā)利用、有序替代、發(fā)展前景等內(nèi)容，揭示地球系統(tǒng)中各種能量載體的共生分布關(guān)系及發(fā)展規(guī)律，對(duì)完善能源研究學(xué)科體系具有重要意義。碳中和學(xué)拓展了能源學(xué)的研究范疇，以人類活動(dòng)引起的碳排放與地球碳循環(huán)系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)平衡為目標(biāo)，以無(wú)碳新能源有序替代化石能源為途徑，以經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)政策、能源技術(shù)等為內(nèi)容，探究人類活動(dòng)足跡對(duì)自然環(huán)境影響最小化的科學(xué)規(guī)律，是能源科學(xué)與社會(huì)科學(xué)的交叉學(xué)科[54-55]。創(chuàng)新發(fā)展能源學(xué)與碳中和學(xué)，培養(yǎng)人才、創(chuàng)新技術(shù)與管理，將為可持續(xù)開發(fā)利用地球能源、清潔綠色發(fā)展、建設(shè)宜居地球提供理論指導(dǎo)。

4.1.2 創(chuàng)新能源技術(shù)，發(fā)展“三碳”技術(shù)

科學(xué)創(chuàng)新無(wú)盡前沿，技術(shù)發(fā)展無(wú)窮力量，科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的主要驅(qū)動(dòng)力。低碳化和生態(tài)化成為新一輪科技革命的顯著特征，綠色、智慧、可持續(xù)發(fā)展成為重大主題。發(fā)展“三碳”（碳減排、碳零排、碳負(fù)排）核心技術(shù)成為能源轉(zhuǎn)型中科技創(chuàng)新的重要方向和關(guān)鍵目標(biāo)。通過(guò)清潔替代、跨界融合、綠色接替三大路徑，來(lái)推動(dòng)化石能源碳中和發(fā)展，通過(guò)發(fā)展碳工業(yè)體系與氫工業(yè)體系，來(lái)構(gòu)建以清潔、無(wú)碳、智能、高效為核心的“新能源”+“智能源”體系。

4.1.3 打造綠色能源命運(yùn)共同體，共建宜居綠色地球

綠色發(fā)展承載人類同呼吸共命運(yùn)的價(jià)值追求，成為全球的共同關(guān)切和期望目標(biāo)，蘊(yùn)含世界協(xié)同合作的融合與交匯。從能源利益共同體向綠色能源命運(yùn)共同體發(fā)展，需要人類在“地球村”理念的框架上，建立以共贏、互信、協(xié)同、參與、分享為基礎(chǔ)的能源科技創(chuàng)新與能源合作發(fā)展新模式，共同應(yīng)對(duì)氣候變化等挑戰(zhàn)，尊重自然、順應(yīng)自然、呵護(hù)自然，積極促進(jìn)全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，助力推動(dòng)人類命運(yùn)共同體的構(gòu)建，共建生態(tài)宜居的綠色地球。

4.2 中國(guó)從“能源大國(guó)”向“能源強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略躍升

中國(guó)從 1949年能源總產(chǎn)量為 0.2×108t標(biāo)準(zhǔn)煤的“能源小國(guó)”，發(fā)展為2021年能源總產(chǎn)量為41.7×108t標(biāo)準(zhǔn)煤的“能源大國(guó)”。未來(lái)，向“能源強(qiáng)國(guó)”跨越，逐步實(shí)現(xiàn)“能源獨(dú)立”，就必須牢牢端穩(wěn)能源的飯碗。加快能源革命，建設(shè)能源強(qiáng)國(guó)，需遵循“科學(xué)無(wú)盡前沿、技術(shù)無(wú)窮力量”的宗旨，根植“只有枯竭的思想、沒有枯竭的能源”的精神，秉承“綠色創(chuàng)新、綠色能源、綠色家園”的理念，打破固化傳統(tǒng)觀念的“封腦子”理論禁區(qū)，突破束縛產(chǎn)業(yè)升級(jí)的“卡脖子”技術(shù)，練就科技“殺手锏”絕招，依靠高水平科技自立自強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的能源自主自強(qiáng)。既要一手端穩(wěn)端牢化石能源的飯碗，筑牢筑強(qiáng)化石能源安全供給的“壓艙石”，又要一手端起端好新能源的飯碗，筑高筑大新能源綠色可持續(xù)發(fā)展的“增長(zhǎng)極”。能源發(fā)展具有化石能源低碳化、新能源規(guī)?；?、能源系統(tǒng)智慧化三大趨勢(shì)，分“三步走”構(gòu)建高質(zhì)量的“清潔低碳、安全高效、獨(dú)立自主”綠色能源體系，實(shí)現(xiàn)中國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)從以化石能源為主的“一大三小”向以新能源為主的“三小一大”戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)型。

4.2.1 構(gòu)建“清潔低碳、安全高效、獨(dú)立自主”的綠色能源體系

分“三步走”構(gòu)建新型綠色能源體系。①2021—2035年，化石能源清潔化為主并提速新能源發(fā)展，依靠煤炭清潔利用產(chǎn)業(yè)化、頁(yè)巖油氣開采工業(yè)化、可再生及核能規(guī)?；嵘履茉凑急?、保障油氣供給；②2036—2050年，化石能源與新能源并重發(fā)展，提升新能源規(guī)模，減量煤炭利用，力爭(zhēng)頁(yè)巖油與富油煤原位開采工業(yè)化釋放大量資源潛力，儲(chǔ)能、可控核聚變等關(guān)鍵技術(shù)取得顛覆性突破，“氫能中國(guó)”社會(huì)基本建成；③2051年之后，新能源生產(chǎn)消費(fèi)占主體地位，全面低廉化、規(guī)?；瘧?yīng)用，智慧能源體系全面建成，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)從煤炭占比最大，石油、天然氣、新能源占比小的“一大三小”，向煤炭、石油、天然氣占比小、新能源占比最大的“三小一大”革命性轉(zhuǎn)型，化石能源與新能源二者地位歷史性轉(zhuǎn)換。

4.2.2 能源生產(chǎn)領(lǐng)域要高碳能源低碳化、零碳新能源規(guī)?；?/p>

端穩(wěn)化石能源飯碗，煤炭需要實(shí)現(xiàn)高效清潔利用和超低排放，發(fā)揮保障國(guó)家能源長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略安全“儲(chǔ)備”與“兜底”作用；石油需要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)，以非常規(guī)石油戰(zhàn)略接替為主，回歸原料屬性，發(fā)揮保障國(guó)家能源安全“急需”與民生原料用品“基石”的作用；天然氣實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，常規(guī)天然氣與非常規(guī)天然氣并重發(fā)展，發(fā)揮保障國(guó)家能源安全與新能源最佳“伙伴”作用；端穩(wěn)新能源飯碗，需要實(shí)現(xiàn)多能源協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)施集中與分布式并重的布局，發(fā)揮保障國(guó)家能源戰(zhàn)略“接替”與“主力”的作用。

4.2.3 能源消費(fèi)領(lǐng)域多能互補(bǔ)、智慧調(diào)控

構(gòu)建靈活穩(wěn)定的智慧能源系統(tǒng)，充分應(yīng)用新一代數(shù)字、智能化信息技術(shù)，加快構(gòu)建源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)智慧協(xié)同，煤、油、氣、電、氫多能互補(bǔ)，電網(wǎng)、熱網(wǎng)、燃料網(wǎng)多網(wǎng)融合，產(chǎn)消雙向靈活響應(yīng)的智慧能源體系，實(shí)現(xiàn)多種能源系統(tǒng)在能源供給側(cè)、輸配側(cè)、需求側(cè)互聯(lián)互通深度融合。依靠智慧“大能源”管理，大幅提升能源利用效率，支持和鼓勵(lì)各類能源主體自主接入能源系統(tǒng)、雙向參與能源市場(chǎng)交易，促進(jìn)能源利用效率和服務(wù)水平大幅提升。

4.2.4 能源儲(chǔ)備領(lǐng)域要多能聯(lián)動(dòng)、備足“糧倉(cāng)”

做穩(wěn)能源“糧倉(cāng)”，強(qiáng)化天然氣儲(chǔ)備，發(fā)揮支撐可再生能源大規(guī)模開發(fā)利用的“穩(wěn)定器”作用，形成戰(zhàn)略儲(chǔ)備與商業(yè)儲(chǔ)備相結(jié)合、地下儲(chǔ)庫(kù)與地上儲(chǔ)罐相結(jié)合的儲(chǔ)備系統(tǒng)。構(gòu)建“保底+調(diào)節(jié)”特征的石油儲(chǔ)備體系，實(shí)施“探而不采、產(chǎn)能儲(chǔ)備”戰(zhàn)略，建立10×108t探明地質(zhì)儲(chǔ)量規(guī)模的石油資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備。推動(dòng)多能聯(lián)儲(chǔ)，由常規(guī)儲(chǔ)油、儲(chǔ)氣為主，向機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能等拓展，依據(jù)不同能源特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)常態(tài)與非常態(tài)下的能源需求差異，建立集中式與分布式協(xié)同的多種儲(chǔ)能聯(lián)動(dòng)保障系統(tǒng)。

4.2.5 能源新產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)引領(lǐng)、構(gòu)建新的能源

工業(yè)體系

依托新能源發(fā)展與儲(chǔ)能“糧倉(cāng)”建設(shè)，構(gòu)建“綠電、綠氫、綠熱、綠碳”產(chǎn)業(yè)體系。從以火電為主體的“灰電”，向以新能源發(fā)電為主體的“綠電”產(chǎn)業(yè)發(fā)展；從以化石能源為主的“灰氫”，向新能源為主的“綠氫”產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在大西北規(guī)模化發(fā)展風(fēng)光熱能與新型儲(chǔ)能技術(shù)，實(shí)施“西氫東送”工程；在大東南利用海洋能并發(fā)展海水制氫技術(shù)，實(shí)施“氫化東南”。利用地?zé)崤c石油工業(yè)融合發(fā)展的先天優(yōu)勢(shì)，發(fā)展油氣田地?zé)崮芾?，?gòu)建供暖制冷一體化智能保民生“冷暖”的地?zé)岙a(chǎn)業(yè)。提高“灰碳”的利用率，發(fā)展以CCUS/CCS為核心，涵蓋碳捕集、碳運(yùn)輸、碳驅(qū)油、碳封存、碳產(chǎn)品、碳金融等一體化業(yè)務(wù)的全鏈條碳產(chǎn)業(yè)。

5 未來(lái)10大科學(xué)之問(wèn)的思考

從宇宙演化、地球系統(tǒng)演化、人類社會(huì)發(fā)展與能源演化3個(gè)尺度來(lái)思考未來(lái)，需要研究關(guān)注10個(gè)方面問(wèn)題：①在太陽(yáng)56×108年后成為紅巨星之前，人類如何通過(guò)成千上萬(wàn)代努力來(lái)維持日-地-月系統(tǒng)？②人類如何避免可能周期發(fā)生的第 6次生物大滅絕而導(dǎo)致文明的瓦解？③如何利用當(dāng)前地球的環(huán)境與剩余資源來(lái)支撐人類由工業(yè)文明發(fā)展到生態(tài)文明階段？④全球氣候變化對(duì)人類威脅日益加大，需要什么樣的綠色“地球科學(xué)”與“地球工程”？⑤人類發(fā)展過(guò)程就是打破時(shí)間與空間限制的過(guò)程，走向太空需要優(yōu)先突破哪些技術(shù)？⑥隨著人類社會(huì)進(jìn)步與能源轉(zhuǎn)型，除了“碳中和”外，還需其他元素“中和”或“補(bǔ)償”嗎？⑦未來(lái)的終極能源，除了掌握可控核聚變技術(shù)，還有其他更高能量密度的綠色能源選項(xiàng)嗎？⑧人工光合作用技術(shù)利用“人工樹葉”制造“超級(jí)燃料”并固定 CO2，未來(lái)會(huì)被廣泛使用嗎？⑨人類可以逐步替代化石燃料的能源屬性，但用什么替代其物質(zhì)屬性來(lái)維持人類發(fā)展？⑩新能源利用歷經(jīng)千年，從原始利用、規(guī)?；茫蛑腔鄹咝Ю玫臅r(shí)間依然會(huì)很長(zhǎng)嗎？

6 結(jié)論

生命起源與能源形成與地球系統(tǒng)密切相關(guān)，具有3個(gè)尺度的協(xié)同演化關(guān)系。超長(zhǎng)時(shí)間尺度上，日-地-月系統(tǒng)演化為地球系統(tǒng)的形成提供了能量來(lái)源和地外環(huán)境條件。以地球天文年齡為起始的長(zhǎng)時(shí)間尺度上，地球系統(tǒng)演化經(jīng)歷了天文階段、生物圈演化和人類圈演化3個(gè)階段，為生命的誕生和人類的發(fā)展提供了能源資源等物質(zhì)前提和適宜的圈層環(huán)境。以人類誕生為起點(diǎn)的短時(shí)間尺度上，人類文明建立以煤炭、油氣、新能源為代表的能源時(shí)代，利用能源推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步，使人類圈層突破了地球系統(tǒng)，向地外文明拓展，推動(dòng)地球文明從行星文明向恒星文明跨越。

地球系統(tǒng)碳循環(huán)存在無(wú)機(jī)碳循環(huán)、短期有機(jī)碳循環(huán)、長(zhǎng)期有機(jī)碳循環(huán) 3種形式，記錄了地球、能源演化與人類發(fā)展協(xié)同演進(jìn)的過(guò)程。人類的生物屬性決定人類營(yíng)力改造地球的后果將同樣作用于人類，人類對(duì)化石能源的無(wú)節(jié)制利用和全球化圈層改造活動(dòng)打破了地球系統(tǒng)碳循環(huán)自然平衡和閉環(huán)路徑，導(dǎo)致溫室氣體增加和全球氣候變化，嚴(yán)重影響人類可持續(xù)發(fā)展。地球地表溫度已升至140年來(lái)的最高，“控制溫升1.5 ℃”已成為保障人類可持續(xù)發(fā)展的全球目標(biāo)，能源轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行，碳中和愿景必將實(shí)現(xiàn)。

謀劃構(gòu)建世界“綠色能源命運(yùn)共同體”，中國(guó)深入推動(dòng)能源革命，加快建設(shè)能源強(qiáng)國(guó)，是碳中和目標(biāo)下構(gòu)建新型能源體系的根本舉措。建設(shè)能源強(qiáng)國(guó)，需筑牢筑強(qiáng)化石能源安全供給“壓艙石”，筑高筑大新能源綠色可持續(xù)發(fā)展“增長(zhǎng)極”，依靠高水平科技自立自強(qiáng)，構(gòu)建高質(zhì)量的“清潔低碳、安全高效、獨(dú)立自主”的綠色能源體系，實(shí)現(xiàn)中國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)從以化石能源為主的“一大三小”，向以新能源為主的“三小一大”革命性轉(zhuǎn)型。

碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)加速了新能源時(shí)代的到來(lái)。石器時(shí)代的終結(jié)不是因?yàn)槿鄙偈^，化石能源時(shí)代的縮短也不是因?yàn)槎倘辟Y源。從傳統(tǒng)化石能源向非化石新能源轉(zhuǎn)型，是能源發(fā)展的必然趨勢(shì)和必然選擇。能源發(fā)展具有化石能源低碳化、新能源規(guī)?；⒛茉聪到y(tǒng)智慧化三大趨勢(shì)，遵循“科學(xué)無(wú)盡前沿、技術(shù)無(wú)窮力量”的宗旨，根植“只有枯竭的思想、沒有枯竭的能源”的精神，通過(guò)綠色創(chuàng)新，貢獻(xiàn)綠色能源，共建綠色家園，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“能源獨(dú)立”，共享“美美與共，天下大同”的愿景世界。

由于作者水平有限，文章難免有不妥之處，敬請(qǐng)讀者指正。