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第一部分 地球号太空船2

第1章 能源挑战2

1.1 我们的地球号太空船2

1.2 不平等世界中的不可持续增长4

1.2.1 人口增长与承载能力4

1.2.2 经济增长与生态恶化4

1.2.3 不平衡性5

1.3 能源和气候危机6

1.4 应对挑战6

1.5 无法回避的问题7

第2章 概念和误解9

2.1 能量的定义9

2.2 基本定律10

2.3 一次能源转化为可用能源10

2.4 消耗能量以获取能源：EROI11

2.5 内能12

2.6 能量单位与转换13

2.7 巨大的能量和电力需求14

2.8 一些能量关键参数15

2.9 能源普及与能源文盲16

2.10 关键数字；唤醒能源意识的算盘17

第3章 能源的历史21

3.1 简史21

3.2 畜力22

3.3 人类奴隶和能源奴隶23

3.4 水车和风车24

3.5 从木柴到煤炭25

3.6 蒸汽机26

3.7 机动车27

3.8 飞机27

3.8.1 传统发动机27

3.8.2 喷气式引擎28

3.9 电力29

3.9.1 早期发展29

3.9.2 信息和通信技术29

第二部分 化石燃料34

第4章 石油34

4.1 什么是石油34

4.2 石油的历史、勘探、开采和产量35

4.2.1 历史35

4.2.2 勘探35

4.2.3 开采36

4.2.4 产量37

4.3 石油运输39

4.3.1 管线运输39

4.3.2 油轮运输40

4.4 石油提炼41

4.5 石油储存42

4.6 非常规石油42

4.7 石油化工产品44

4.8 石油燃料45

4.8.1 世界版图45

4.8.2 美国及其他发达国家46

4.8.3 中国和印度46

4.9 美国对石油的依赖47

4.10 石油价格51

4.11 石油峰值和储备52

4.11.1 非可再生资源52

4.11.2 石油储量53

4.11.3 石油峰值53

第5章 天然气56

5.1 什么是天然气天然气来自何处56

5.2 天然气性质和定义56

5.3 天然气开发简史57

5.4 天然气的生产、使用和储存58

5.5 液化天然气60

5.6 天然气加工61

5.7 运输、储存和分配62

5.7.1 运输62

5.7.2 储存64

5.7.3 配送64

5.8 天然气用户：能源和原料64

5.8.1 能源应用64

5.8.2 天然气作原料65

5.9 非常规天然气67

第6章 煤炭69

6.1 煤炭是什么69

6.2 煤炭开采70

6.3 煤炭的运输与工业应用71

6.4 煤炭气化71

6.5 煤炭的生产、消费和储存72

6.6 碳捕获和碳封存73

6.7 整体煤气化联合循环技术76

第7章 化石遗产78

7.1 能源的阴暗面78

7.1.1 不平等性和外部成本78

7.1.2 货币化成本78

7.1.3 间接影响79

7.2 矿物燃料燃烧对碳循环的改变79

7.2.1 碳的储存与流动79

7.2.2 CO2浓度的测量80

7.2.3 温室效应81

7.3 人为因素导致的气候变化82

7.3.1 人类对气候变化的认识过程82

7.3.2 冰川消融83

7.3.3 洋流干扰83

7.3.4 海洋酸化84

7.3.5 冻土融化85

7.3.6 气候变化对生态系统的影响85

7.4 空气污染与全球变暖86

7.4.1 烟尘和雾霾86

7.4.2 气溶胶与黑碳86

7.4.3 臭氧、臭氧层耗蚀物质和N2O87

7.4.4 复杂的状况87

7.5 应对之策87

7.6 限制CO289

7.6.1 监管、限制温室气体排放89

7.6.2 CO2浓度和温度91

7.7 空气污染和人类健康92

7.7.1 复杂的大气成分92

7.7.2 NOx92

7.7.3 臭氧93

7.7.4 悬浮颗粒物93

7.7.5 一氧化碳94

7.7.6 二氧化硫和酸雨94

7.7.7 重金属95

7.8 陆地和水质的退化95

7.8.1 原油泄漏96

7.8.2 燃煤残渣97

7.9 然后又能怎样98

第三部分 核能100

第8章 核能100

8.1 核裂变与核聚变100

8.1.1 放射性、质量和能量100

8.1.2 物质的结构101

8.1.3 核裂变102

8.1.4 链式核裂变反应103

8.1.5 核聚变103

8.2 核裂变的能量104

8.2.1 过去和现在104

8.2.2 核燃料105

8.2.3 铀资源供给106

8.2.4 核反应技术108

8.2.5 成本和建设工期109

8.2.6 核扩散110

8.2.7 安全与防护111

8.2.8 核废料的处置112

8.2.9 退役和拆除113

8.2.10 其他限制因素114

8.2.11 愿景115

8.2.12 核工业复兴116

8.3 核聚变民用化118

8.3.1 难点118

8.3.2 磁约束方法118

8.3 3 惯性约束方法119

8.3.4 一厢情愿119

第四部分 可再生能源124

第9章 太阳能基础124

9.1 太阳光的起源124

9.2 太阳辐射和衰减126

9.3 储量、分布、重要性127

9.4 太阳能的缺陷：分散性和间歇性128

9.5 太阳能的转化：热、燃料和电129

第10章 太阳能光热和光电利用131

10.1 被动式太阳能建筑131

10.2 转换：分布式太阳能技术132

10.2.1 太阳能热水器132

10.2.1.1 集热器132

10.2.1.2 水管理133

10.2.1.3 日照量133

10.2.2 太阳能热水器的发展现状和趋势133

10.2.3 地能系统135

10.2.4 太阳能热电技术136

10.3 太阳能光热转换：太阳能流的聚集138

10.3.1 聚光式太阳能光热发电技术138

10.3.2 槽式抛物面太阳能热发电系统139

10.3.3 塔式太阳能热发电系统140

10.3.4 碟式斯特林太阳能热发电系统141

10.3.5 太阳能塔热气流发电系统142

10.3.6 太阳能光热发电系统的成本和碳足迹143

10.3.7 太阳能热化学转换143

10.4 光伏起源和发展145

10.5 无机光伏材料：关键原理146

10.6 硅太阳能电池148

10.6.1 多晶硅和单晶硅太阳能电池的加工148

10.6.2 材料要求、循环寿命、成本149

10.6.3 非晶硅薄膜太阳能电池150

10.7 薄膜太阳能电池150

10.8 有机太阳能电池152

10.9 太阳能聚光光伏发电及其他前沿技术154

10.10 光伏产业：全球化布局和市场发展趋势155

10.11 太阳能：可再生、易获取156

第11章 太阳能燃料158

11.1 引言158

11.2 天然的光合作用158

11.2.1 一个复杂的过程158

11.2.2 天然捕光系统159

11.2.3 天然的反应中心160

11.2.4 光合效率162

11.3 生物质和生物燃料162

11.3.1 生物质162

11.3.2 生物燃料163

11.3.3 第二代生物燃料166

11.3.4 生物燃料的前景167

11.4 未来交通运输业的燃料选择167

11.5 人工光合作用168

11.5.1 太阳能的需求168

11.5.2 选择正确的光反应形式170

11.5.3 选择正确的化学基底171

11.5.4 人工光合系统的组成172

11.5.5 人工光捕获系统与反应中心的结合173

11.5.6 多电子氧化还原反应所存在的问题174

11.5.7 半导体催化光解水反应175

11.6 染料敏化太阳能电池176

11.7 太阳能燃料所遇到的挑战177

第12章 其他可再生能源179

12.1 水电能源179

12.1.1 水电的起源179

12 1.2 发展潜力和实际应用状况180

12.1.3 优势、劣势和环境影响181

12.1.4 水电的未来181

12.2 风能182

12.2.1 发展史概述182

12.2.2 风电技术182

12.2.3 风电的巨大发展潜力184

12.2.4 发展现状和未来趋势185

12.2.5 环境影响187

12.2.6 风电成本188

12.3 海洋能188

12.3.1 潮汐能188

12.3.2 波浪能190

12.3.3 海洋热能191

12.4 地热能191

12.4.1 地热资源191

12.4.2 地热发电192

12.4.3 地热直接应用193

12.4.4 优势、劣势、展望193

12.4.5 下一步：深入挖掘194

第五部分 能源载体196

第13章 电能196

13.1 基本概念196

13.2 照明198

13.3 传统发电技术199

13.3.1 需求与供给199

13.3.2 基于矿物燃料火力发电站201

13.3.2.1 煤炭火力发电站201

13.3.2.2 石油或天然气火力发电站201

13.3.3 水电站202

13.3.4 核电站203

13.3.5 其他能源的贡献203

13.4 传统电网203

13.5 可再生能源发电205

13.5.1 间歇性和波动性205

13.5.2 风力发电206

13.5.3 太阳能发电206

13.6 电能储存207

13.6.1 储能的意义207

13.6.2 抽水蓄能系统208

13.6.3 压缩空气蓄能系统208

13.6.4 飞轮储能系统208

13.6.5 超导磁储能系统209

13.6.6 静电能储存（电容器）210

13.6.7 电池210

13.6.7.1 电池要求210

13.6.7.2 电池种类210

13.6.8 电解水制氢212

13.7 插电式交通工具213

13 7.1 混合动力汽车和纯电动汽车213

13.7.2 基础设施214

13.8 智能电网214

13.9 走向电驱动时代215

第14章 氢217

14.1 引言217

14.2 性质与工业应用218

14.3 氢气作为能量载体：一项艰巨的任务219

14.4 制取氢气的方法219

14.4.1 “清洁煤”技术219

14.4.2 生物质220

14.4.3 水解220

14.4.3.1 基本概念220

14.4.3.2 水力发电221

14.4.3.3 风力发电221

14.4.3.4 太阳能光伏发电222

14.4.3.5 聚光光热发电222

14.4.4 光致水分解制氢222

14.4.5 核能发电222

14.5 氢储存223

14.5.1 一个难题223

14.5.2 液态氢224

14.5.3 压缩氢气224

14.5.4 金属氢化物224

14.5.5 其他体系225

14.6 氢的运输和配送225

14.6.1 集中输送226

14.6.2 分散配送226

14.7 氢燃料终端应用227

14.7.1 燃料电池：基本概念227

14.7.2 质子交换膜燃料电池228

14.7.3 其他形式的氢燃料电池228

14.7.4 甲醇重整制氢燃料电池229

14.7.5 直接甲醇燃料电池230

14.8 氢动力汽车231

14.9 面向氢经济232

第六部分 展望可持续发展的未来236

第15章 前方的挑战236

15.1 对于地球状况的反思236

15.2 能源需求与供给237

15.3 能源与生活质量237

15.3.1 聚焦错觉237

15.3.2 能源、肥胖与不平等238

15.4 拯救气候239

15.5 淘汰矿物燃料239

15.6 规避核能239

15.7 生态可持续性240

15.7.1 自然资源240

15.7.2 学会知足241

15.8 为何要发展可再生能源242

15.9 结论243

附录 你知道吗？245

参考文献251

索引283