第1部分 引言 1
第1章 大气中二氧化碳与气候的变化 1
1.1为什么考虑未来的能源方案十分重要 1
1.2对可持续、安全且无污染的能源的需求 2
1.3气候变化 3
1.4大气污染与气候变化 4
1.5哪些能源方案可用于发电 6
1.6哪些能源方案可用于运输燃料 7
1.7当今世界的状况 8
1.8怎样能减少化石燃料的束缚 9
参考文献 10
第2部分 化石燃料（能源） 12
第2章 常规石油和天然气 12
2.1介绍 12
2.2油气储层 14
2.2.1油气定位和地层评价 14
2.2.2碳氢化合物的类型 15
2.3碳氢化合物的开采、储备、生产和消耗 17
2.3.1能量供应与需求 19
2.3.2常规石油和天然气 20
2.4全球变暖和碳氢化合物经济 26
2.4.1能源和经济 27
2.4.2控制碳氢化合物燃烧，减少CO2的排放 27
2.5结论 29
参考文献 29
第3章 煤炭加工与发电 35
3.1引言 35
3.2煤炭储量、生产和使用 36
3.2.1煤炭储量和生产 36
3.2.2煤炭的使用 37
3.3煤炭的特征 38
3.3.1煤炭的成分 38
3.3.2电煤的特性 38
3.4燃烧前的煤处理 39
3.4.1选煤 39
3.4.2洗选高硫煤 39
3.4.3其他污染物的去除 40
3.4.4超洁净煤的制备 41
3.4.5煤炭脱水和干燥 42
3.5洁净煤技术 43
3.5.1燃烧前技术 44
3.5.2燃烧技术 44
3.5.3燃烧后技术 45
3.5.4 C02的捕获和存储 45
3.6煤炭在未来能源结构中的作用 45
3.7结论 46
参考文献 47
第4章 油气新领域：深水区和北极 50
4.1引言 50
4.2深水区 51
4.2.1浮式液化天然气设施 51
4.3北极 54
4.4笼形水合物 54
4.4.1流动保障下的水合物 54
4.4.2水合物能源 57
4.5.地压地热天然气 58
参考文献 60
第5章 非常规油气：油砂 64
5.1引言 64
5.2油砂中沥青的开采 65
5.2.1矿采技术 65
5.2.2就地开采 66
5.3从沥青提取运输用燃料 68
5.4沥青的特性 69
5.4.1沥青的性质 69
5.4.2沥青质 70
5.5沥青改质过程 71
5.5.1减黏裂化 72
5.5.2焦化 73
5.5.3渣油加氢转化 74
5.6油砂的未来 75
5.6.1油砂生产和沥青改质中的能源使用 75
5.6.2油砂生产的用水管理 76
5.6.3提高沥青改质技术 76
参考文献 77
第6章 岩系碳氢化合物和水力压裂法 79
6.1引言 79
6.2页岩碳氢化合物 80
6.2.1油页岩 81
6.2.2含油页岩 81
6.2.3气页岩 82
6.2.4潜在资源 82
6.3提取方法 84
6.3.1油页岩干馏 84
6.3.2从页岩中生产油气 87
6.4页岩碳氢化合物的未来：生产预测 91
6.4.1页岩油 91
6.4.2岩系油 91
6.4.3页岩气 92
6.5总结 92
参考文献 93
第7章 煤层气：储量、生产及未来展望 98
7.1引言 98
7.2煤层气的性质及其成因 98
7.3可用煤层气及其生产 100
7.4钻探和开采技术 103
7.5煤层气开采的环境问题 104
7.6未来展望 104
参考文献 106
第8章 甲烷水合物 108
8.1背景 108
8.2甲烷水合物资源预测 111
8.2.1海洋甲烷水合物资源 111
8.2.2永冻层下的甲烷水合物 112
8.3甲烷水合物的勘探 112
8.4甲烷水合物生产技术 114
8.4.1降压 114
8.4.2 CO2—CH4转化 115
8.4.3甲烷水合物生产面临的挑战 117
8.5总结 119
参考文献 120
第3部分 核电（能源） 124
第9章 核裂变 124
9.1引言 124
9.1.1核燃料 124
9.1.2核裂变 124
9.1.3可控裂变反应 125
9.2核反应堆技术 127
9.2.1核反应堆的发展 127
9.2.2过去 127
9.2.3现在 128
9.2.4尖端反应堆技术 129
9.3辐照燃料管理 130
9.3.1开放式和封闭式燃料循环 130
9.3.2开放式和封闭式燃料循环的优缺点 131
9.3.3燃料循环的现状 132
9.4用作替代燃料的钍 133
9.4.1 钍的特性 133
9.4.2 钍燃料的潜力 133
9.5核能的实用性 134
9.5.1实用性 134
9.5.2安全性 134
9.5.3废弃物管理 134
9.5.4选址和公众接受度 135
9.5.5燃料供应 135
9.5.6增殖 135
9.6总结 135
参考文献 136
第10章 核聚变 137
10.1什么是核聚变 137
10.2核聚变发电的理想特性 138
10.3聚变发电面临的挑战 140
10.4聚变反应方法 141
10.4.1惯性约束聚变 141
10.4.2磁约束聚变 142
10.5聚变反应的经济效益 144
10.6聚变能的前景 144
参考文献 145
第4部分 运输能源（能源） 146
第11章 运输用生物燃料 146
11.1简介 146
11.2运输生物质燃料 147
11.3当今世界生物燃料 150
11.3.1来自蔗糖的甘蔗乙醇 150
11.3.2来自玉米淀粉的生物乙醇 151
11.3.3纤维素乙醇 151
11.3.4化学催化式乙醇 153
11.3.5生物柴油 153
11.3.6航空生物燃料 153
11.4生物燃料的政策和观点 153
11.4.1美国乙醇 154
11.4.2欧洲的乙醇和生物柴油 155
11.4.3巴西乙醇 155
11.5可持续性挑战 159
11.5.1土地利用和生物燃料 160
11.5.2生物燃料的道德问题 162
11.6科学的挑战与机遇 163
11.7观点与结论 165
参考文献 166
第12章 运输用燃料：生物质、煤、天然气和废弃液的前景 169
12.1简介 169
12.2替代碳液体燃料的过程概述 169
12.2.1直接液化法采油概况 169
12.2.2间接液化法采油概况 170
12.2.3合成法炼油的运输用燃料生产概况 171
12.3直接液化 171
12.3.1转化原则 172
12.3.2油质量 173
12.3.3运输用燃料的精炼 174
12.4间接液化 175
12.4.1天然气重整形成合成气 175
12.4.2来自生物质、煤和垃圾汽化的合成气 176
12.4.3费托合成 178
12.4.4利用费托合成油提炼运输用燃料 180
12.4.5甲醇的合成 181
12.4.6利用甲醇精炼运输用燃料 182
12.5液化的环境足迹 183
12.5.1上游对环境的影响 183
12.5.2下游对环境的影响 184
12.5.3产品使用对环境的影响 184
12.6未来能源 185
参考文献 186
第13章 运输燃料-液化天然气和甲烷 188
13.1简介 188
13.2天然气的来源 188
13.3天然气的开采 189
13.4天然气的储量 190
13.4.1热成因天然气 190
13.4.2生物成因天然气 192
13.4.3合成天然气 193
13.5天然气在运输燃料方面的利用 193
13.5.1直接利用 193
13.5.2间接利用 194
13.6天然气汽车的区域发展趋势 195
13.7天然气作为未来运输燃料的使用前景 197
13.8总结 199
参考文献 199
第5部分 交通能源（储能） 202
第14章 运输能源——锂离子电池 202
14.1背景 202
14.2锂离子电池的类型和材料 203
14.3电池的性能和期望概述 207
14.3.1性能和操作诊断 208
14.4未来技术 212
14.4.1锂空气 212
14.4.2锌空气 212
14.4.3硫化锂 212
14.4.4锡化锂 213
14.4.5硅化锂 213
14.5总结 213
参考文献 214
第6部分 可再生能源（能源） 218
第15章 风能 218
15.1全球资源 218
15.2资源评估 220
15.2.1行星边界层与记录法 220
15.2.2长期风力资源估计 222
15.3风力发电技术 223
15.3.1海上开发 225
15.3.2操作与维护 225
15.4电力系统集成 226
15.4.1高压直流输电网络 227
15.4.2风力发电厂常规发电仿真 228
15.4.3能源存储 229
15.4.4响应载荷和需求侧管理 229
15.4.5利用IT改善电力系统运行 229
15.5环境影响 230
15.6未来需求的发展和研究 230
参考文献 231
第16章 潮汐能源的起源和挑战 233
16.1前言 233
16.2潮汐的驱动 234
16.2.1天文驱动 234
16.2.2潮汐流的产生 235
16.2.3科里奥利力 236
16.2.4无潮点 236
16.2.5海洋潮汐 236
16.2.6气象力 237
16.2.7测深和地形 237
16.2.8潮汐流速 237
16.2.9波浪作用 239
16.2.10湍流与风暴潮 239
16.2.11系泊载荷和结构完整性 240
16.3设备 240
16.3.1 MCT（西门子） 241
16.3.2哈默菲斯特公司 241
16.3.3开放的水电 241
16.3.4亚特兰蒂斯公司技术 241
16.3.5苏格兰可再生能源 242
16.3.6国际项目 242
16.3.7设备总结 242
16.4固定和修理 242
16.4.1地基和固定 243
16.4.2吸/钻/打入桩固定 244
16.4.3海螺号 245
16.4.4锚固总结 245
16.5生物污损 245
16.6结论 246
参考文献 246
第17章 波浪能 248
17.1波浪能的背景及环境和发展动力 248
17.2什么是海洋波浪能 249
17.3能源及其测量 251
17.4预测与预报 254
17.4.1预报 254
17.4.2预测 254
17.5挑战和收益 254
17.5.1挑战 254
17.5.2收益 255
17.6转换器的类型 256
17.6.1设备类型分类 256
17.6.2装置位置分类 258
17.6.3装置运动分类 258
17.6.4捕获宽度 259
17.7装置等级 259
17.8现代设备 260
17.9波浪能的经济效益 261
17.9.1商业模式的成本 261
17.9.2详细资本和运营管理成本 263
17.9.3成本对设计产生的影响 264
17.10可替代输出 265
17.11未来 265
参考文献 266
第18章 太阳能：光伏 267
18.1引言 267
18.1.1太阳能资源 267
18.1.2光伏技术 268
18.2电气运行特性 270
18.2.1等效电路 270
18.2.2电流和电压特性 271
18.3光伏物理 272
18.3.1材料带隙能量 272
18.3.2掺杂和Pn结 273
18.3.3光伏电池的响应 273
18.4光伏电池的设计 274
18.4.1硅电池制造 274
18.4.2纹理和光学反射 275
18.4.3电触头 275
18.5现场工作性能 275
18.5.1电力生产曲线 275
18.5.2性能参数 277
18.5.3现场性能估计 277
18.5.4退化和失效模式 279
18.6增长的瓶颈 279
18.6.1并网 280
18.6.2费用 280
参考文献 281
第19章 太阳能-聚光太阳能发电 282
19.1引言：概念和基本特性 282
19.2当前技术发展状况 285
19.2.1槽式发电厂 285
19.2.2线性菲涅耳系统 289
19.2.3中央接收器系统 290
19.2.4蝶式发电系统 292
19.3成本与市场 293
19.3.1成本结构与实际成本图 293
19.3.2到2050年CSP的潜在影响 296
19.3.3更多选择 299
参考文献 299
第20章 太阳能热水器 303
20.1太阳能热水器的基本原理 303
20.1.1平板集热器 303
20.1.2真空管集热器 304
20.1.3整体式系统 305
20.1.4聚光集热器 305
20.1.5主动和被动太阳能热水系统 305
20.1.6太阳能资源和集热器倾角 306
20.1.7性能指标 307
20.1.8性能等级评定和认证 309
20.2市场评估 309
20.2.1全球市场发展趋势 309
20.2.2全球市场集热器的类型 310
20.2.3全球市场对比 310
20.2.4市场壁垒与经济分析 311
20.3太阳能热水器的未来 312
20.3.1低成本太阳能热水器系统 312
20.3.2商业系统 314
20.3.3光伏发电/集热器组合系统 314
20.3.4太阳能辅助热泵 314
20.3.5热水供应和空间采暖组合系统 315
20.3.6太阳能热水系统的社区模块化应用/区域供暖 315
20.4结论 315
参考文献 315
第21章 水力发电 317
21.1引言 317
21.2水力资源 319
21.2.1潜能评估 319
21.2.2全球和区域概况 320
21.3技术 322
21.3.1河床式水电站 322
21.3.2堤坝式水电站 322
21.3.3抽水储能式水电站 322
21.3.4引水式水电站 323
21.3.5地下水电站 323
21.3.6大型和小型水电站 323
21.4可持续发展问题 324
21.4.1生命周期评估 324
21.4.2温室气体排放 325
21.4.3能源回报率 325
21.4.4气候变化的影响 326
21.5成本问题 327
21.6并网运行 329
21.7未来部署 329
参考文献 330
第22章 地热能 332
22.1热流和地下温度 332
22.2地质构造控制因素 333
22.3地热系统的类型 335
22.4世界各地的地热潜能 336
22.5全球各地地热能的发展 336
22.6地热发电方法 338
22.7地热能的直接应用 341
22.8环境挑战 344
22.9地热能利用的最新进展 345
22.10地热能的前景 347
22.11其他信息的来源 348
参考文献 348
第7部分 新的可能的能源方案 350
第23章 氢：一种能源载体 350
23.1引言 350
23.2氢 350
23.2.1特点 350
23.2.2用途 351
23.2.3问题 351
23.2.4潜在的回报 351
23.3使用氢所需的基本要素 352
23.3.1生产 352
23.3.2配送 353
23.3.3存储 354
23.3.4应用 356
23.3.5安全：法规、规范和标准 357
23.3.6教育 358
23.4现状 358
23.4.1市场地位 358
23.5世界各国氢能研究的现状和未来发展态势 358
23.5.1澳大利亚 358
23.5.2巴西 359
23.5.3加拿大 359
23.5.4中国 359
23.5.5法国 359
23.5.6德国 359
23.5.7冰岛 359
23.5.8印度 359
23.5.9日本 359
23.5.10韩国 360
23.5.11新西兰 360
23.5.12挪威 360
23.5.13俄罗斯 360
23.5.14南非 360
23.5.15阿联酋 360
23.5.16英国 360
23.5.17美国 360
参考文献 361
第24章 燃料电池：能量转换技术 362
24.1引言 362
24.2固体氧化物燃料电池发电系统 365
24.2.1燃料处理器 365
24.2.2燃料电池电源模块 366
24.2.3功率调节器 367
24.2.4换热器 368
24.3电损失 368
24.4固体氧化物燃料电池材料 369
24.4.1阳极 369
24.4.2阴极 372
24.4.3电解质 375
24.4.4互连 377
24.4.5密封件 378
24.4.6接触层 379
24.5研究趋势 380
24.6挑战 381
24.7结语 382
参考文献 382
第8部分 环境和相关问题 391
第25章 能量生产、分布和运输的环境影响 391
25.1能源介绍 391
25.2能源生命周期 392
25.3上游环节 393
25.3.1上游影响 394
25.3.2矿山应激源 394
25.3.3原油和天然气钻井的应激源 402
25.3.4环境公正 404
25.4燃料循环 406
25.4.1燃料循环的压力源 407
25.4.2原油运输的压力源 407
25.4.3炼油的压力源 409
25.5运作阶段 411
25.5.1燃烧 411
25.5.2运作 411
25.6下游环节 411
参考文献 412
第26章 CO2的捕获和存储 415
26.1 CO2捕获和存储的背景 415
26.2 CO2特性 416
26.3电力行业的CO2排放 417
26.4发电中的CO2捕获 417
26.5工业生产过程中的CO2捕获 419
26.5.1钢铁行业的CO2捕获 419
26.5.2水泥行业的CO2捕获 419
26.5.3燃料生产和化工/石化行业的CO2捕获 419
26.6 CO2运输 420
26.7 CO2存储 421
26.7.1地下存储 421
26.7.2加强油气中CO2的回收 423
26.7.3 CO2地质存储的考虑 425
26.7.4其他存储方式 427
26.8 CO2捕获和存储成本 428
26.8.1捕获成本 428
26.8.2运输成本 428
26.8.3存储成本 428
26.8.4 CCS成本 429
26.9 CCS现状 429
26.9.1现有大型项目 429
26.9.2大型综合项目计划 430
26.10 CCS潜能 431
26.11 CCS的挑战和动力 433
26.11.1政策和金融机制 433
26.11.2标准和法规 434
26.11.3公众意识 434
26.12未来 434
参考文献 435
第27章 能量存储技术概述 437
27.1概述 437
27.2能量生产和传输 438
27.3能源消费 439
27.4能量存储技术概要 440
27.4.1电化学储能 442
27.4.2静电能量存储 443
27.4.3电磁储能 444
27.4.4化学能 444
27.4.5动能 445
27.4.6潜在储能技术 445
27.4.7热能存储 446
27.5研究和进展 447
27.5.1智能电网和网络化储能 447
27.5.2车辆到电网 447
27.6结论 449
参考文献 450
第28章 智能电网：优化型电力系统 452
28.1概述 452
28.2传统电力系统 452
28.2.1传统电力系统设计 452
28.3新型智能电网中的电力系统模型 453
28.3.1配电系统广泛的测量性和通信能力 453
28.3.2用户与电力部门的双向通信 454
28.3.3电力部门与电力用户的互动性 454
28.3.4增强控制 454
28.3.5协调与整合 454
28.4智能电网的构建模型 454
28.4.1高级计量架构和智能电表 454
28.4.2配电自动化：变电和馈线的计量与控制 455
28.4.3通信系统 456
28.4.4用户参与 456
28.4.5分布式能源和电动混合动力汽车 457
28.5智能电网经济效益简介 458
28.5.1降低电力购买和生产成本 458
28.5.2降低电力公司的运营成本 459
28.6智能电网投资挑战的分析 459
28.6.1智能电网的巨大投资成本 459
28.6.2挑战分析 460
28.6.3智能电网研究联盟商业案例的评价与建议 461
28.6.4财务分析结果条理化 462
28.7其他智能电网问题 463
28.7.1互操作性与网络安全 463
28.7.2隐私权 463
28.7.3监管问题 463
28.7.4信息技术和数据管理系统 463
28.8社会效益：能源效率、节约能源、节能装置、减排 464
28.8.1提高能源效率 464
28.8.2节约能源 464
28.8.3节能装置 464
28.8.4减排 465
参考文献 465
第29章 发展中国家的能源资源 466
29.1概念和内容 466
29.1.1理解“资源”的概念 466
29.1.2发展中国家可持续能源方面资源的重要性 466
29.2能源资源 467
29.2.1自然能源资源 467
29.2.2人力资源 469
29.2.3技术层面：创新与适应 471
29.2.4资本和基础设施：市场、接入和网格 472
29.3在水和食物方面资源开发的意义 473
29.4结论 474
参考文献 474
第30章 向未来能源过渡 476
30.1引言 476
30.2人人享有可持续能源 477
30.2.1消除贫困 477
30.2.2稳定气候变化 477
30.3能源系统过渡面临的主要挑战 478
30.4科学与社会的差距 479
30.4.1科学家的警告 479
30.4.2国际社会的目标及目前的进展 480
30.4.3科学与社会的差距 481
30.5可持续发展第四个“P”的发展问题——政策制定问题 481
30.6本章小结——对社会变革进行引导 482
参考文献 483
第31章 中国的能源战略选择和预测 484
31.1背景 484
31.2能源与排放场景 484
31.2.1方法框架 484
31.2.2中国的排放场景 487
31.2.3能源场景 487
31.3能量转换和低排放途径的关键能量因素 488
31.3.1能源效率的提高 488
31.3.2可再生能源的发展 489
31.3.3碳捕获与存储 490
31.4不确定性分析 492
31.5总结 493
参考文献 493