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：EROI 11
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N2O 87
7.4.4 复杂的状况 87
7.5 应对之策 87
7.6 限制CO2 89
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 NOx 92
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