1.1 概述
究竟什么是“能源”呢？能源又称为能量资源或能源资源（energy sources），其本意是指能量的来源。现在，我们用这个词不是指它的本意，而是指在自然界中能够直接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源，这些资源可以使我们在生产和生活过程中得以利用。简单地说，就是产生人类所需光、电、热等任意形式能量的物质的统称。所谓能量，就是物质能够做功的能力。例如，钢铁冶炼需要热能；移动物体、开动各种车辆需要机械能；各种电机和电器设备，它们在工作时需要消耗电能等。这些主要的能量形式在我们的生活和生产中普遍使用，不过呈现的形式不同。
目前，已经被人类认识、开发利用的能源种类繁多，从不同角度出发，有多种分类方法。如，从能源产生出发，可以分为一次能源和二次能源。前者是指在自然界现成存在的能源，如煤炭、石油、天然气、水能等，即天然能源。一次能源又分为可再生能源（水能、风能及生物质能）和非再生能源（煤炭、石油、天然气、核能等），其中，煤炭、石油和天然气三种能源是一次能源的核心，它们是全球能源的基础；除此以外，太阳能、风能、地热能和氢能等可再生能源也被包括在一次能源的范围内。非再生能源又称为次级能源或人工能源，是指由一次能源直接或间接加工转换成其他种类和形式的能量资源，例如：电力、煤气、汽油、柴油、焦炭、洁净煤、激光和沼气等能源都属于二次能源。二次能源又可以分为过程性能源和含能体能源。从能源性质出发，可以分为燃料型能源和非燃料型能源。人类最早使用的燃料木材以及后来用的各种化石燃料，如煤炭、石油、天然气等属于燃料型能源。而太阳能、氢能、风能、潮汐能等属于非燃料型能源，由于这些非燃料型能源目前仍处在研究和开发利用初期，所以又称为新能源。根据能源消耗后是否造成环境污染可分为污染型能源和清洁型能源，污染型能源包括煤炭、石油等，清洁型能源包括水力、电力、太阳能、风能以及核能等。
能源存在于自然界，并随着人类智力的发展而不断被发现、被开发，又强有力地推动了人类文明的发展。人类从一诞生就与能源密不可分，可以说，整个人类社会发展史其实就是争夺和利用能源的发展史。
在能源的利用史上，就其划时代性革命转折而言，主要有三大转换：第一次是煤炭取代木材等成为主要能源；第二次是石油取代煤炭而居于主导地位；第三次是目前正在出现的向多能结构的过渡，这一转换现在还没有完成。人类利用能源的历史大致经历了柴草、煤炭、石油三个能源时期。火的使用，使人类第一次支配了一种自然力，从而使人类和动物界彻底分开。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。随着火进入家庭，形成“刀耕火种”原始农业的主要技术。此后经过无数次实践活动，人类掌握了用火冶炼金属的方法。标志着人类从石器时代进入铜器时代，然后是铁器时代。正是在火的光辉照耀下，人类才迈开了大发展的步伐。由于人类用火这种新的能源改善了人类环境，也促进了人类的生存和发展，所以希腊神话中把人和上帝称为“一样的角色”。人是造物者，是革新者，是人类世界和人自己的改造者。但是，当时人类还没有掌握把热能变成机械能的技巧，因此，柴草并不能产生动力。从茹毛饮血的原始社会到漫长的奴隶社会、封建社会，人力和畜力是生产的主要动力。风力和水力的利用，使人类找到了可以代替人力和畜力的新能源。随着生产的发展，社会需要的热能和动力越来越多。而柴草、风力、水力所提供的能量受到许多条件的限制而不能大规模使用。
人类对火的利用，一直延续到前资本主义时期，木材是当时的主要燃料。随着文明发展，生活水平提高，人口增多，对木材的需求出现了供不应求的局面。16世纪发生于欧洲的“木材危机”，曾使欧洲文明一度出现停滞局面，迫使人们用煤代替木材作为主要能源。煤炭这种新兴矿物质燃料能源的开采使用，引起社会生产力、生产技术、生产结构一系列变革。煤的发现，提供了大量热能；风车和水车的制作，积累了机械制造的丰富经验；于是，两者结合起来，蒸汽机出现了。蒸汽机的使用，不但奠定了各国工业化的基础，也开辟了人类利用矿物燃料作动力的新时代。但是，蒸汽机十分笨重，效率又低，无法在轻便的运输工具如汽车、飞机上使用。人类在生产实践中又发明了新的热机——内燃机。内燃机的使用，引起了能源结构的一次又一次变化，石油登上了历史舞台。世界各国依赖石油创造了经济发展的奇迹。
20世纪50年代，世界能源开始了以石油、天然气为主的时代。石油成为世界的主要能源，以及廉价石油的大规模开采、利用，使得世界经济有了突飞猛进的发展，各主要资本主义国家依靠廉价石油，实现了经济发展的“黄金时代”。但是，人类在享受能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时，也遇到了一系列无法避免的能源短缺、能源争夺等能源安全挑战。能源争夺严重影响了国际社会的安定，甚至引发战争。如20世纪90年代的海湾战争和伊拉克战争，其本质也就是为了争夺一种传统能源——石油而引起的国际争端。能源储备与需求之间已趋失衡，难以长期满足人类社会对能源的需求，而其他形式的能源，近期尚难替代现有常规能源，从而引发能源危机。目前，世界各国普遍存在着不同形式的能源危机。“能源危机”问题，说到底是一个能源资源和资源生产、供应与消费之间的矛盾问题。能源危机与能源问题对不同的国家有着不同的意义，其关注点和应对策略也不尽相同。
与能源危机相伴而行的是全球环境的日益恶化。自从工业革命以来，人类通过燃烧化石燃料，已经把数十亿吨有毒污染物排放在大气层中。矿物燃料燃烧时排放的二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、烟尘、氮氧化物、放射性飘尘等大量有害物质导致大气污染、酸雨和温室效应的加剧。发达国家在工业化初期因大量的煤炭燃烧而付出了沉痛代价，英国伦敦在20世纪50～60年代素有“雾都”之称。在1952年的一次烟雾事件中，死亡人数高达4000人。在新技术革命到来之时，一些发达国家抢先发展低能耗的高技术产品，将烟囱工业转嫁给发展中国家，从而使本国的环境质量得以改善。与此同时，欠发达国家的一些城市比20世纪50年代西方国家出现的最坏情况还要糟糕。由于化石燃料的燃烧产物是二氧化碳，巨大的能量消耗导致每年有3×1012kg的二氧化碳排放到大气中。CO2浓度升高导致地球温度升高。地球上98%的CO2溶解在海水里，海水温度每升高1℃，CO2的溶解度便下降3%，所以地球温度升高又导致海水向大气释放更多的CO2，从而造成温室效应的恶性循环。2006年10月30日，英国政府公布了一份有关全球气候变暖问题的报告，这份长达700页的《斯特恩报告》指出，如果各国政府在未来10年内不采取有效行动遏制“温室效应”，那么全球将为此付出高达6.98万亿美元的经济代价，这将超过两次世界大战和20世纪30年代美国经济大萧条时期所付出的代价。此外，冰川大量融化所引起的气候变化会导致全球1/6的人口严重缺水，40%以上的野生物种灭绝，并造成了多达两亿的“环境难民”。这些问题严重地威胁着人类的生存与发展。
世界上越来越多的国家认识到一个能够持续发展的社会应尽可能多地用洁净能源代替高含碳量的矿物能源，寻找替代能源，开发利用可再生能源成为社会经济发展的岿然趋势。为了开发清洁的新能源，世界各国都在因地制宜地开发或大力研究太阳能、风能、生物能、氢能等化石能源以外的新型替代能源，其中，氢能被认为是未来最有希望的能源之一，有的科学家甚至将21世纪称为氢能源世纪。氢能之所以成为科学家眼中的宠儿是基于以下几个主要原因：超级洁净，生成物为水，基本实现温室气体和污染物的零排放；化学活性高，燃料电池避开热机转换循环可实现能量高效转换；通用性强，可用于大多数终端燃烧设备；可望实现低损耗运送。由此，氢能这一新能源体系受到美、中、日、欧等各个国家和地区高度重视，许多国家都在加紧部署、实施氢能战略。氢经济（hydrogen economy）的概念也应运而生，科学家们正在面对各种问题和挑战，希望氢经济在不久的将来成为现实。