文章来源《元宇宙与碳中和》
碳中和是一场广泛而深刻的社会经济系统性变革，事关中华民族永续发展，事关构建人类命运共同体，事关我国新时期高质量发展。
碳中和是最确定的未来，数字昭然天下，时间表、路线图和施工图层层分解落实。碳中和要靠政府决心，更要靠市场机制和技术进步，要走出一条符合中国国情的碳中和道路。
时代呼唤颠覆性绿色能源技术，需要数字技术赋能碳中和，绿色能源革命将重塑中国经济和中国社会。
人类对能源的认识、开发和使用是社会文明进步的动力源泉。
用火是人类进化史上关键一步，火的使用是区别人与动物最重要的表征。
人类用火最初只能依赖自然火源，火源无论来自闪电的突袭，还是来自丛林的自燃，抑或是来自火山的爆发，都具有极大偶然性。
人类逐渐摸索学会了控制用火，脱离茹毛饮血的动物生活习性，对环境更加能够适应，生存能力随之增强。
用火随之成为人类改造世界的手段，人类活动区域空前延展。从火的发现开篇，人类开发利用能源的历史已经走过薪柴时代、煤炭时代、油气时代、电力时代。
当人类摸索出摩擦生热、钻木取火的手段，木柴、秸秆等柴薪成为核心能源，薪柴时代由此到来，人类摆脱了完全依附大自然的生存状态，刀耕火种铸就农耕文明的根基，人类直接从自然界获取能源，简单利用，学会了烧制木炭，用木炭烧制陶器，进而发展到冶炼青铜，人类开始使用金属工具，社会生产力出现大跃升。
青铜时代之后又掌握了铁器冶炼技术，在原始的农业、畜牧业之外，诞生了手工业。
柴薪作为主要燃料，来源丰富，开发采集有节制，人类与大自然相谐相生。
煤炭目前可查证的最早文字记载来自中国先古奇书《山海经》，书中多处提到的石涅，涅石是煤炭当时的古称。
英国人托马斯·塞维利于1698年发明了一个装置，用加压的蒸汽来泵水，在矿井抽水中派上了用场，这算是人类第一台实用的蒸汽机。
英国人托马斯·纽科门于1712年发明了利用大气压力做功的蒸汽机，由于特别耗煤，只有煤矿才用得起，因此缺乏推广价值。
英国的一位修理工瓦特对这款蒸汽机做了改良，1769年制成第一代瓦特蒸汽机，可省煤70%。
1784年，瓦特再次改进的第二代蒸汽机问世，燃料消耗惊人地降至纽科门蒸汽机的七十分之一。
薪柴显然支撑不了蒸汽机对能源的要求，能量密度更大的煤炭代替薪柴，人类第一次真正意义的技术革命到来，人类一步跨入工业社会，从此进入煤炭时代。
手工业被以纺织业为代表的轻工业取代，人类原始的生产力获得解放。
煤炭业、纺织业、机器制造业、冶金业与交通运输业作为产业，在英国率先成型，英国成为全球上第一家“世界工厂”。
油气时代的开启与三个人有莫大关系：1846年，加拿大地质学家亚伯拉罕·格斯纳博士从煤炭里炼制出煤油，纽约一家公司于1853年开始批产煤油；
1859年，美国的埃德温·德雷克用世界上第一口深水油井钻出了石油；
1885年，德国的卡尔·本茨设计制造了世界上第一辆内燃机发动的汽车。
石油被发现、被利用的历史很悠远，中东有公元前3000多年发现地表溢出原油的记录；
古巴比伦人有把石油用作船只防水材料和建房黏合剂的记录；
古埃及人还用石油来为木乃伊防腐。
中国最早可查到的记载是《易经》：“泽中有火”“上火下泽”。
在相当长时间里，石油被当作包治头痛、牙疼、耳聋、胃病、风湿、水肿和打虫的神油。
随着内燃机大显身手，汽车、飞机进入人们的生活，相比煤炭能量密度更大、更加便于移动的汽油和天然气开始被人类青睐。
1908年，美国福特公司T型汽车问世，流水线、大批量、规模化的生产让汽车进入大众市场，汽油的市场需求高歌猛进。
两次世界大战中，军用装备把石油需求的狂涨带入快车道。
1967年，石油在世界能源消费总量占比首次达到41%，一举超越煤炭（占比38%）。
天然气是生物遗体在地下经过亿万年高温、高压作用形成的可燃气体，主要成分是甲烷，热值高，燃烧稳定。
据目前可查到的记载，在公元前6000年到公元前2000年间，波斯人发现了从地下渗出的天然气，就直接用来照明。
中国在战国时期挖井盐时发现了可燃烧的天然气，给这种井取了个名叫“火井”。
位于如今四川自贡的自流井气田，是世界上最早人工开发的天然气田。
这些自流井本来是用来采盐的。1659年，英国在欧洲率先发现了天然气。
1821年，美国纽约开始用导管将天然气输送给用户照明和烹调，这是天然气商业化利用的开端。
1925年，美国铺设了第一条天然气长输管道，开启了天然气工业化利用的时代。
到2020年，全球天然气产量达3.85万亿立方米，全球天然气可采储量为188.1万亿立方米。
电是能源的升级版，把一次能源转换成了二次能源，便捷性、易用性和可扩展性更好。
1850年马克思看到一台电力机车模型后曾预言：“自然科学正在准备一场新的革命。
蒸汽大王在前一个世纪中翻转了整个世界，现在它的统治已到末日，另外一个更大的革命力量──电力的火花将取而代之。”
1875年，法国巴黎北火车站建成世界上第一座火电厂，用直流电提供照明用电。
1879年，世界最早售电的电厂——美国旧金山实验电厂发电。1882年，上海建成一座直流发电火电厂，为照明供电。
1886年，美国建成世界第一座交流发电厂。
这场以电机的发明和电力应用为标志的能源革命开启了电力时代。
由于率先大规模使用电力，美国在1890年赶超蒸汽机时代的世界霸主——大英帝国，坐上世界头把交椅。
以化石能源为基础的火电曾经长期是电力的专用代名词。
工业革命始于欧洲，欧洲推动去火电走在最前面。
2020年，欧盟可再生能源（新能源）发电占比达到38%，首次超过传统化石能源发电（占比37%）。
英国2019年煤电占比已降到5%，计划2025年前停用煤电。
法国2021年关停了所有煤电厂。
德国煤电占比长期在40%以上，计划2035年煤电退出……超过一半的欧盟成员国承诺到2030年逐步淘汰煤炭。
发展中国家对火电的依赖很难一去了之。
尽管全球煤电建设的步伐有所放缓，煤电产能整体出现大幅下降的趋势，但是煤电领域减排压力仍然存在，距满足《巴黎协定》所需的燃煤发电量大幅减少的目标仍有距离。
到2030年，煤电使用量需求要下降80%才能将全球升温保持在1.5℃以下。
所谓的新能源，是指区别于传统化石能源的太阳能、风能、水能、氢能、生物质能、海洋能、地热能等被认为很少甚至没有温室气体排放的清洁能源。
风电不需燃料，不产生温室气体，风能取之不竭，发电设施占地不大，远离人类聚居区，便于建设和维护。
用风车发电始于英国，詹姆斯·布莱斯于1887年发明了一套风力发电装置，这一年被认为是风力发电的元年。
美国人查尔斯·布鲁斯1888年造了一台风力发电机，这是世界上第一台自动运行的风力发电机。
全球第一个海上风电场出自风电王国丹麦，1991年建成。2010年在上海东海大桥建成中国首个大规模海上风电场。
截至2020年底，全球已投运海上风电场162个，累计装机容量32.5吉瓦。
中国在2000年新增陆上和海上风电装机容量均位列全球第一，累计陆上风电装机总量全球第一，累计海上风电装机总量仅次于英国。
风电，有风才能发电。
风何时来何时去，从哪个方向来向哪个方向去，能刮多久，多长时间一歇，都具有不确定性，供电的随机性、间歇性难以预测，不能作为主能源使用，即使作为调节能源，也会影响电网运行的稳定性，对输送系统负荷承载能力和调节能力要求比较高。
太阳能，难以独撑大梁。
太阳的能量只有约二十亿分之一被送达地球。
看似不起眼的这点馈赠却成为地球生命的能量来源。美国国家航空与航天局1976年用人造卫星做过测量，地球大气层上边沿所接受的太阳辐射通量密度测量值是每平方米大约1353（±21）瓦，这个数值被称为“太阳常数”。
太阳每秒钟为地球输送的能量相当于500万吨标准煤燃烧的热量，换算一下，相当于每天送给地球12亿度电。
追根溯源，风能、水能、海洋能、生物质能都是太阳赐予地球的，煤、石油、天然气也是被时间储存下来的太阳能。
《京都议定书》出台后，欧洲国家相继颁布鼓励政策，光伏市场开始大热，产业步入爆发。
中国光伏发电新增装机市场连续八年世界第一，累计装机量连续六年世界第一，光伏电池组件产量连续十四年世界第一。
太阳能强度受区域、天候、昼夜、季节、云层影响，难以掌控和调节。电站占地面积大，能量采集和转化的连续性、稳定性不够。
有科学家提出到太空去建发电站，但在设施设备难以做到小型化、微型化前，现有太空运载能力不足以将其送到太空，即使太空发电成功，如何稳定持续地传输回地面，目前同样无解。
海洋能，静候驯服的骏马。
海洋的比热容高、反射率低，源源不断蓄积能量。海洋能包括潮汐能、潮流能、波浪能、温差能和盐差能。
国际可再生能源署2021年公布的数据认为，全球海洋能源发电潜力为45000～130000太瓦时（TWh），是目前全球电力需求的两倍多。
月球、太阳引力引发海水周期性涨落，由此引起的海水垂直升降运动被称为潮汐，水平运动被称为潮流。
潮汐能、潮流能纯天然，无污染，受季节、气候影响不大，运行费用低，规律性强，可准确预报，便于精准开发利用。
潮汐电站需建在海湾、河口，远离人类聚居地，不受丰水期或枯水期困扰，基本不受气候制约，水坝不高，即使出现自然灾害或战争毁损，破坏力也小，还可发展水产养殖。
但建站需要占地面积较大，抗腐蚀和排沙防淤要求高，会改变水温、水流、盐度分层、海岸、海滩，进而影响海洋生物和有机物生存环境；
发电间歇性明显，并网使用会给电网带来负荷承载压力和调峰难度；潮汐能量密度低，高低潮位落差三米以上才有实用价值，而潮差和水头变化不恒定，发电量不稳定；
建设维护成本高，控制难度大，至今处于摸索尝试阶段。世界公认第一座实用的潮汐电站1967年在法国郎斯河口建成。
中国潮汐能理论蕴藏量1.1亿千瓦，其中有开发利用价值的约2100万千瓦，如全被开发利用，理论上每年可发电580亿千瓦。
中国1956年在福州建了第一座小型潮汐电站，目前仅存两座潮汐能发电站，浙江海山电站在改造中，唯一在运行的是浙江江厦潮汐试验电站。
潮流能发电不用建坝，发电装置直接安在海底或者漂浮在海上，而且能量密度高，约为风能的4倍、太阳能的30倍。
潮汐能发电行业龙头企业英国的亚特兰蒂斯资源有限公司预测地球上的潮流能储量超过120吉瓦。
2004年中国国家海洋局综合调查后认为，中国近海99条主要水道潮流能蕴藏量为8330兆瓦，技术可开发量为1660兆瓦。
潮流能发电过程没有碳排放，但发电机组的安装运行会对流域乃至上下游的流速、湍流强度、泥沙移动带来改变，海床的高程、泥沙在海域的沉积和侵蚀也会被改变，发电在海面、水下会产生噪音，动植物和有机物的生态环境、交流联络条件都会受到干扰。
水下电缆输电会形成感应电磁场、发电机组海上运维不可避免会造成污染。
潮流能开发利用研究尚处于初级摸索阶段。
波浪能是利用水的位能差、往复力或浮力产生的动力来发电。
世界能源委员会调查显示，全球可利用的波浪能达到20亿千瓦，相当于目前世界发电量的两倍。
中国近海海域波浪能蕴含量约达1.5亿千瓦，可开发利用量约为2300万～3500万千瓦。
最早的波浪能利用机械发明专利是1799年法国人吉拉德父子获得的。
1910年法国人布索·白拉塞克在海滨住宅建了一座气动式波浪发电站。
2008年9月，葡萄牙建成世界第一座商用波浪能发电厂。
2005年中国在广东汕尾市建成世界首座独立稳定波浪能电站。
波浪能除用于发电，还可用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等，但高度依赖风，随机性大，能量不稳定，难预测，发电输出波动剧烈，并网时容易对电网形成冲击；
发电成本居高不下，转换技术还不成熟；
离岸越远海域波浪能资源越好，可捕获能量越大，发电站需要往深海、远海发展，建设和维护难度大。
波浪能的开发利用也处于研究阶段。
海水越深，阳光到达量越少，海下200米阳光基本无法到达。
海洋温差能资源丰富，开发潜力大，可提供稳定电力输出，能量转换基本不产生震动、噪声、废水、废气，近零排放，发电装置长期免维护，除发电外，还可用于海水淡化、制氢、空调制冷、深水养殖，开发利用不占用土地资源，被认为是最具开发价值的海洋能。
联合国教科文组织统计分析认为，全球海洋温差能理论可再生量在400亿千瓦以上，按照2%利用率计算，每年可提供电能约7万亿千瓦时，相当于140亿桶原油发电量。
青岛海洋大学认为中国南海温差能资源理论上每年可发电5亿千瓦时。
2012年中国建成第一个实际运行的温差能试验电站，成为继美、日两国之后第三个实际运行海洋温差能发电的国家，但也还处于试验验证阶段。
温差能规模化开发利用还面临不少难题，发电效率低，换热面积大；电站选址远离海岸，施工难度大，建设和维护成本高；
大量深层海水被人为翻到海面，海域的海水温度分层、盐度分布、固定的环流、海洋动植物和有机物的固有生存分区出现改变；
深层海水会将海面下的营养物质翻到海面上，在太阳直射下，发生光合作用，导致浮游生物疯长，打破区域食物链稳定结构，甚至会导致水产养殖或鱼种鱼群栖居的改变；
海下施工和运维，也不可避免地造成环保问题。
生物质能，最原始也最新潮。
可资源化利用的生物质材料种类很多，包括可直接利用光合作用合成有机物的秸秆、稻壳、玉米芯、茎叶、木材和城市垃圾；
可间接利用光合作用产物形成的有机质，如人畜禽粪便、蟹壳、虾皮和贝壳等；
还有生物藻类等。
生物质可直接燃烧发电，也可焚烧垃圾发电、沼气发电、气化发电，还可以与煤混合燃烧发电。
据估算，地球上每年生成的生物质总量为1440亿吨～1800亿吨（干重），还不包括海量的人畜禽粪便。
生物质发电始于20世纪70年代丹麦用秸秆发电。
生物质材料还可用作制备炭材料，用作石墨替代品，还可在储能方面发挥作用。
国际可再生能源署发布的统计数据显示，2019年全球生物质能发电装机达到124吉瓦，2020年新增装机容量714万千瓦。
欧盟27国生物质能已占可再生能源的65%；
从碳减排贡献看，占比已达43%，位居第一。
截至2020年底，中国生物质发电累计并网装机容量达到2952万千瓦，连续第三年位列世界第一，占可再生能源装机总量3.2%，发电量占比达到6%。
根据中国产业发展促进会生物质能产业分会的数据，中国每年产生各类有机废弃物（含农林剩余物、生活垃圾、生活污泥、畜禽粪污、果蔬剩余物和工业有机废渣废液等）大约63亿吨，折合标煤约8亿吨。
当前能源化利用率不足5%。中国每年散煤消费量达7.5亿吨，其中大约2亿吨是农村消耗的。
用生物质替代散煤解决生活和冬季取暖需求，是可行之路。
同时，中国有大量燃煤发电机组，大多使用年限长，如能改燃生物质，可节省新建投资，可使燃煤机组减碳、零碳利用，避免直接淘汰造成巨大浪费。
中国耕地土壤面源污染突出，生物质变废为宝，可增加土地养分，改善土壤结构，增强土壤固水、固氮、固碳能力。土壤有机质每提高一个百分点，每亩地相当于可净吸收17吨二氧化碳。
地热能，古老而悠长。
从地表往地核深入，温度越来越高，地核熔岩温度高达6000摄氏度以上。如此巨大的热量从何处来，尚无确切定论。
地热储量巨大，不断再生，输出稳定可靠，不污染环境。
距离地表5000米、15摄氏度以上的岩石和液体的总含热量约相当于4948×l012吨标准煤的热量。
地热发电平均利用效率高达73%，是光伏发电的5.4倍、风力发电的3.6倍。
限于技术水平，地热长期只以温泉形式被用来洗浴、加热食物。利用地热能发电、采暖以及工农业利用起步于20世纪初。
地热能资源分布具有地域性，难以远程运输，对开采装备和技术要求高，跨学科和行业领域，发电没有昼夜和季节性变化，输出稳定负荷稳定，可以全年无休供能，除了发电，还可以做混凝土养护、可用作巴氏杀菌，还可用来提取工业用二氧化碳，可用于化工产业。
据世界地热大会公布的数据，地热直接利用冰岛曾长期居世界第一，2000年开始中国稳居第一，到2020年中国地热直接利用装机容量已占世界总量47.2%。
2020年全球直接利用地热能的装机容量为108吉瓦，是地热发电装机容量的6.8倍。
地热能应用前景广阔，开发潜力很大，但干热岩的规模化开发利用、低温地热发电技术的突破、地热发电的储能并网的突破均尚需时日。
氢能，21世纪终极新能源。
1964年，第18届奥运会在日本东京举办，举办方采用丙烷作为燃料，随后日本国内掀起“厨房革命”，燃气灶具走入千家万户。
2021年日本借助因疫情推迟一年举办的第32届奥运会大举推销了氢能产业。
氢气上升到能源高度，氢能量密度大，燃烧热值高，热值是天然气的2.6倍、汽油的3.1倍、煤炭的4倍。
氢开发利用过程没有温室气体排放，可用来发电、供热，可提供动力，可用来生产水泥、钢铁和化肥，可将化石能源的碳与可再生能源制取的绿氢结合生产日用品。
炼油化工、煤炭清洁利用都是氢能规模化利用的战场。氢能被认为是下一代清洁能源代表，甚至被称为21世纪的“终极能源”。
世界能源理事会将氢气分为灰氢、蓝氢、绿氢三类：通过化石燃料制备的被称为灰氢；
来自工业副产品，通过蒸汽甲烷重整、煤气化、碳捕捉储存利用（CCUS）等技术路径制备的氢，被称为蓝氢；
使用可再生能源电解水制备的氢被称为绿氢。
氢能生产成本高，储存的安全性、运输的便捷性、使用的方便性等制约发展的瓶颈问题还需通过技术进步解决。
绿氢是氢能发展主要方向。
国际氢能委员会认为：全球将从2030年开始大规模利用氢能。
中国氢能产业还处于市场导入期，绿氢成本高、产业链关键设备还依赖进口、安全储运技术有待突破、CCUS商业化应用技术还不成熟，2020年中国累计建设运营加氢站110座，数量位居全球第四位。
水电的开发。
人类很早就开发利用水能，古代的中国与古希腊几乎同步，从两千多年前开始，陆续发明了水车、水碓、水排、水磨等。
全球水电已开发量约占可开发量的27.3%。
世界100多个国家表示将继续发展水电。中国水电发展长期跟跑，哥本哈根气候大会后，对发展水电形成共识，很快成为世界领跑者。
2004年中国水电装机容量突破1亿千瓦，坐上世界首席。
中国水能资源技术可开发量5.42亿千瓦，同样居世界首位。
水电没有温室气体排放，建站还可防洪，可调节旱涝区域用水，可助力灌溉、改善航运，在电力调峰中也是主力军。
核能，值得期许的未来。
核聚变和核裂变都可以释放巨大能量，核聚变是人类寄予厚望的下一代能源，人类还没有取得可控条件下实现核聚变的钥匙，受控核聚变研发的两个重点方向是用氦-3为原料和用氢同位素为原料。
用100吨氦-3就可满足目前全球一年能源需求。核聚变反应过程辐射性产物仅为1%～5%，容易控制。
可惜由于磁场作用，加上大气层保护，地球辞谢了太阳持续不断馈赠的氦-3，地球已知储量仅有区区500千克。
月球对太阳馈赠的氦-3一直照单全收。科学界测算认为月球表面到地下数米深的地方就储藏了110万吨氦-3，足够满足地球上万年能量需求。
2015年，嫦娥三号“玉兔”月球车用测月雷达首次给出了月壤厚度估算值，认为前人可能低估了月壤厚度，也低估了月球上氦-3的储量。
2020年12月17日，嫦娥五号返回舱带着1731克月壤返回中国。
这次探月吸引了全球目光，不仅是因为人类时隔44年再次到月球采样，更因为这次可能在摸清月球氦-3存量上走出一大步。
氦-3的开发利用还有较长路要走。
一些科学家把希望的目光投向了用氢、氘和氚尝试核聚变。
氘也叫重氢，地球含量丰富，一升海水就可提炼1/6克氘，用来做核聚变反应后可释放相当于300升汽油燃烧的能量。
海洋里蕴藏着约23.4万亿吨氘，如能开发利用，足够人类使用几十亿年。
从海水中提炼氘技术已被人类掌握，但是氢同位素核聚变过程还难以把控。目前，人类还只能利用越来越稀缺的铀产生核裂变来释放热能。
1951年，美国爱达荷州国家实验室进行了核反应堆发电尝试，后来建成世界第一座核电站。
1954年6月27日，世界第一座工业化运营的核电站在苏联奥布宁斯克建成。
1991年12月15日，秦山核电站并网发电，填补了中国大陆核电站的历史空白（我国台湾的第一座核电站位于新北市金山区，1978年12月10日开始商业运转）。
《中国核能发展报告2021》蓝皮书披露，2020年中国核能发电量3662.43亿千瓦时，仅次于美国、法国，位列全球第三。
核电能量密度超高，核燃料易于储备，属于低碳绿色清洁能源，核电站占地面积不大，1千克铀核裂变释放的能量与2700吨标准煤或1700吨原油相当，一座100千瓦的核电站每年仅需补充核燃料30吨，同等规模的火电厂年耗煤量300万吨。
核电电力稳定，不受天候、昼夜、季节、环境冷暖等影响，并网时不会带来间歇不可知的调峰压力，发电过程不释放任何温室气体，运行成本较低，很多国家在谨慎中发展，世界核协会（WNA）公布的数据，截至2021年1月1日，全球有32个国家和地区在使用核能发电，共有441台在运核电机组，总装机容量约392.4吉瓦。
作为应对气候变化和满足能源增长需求的主要措施，欧盟计划到2050年投资5000亿欧元发展核能。