《高中课件能源与可持续发展》

能源与可持续发展欢迎来到能源与可持续发展专题课程本课程将带领大家深入了解能源与可持续发展之间的复杂关系，探索当今世界面临的能源挑战以及未来的发展方向我们将分析不同类型的能源资源、能源消费结构、环境影响以及可持续发展策略，帮助同学们建立全面的能源知识体系，培养可持续发展意识通过本课程的学习，希望同学们能够理解能源在现代社会中的重要地位，以及如何通过技术创新和政策引导推动能源系统向可持续方向转型什么是能源？能量的定义能源的来源能量是指物质进行功或热交换的能力，其基本形式包括势能、动能源是指能量的来源，主要包括来自太阳的辐射能、地球内部热能、热能、电能、化学能、核能和辐射能能量可以在不同形式能、引力势能以及原子核能等人类利用的能源形式多样，包括之间相互转化，但总量保持不变，这是能量守恒定律的核心内化石燃料（煤炭、石油、天然气）、太阳能、风能、水能、核能容和生物质能等能源是人类社会发展的基础动力，随着科技进步，人类对能源的利用效率不断提高，同时也发现了更多种类的能源能源的获取、转化和利用构成了现代能源系统的核心过程能源的分类可再生能源不可再生能源可再生能源是指可以在自然过程中不断再生的能源形式，包括不可再生能源是指形成需要数百万年而一旦消耗就不能在短时太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等这些能间内再生的能源形式，主要包括化石燃料和核能源这些能源源来源持续存在，理论上永远不会耗尽储量有限，使用会逐渐减少地球上可用的资源太阳能直接利用太阳辐射煤炭古代植物残体形成••风能利用风力带动涡轮发电石油古代海洋生物残骸••水能利用水的势能和动能天然气有机物分解产生••全球能源现状中国能源结构煤炭56%中国能源消费的主要来源石油18%主要用于交通和工业天然气8%逐渐增长的清洁化石能源可再生能源15%包括水电、风能和太阳能核能3%低碳能源补充作为世界第一大能源消费国，中国能源结构以煤炭为主，占总能源消费的56%左右近年来，中国正积极调整能源结构，大力发展可再生能源，推动能源系统转型升级中国已成为全球最大的可再生能源投资国，在风能和太阳能装机容量方面处于世界领先地位然而，由于历史原因和资源禀赋限制，煤炭在短期内仍将是中国能源结构的重要组成部分能源的转化与应用化学能热能燃料燃烧释放热能加热水产生蒸汽电能机械能发电机将机械能转为电能蒸汽推动涡轮转动能量守恒定律是能源转化的基本原理，它指出能量不会凭空产生或消失，只会从一种形式转化为另一种形式在转化过程中，由于热量散失等原因，能量的可用部分会减少，这就是热力学第二定律的内容能源的应用广泛存在于发电、交通、工业生产和日常生活中例如，火力发电厂将化石燃料的化学能转化为电能；汽车将汽油的化学能转化为机械能；太阳能电池板将太阳辐射能转化为电能提高能源转化效率是节能减排的重要途径世界能源分布全球化石燃料储量分布不均，中东地区拥有世界上最丰富的石油储量，约占全球总储量的；俄罗斯、伊朗和卡塔尔拥有最大的天48%然气储量；美国、俄罗斯和中国拥有最丰富的煤炭资源可再生能源潜力分布更为广泛，但也存在地域差异沙漠地区太阳能资源丰富；沿海和高原地区风能资源优越；地处板块交界处的国家地热资源丰富；山区国家水能资源丰富能源资源的不均衡分布导致了国际能源贸易和地缘政治复杂性能源使用历史前工业时代主要依赖生物质能源（如柴火）和人畜力量，风能和水能小规模应用于航海和磨坊工业革命时期煤炭成为主导能源，蒸汽机的发明推动了能源利用的革命性变化石油时代世纪初至今，石油和天然气成为主要能源，内燃机和电力系统广泛应用20可再生能源转型4世纪以来，可再生能源快速发展，全球能源系统开始向低碳方向转型21能源使用的历史反映了人类社会的技术进步和经济发展工业革命是能源利用的重要转折点，蒸汽机的发明使人类首次大规模利用化石能源，极大地提高了生产力，推动了社会变革能源价格趋势能源危机的背景年石油危机当前全球能源转型挑战地缘政治影响1973年，阿拉伯石油输出国组织对支持以当今世界面临的能源危机具有新的特点，能源资源分布的不平衡导致了复杂的国际1973色列的国家实施石油禁运，导致全球石油包括气候变化压力、传统能源资源枯竭风关系能源供应的安全性和能源价格的稳价格在短期内上涨近这场危机暴险以及能源系统转型的经济和技术障碍定性已成为国家安全战略的重要组成部400%露了西方国家对进口石油的严重依赖，引发展中国家需要解决能源可及性和可负担分，推动了能源多元化和本地化的发展趋发了全球经济衰退和通货膨胀性问题，同时减少环境影响势能源危机的影响经济影响能源价格波动导致通货膨胀和经济不稳定社会影响民生成本上升和社会不平等加剧能源贫困发展中地区无法获得可靠能源服务政治影响能源安全成为国际关系的核心议题能源危机对全球经济产生深远影响当能源价格剧烈上涨时，会导致生产成本增加、购买力下降，甚至引发经济衰退能源密集型产业和低收入家庭往往受到最严重的冲击全球仍有约亿人无法获得电力，主要集中在撒哈拉以南非洲和南亚地区能源贫困限制了这些地区的经济发展和生活质量提升，成为全球可持续发展面临的重大挑

7.6战之一解决能源可及性问题需要创新的技术解决方案和国际合作机制小结能源的重要性经济发展的动力能源是经济增长的基础，产业发展和城市化进程离不开稳定的能源供应能源价格和可获得性直接影响企业成本结构和竞争力生活质量的保障能源服务支持照明、供暖、制冷、烹饪等基本生活需求，显著提高人类生活质量和健康水平环境影响的来源传统能源利用导致大气污染、水质下降和生态破坏，引发全球气候变化等环境问题可持续发展的核心能源转型是实现可持续发展的关键环节，平衡经济发展、社会公平和环境保护的三重目标能源与环境的关系化石燃料燃烧煤炭、石油、天然气使用温室气体排放二氧化碳、甲烷等气体释放全球温度上升平均气温逐年升高极端气候事件增加洪水、干旱和风暴频率能源利用，特别是化石燃料的燃烧，是全球温室气体排放的主要来源据国际能源署数据，能源相关二氧化碳排放占全球温室气体排放的三分之二以上电力生产和交通运输是最大的排放部门过去一个世纪以来，全球平均气温已上升约，科学研究表明这主要由人类活动引起的温室气体排

1.1°C放所导致如果排放继续增长，未来气温可能上升，将对生态系统和人类社会产生深远影响2-4°C二氧化碳排放的来源温室效应太阳辐射到达地球短波太阳辐射穿过大气层到达地球表面，部分被地表吸收，部分被反射回大气地表辐射红外线被地表吸收的能量以长波红外辐射形式释放回大气层温室气体吸收热量大气中的二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等温室气体吸收部分红外辐射并向各个方向重新辐射热量被截留在大气中部分红外辐射被重新送回地球表面，使地表和低层大气温度升高温室效应本身是一种自然现象，对维持地球适宜温度至关重要没有温室效应，地球平均温度将比现在低约，不适合人类生存然而，人类活动导致大气中温室气体33°C浓度显著增加，增强了这一效应空气污染与能源煤炭燃烧交通排放工业排放释放二氧化硫、氮汽车尾气排放一氧工业生产过程排放氧化物、颗粒物和化碳、氮氧化物和各类有害气体和颗重金属，是雾霾和挥发性有机物，在粒物，影响区域空酸雨的主要来源城市形成光化学烟气质量雾健康影响空气污染导致呼吸系统疾病、心血管疾病增加，降低预期寿命中国北方地区的雾霾问题与能源结构密切相关，冬季燃煤供暖是主要污染源之一在印度德里、印尼雅加达等发展中国家大城市，能源使用引起的空气污染更为严重世界卫生组织数据显示，全球每年约有万人死于空气污染相关疾病700水资源问题水力发电影响石油污染热污染大型水电站改变河流自然流态，影响水生石油开采和运输过程中的泄漏事故对水体火电厂和核电厂的冷却系统大量取水后将生态系统和鱼类迁徙水库建设导致大量造成严重污染年墨西哥湾漏油事件温度升高的水排回水体，导致热污染这2010土地被淹没，可能引发局部气候变化和地释放了约万桶原油，成为历史上最严种温度变化影响水中溶解氧含量，可能破500质灾害风险然而，水电是一种清洁可再重的海洋石油污染事件之一，对海洋生态坏水生生物的生存环境生能源，在适当条件下能够提供稳定的电系统造成长期破坏力供应土地使用与能源开发化石燃料开采的生态破坏可再生能源项目的占地问题煤炭采矿特别是露天开采会直接破坏地表生态系统，导致水土流大规模太阳能和风能项目需要占用大量土地光伏电站通常需要失、地表塌陷和生物多样性损失石油和天然气钻探平台的建设每兆瓦亩土地，风电场的单位面积发电密度更低，但风机之5-10和运营也会对周边环境产生影响开采过程中产生的废水和固体间的土地可以用于农业或放牧生物质能源作物种植可能与粮食废物处理不当会造成进一步的环境污染生产竞争土地资源，引发粮食燃料争议vs美国阿巴拉契亚山区的山顶移除采煤法已经永久性地改变了当然而，与传统能源相比，可再生能源项目的土地影响通常更加可地地貌，破坏了原有生态系统加拿大艾伯塔省的油砂开发区已逆和轻微屋顶光伏系统和漂浮式光伏电站等创新应用方式可以成为世界上最大的人为工业景观之一减少对土地资源的占用重视土地使用规划和生态保护是能源开发的重要考量因素核能及其环保争议核能的优点核能的缺点运行过程中几乎不产生温室气体核事故风险（切尔诺贝利、福岛••排放事件）能源密度极高，占地面积小核废料处理难题，需安全存储数••万年燃料需求量小，运输和储存方便•建设和退役成本高，周期长能提供稳定的基荷电力，不受天••气影响核扩散风险和安全顾虑•核废料处理高放射性废物需冷却后进行玻璃固化•深地质处置是主流方案，将废物埋入地下数百米•芬兰的安可处置场是全球首个永久性核废料库•研究新技术如嬗变减少长寿命放射性核素•能源与生物多样性资源开采的直接影响污染的间接影响矿区开发破坏栖息地，导致局部物种减少或消失石油勘探活动化石燃料燃烧产生的污染物通过大气和水循环影响远离排放源的中的噪音污染影响海洋生物的觅食和通信流出的采矿废水可能生态系统酸雨破坏森林和水生环境，温室气体排放导致的气候含有重金属等有害物质，污染周边水体和土壤变化改变物种分布范围和行为模式可再生能源的生态考量生态修复实践风力发电可能对鸟类和蝙蝠造成撞击风险水电设施阻碍鱼类洄能源项目结束后的生态恢复对维护生物多样性至关重要成功案游大规模太阳能电站改变当地微气候和地表径流合理选址和例包括德国将废弃煤矿改造为自然保护区和休闲公园，以及在海采取缓解措施可显著减少这些影响上风电场基础周围创造人工礁区增加海洋生物栖息地气候变化的证据

1.1°C全球平均温度上升相比工业化前水平

3.3mm年均海平面上升速率1993年以来的数据40%北极海冰覆盖减少1979年以来夏季减少比例83%极端高温事件增加与人为气候变化相关的比例全球气温数据显示明显的上升趋势，特别是自20世纪80年代以来2015-2023年是有记录以来最热的九年极地地区的气温上升尤为显著，北极地区的升温速度是全球平均水平的两倍多冰川消融速度正在加剧，格陵兰岛和南极冰盖每年损失数千亿吨冰量海平面上升不仅威胁低洼岛国，还增加沿海城市的洪涝风险气候变化还导致极端天气事件如干旱、热浪和强降水的频率和强度增加，对农业生产和人类健康构成挑战报告摘要IPCC报告周期政府间气候变化专门委员会IPCC自1988年成立以来已发布六次评估报告科学共识人为温室气体排放是当前全球变暖的主要原因（可能性95%）预测情景如不采取额外减排措施，到2100年全球温度可能上升

2.5-

4.5°C影响预估海平面上升、极端天气事件增加、生物多样性减少、粮食安全受威胁减缓途径到2030年全球排放需减少45%，到2050年实现净零排放，以限制升温

1.5°C适应措施加强基础设施韧性、改进水资源管理、调整农业实践、保护自然生态系统IPCC是联合国下设的评估气候变化科学的权威机构，其报告是全球制定气候政策的科学基础第六次评估报告AR6明确指出，人类活动已经导致约

1.1°C的全球变暖，并将在未来几十年继续影响气候系统报告强调，气候变化的许多后果已经不可避免，但大幅减少温室气体排放仍能限制最严重影响的发生降低能源密集型生活方式、提高能源效率以及从化石燃料向可再生能源转型是减缓气候变化的核心策略应对气候变化的国际合作年《联合国气候变化框架公约》1992建立国际气候变化合作的基本框架，确立共同但有区别的责任原则年《京都议定书》1997首次为发达国家设定具有法律约束力的减排目标，引入碳交易等灵活机制年《巴黎协定》2015个国家达成历史性协议，目标将全球气温升幅控制在以内，努力限制在1972°C

1.5°C年后碳中和承诺2020中国承诺年前实现碳中和，美国、欧盟和日本等承诺年实现碳中和20602050《巴黎协定》标志着全球气候治理的新阶段，采用自下而上的国家自主贡献方式，同时保留自上而下的全球目标和审查机制各国根据自身国情确定减排目标和行动计划，每五年更新一次承诺小结能源与环境挑战气候变化环境污染全球变暖、极端天气加剧2大气污染、水质下降、土壤破坏资源枯竭化石燃料储量有限，开采成本增加可持续转型能源冲突发展低碳能源系统，平衡经济与环境4地缘政治紧张和资源争夺化石燃料在推动经济发展的同时，也带来了严重的环境后果能源系统的二元性（经济驱动与环境影响）是当前人类社会面临的核心矛盾之一能源使用与环境保护之间的平衡需要全球协作和系统性思维低碳经济转型是应对能源环境挑战的根本出路这一转型包括提高能源效率、大力发展可再生能源、调整产业结构、推广清洁技术和创新能源使用方式可持续的能源系统需要兼顾环境保护、经济发展和社会公平三个方面可再生能源概述太阳能风能水能直接利用太阳辐射能，通过光伏技术转化为利用风力带动风机叶片旋转，通过发电机将利用流动水的势能和动能发电，是目前世界电能或通过光热系统产生热能全球储量最机械能转化为电能已成为全球增长最快的上开发最成熟、应用最广泛的可再生能源丰富的可再生能源，理论上每小时到达地球可再生能源之一，价格竞争力不断提高，适大型水电站具有调峰能力，可以提供稳定的的太阳能量超过全人类一年的能源消耗合大规模开发电力供应，而小型水电对环境影响较小可再生能源是指那些在自然界中可以持续再生的能源形式，主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等与化石燃料相比，可再生能源的主要优势在于资源可持续性、环境友好性和广泛的地域分布太阳能发展现状风能的潜力全球风能资源分布海上风电与陆上风电对比全球陆地和近海风能资源丰富，理论上足以满足全球电力需求的海上风电相比陆上风电具有风速更高、风向更稳定的优势，发电数十倍风能资源分布不均，主要集中在沿海地区、平原、山口效率可提高海上不受土地限制，可以建设更大规模的20-40%和高原地带欧洲北海地区、美国中部平原、中国内蒙古高原和风电场，单机容量也可更大然而，海上风电面临建设成本高、新疆、印度西部等地区风能资源特别丰富运维难度大、电力传输损耗等挑战据国际能源署估计，全球风能技术可开发量约为万近年来，随着技术进步和规模化发展，海上风电成本快速下降，400TWh/年，远超当前全球万的年度用电量随着高塔架、大叶已在欧洲部分地区实现平价上网浮式风电技术的发展使深水区

2.5TWh片等技术进步，风能资源的可开发比例不断提高域的风能资源也可被利用，进一步扩大了开发潜力中国江苏如东海上风电场是全球最大的海上风电项目之一生物质能的利用生物质收集农林废弃物、能源作物、城市有机垃圾等预处理清洗、粉碎、干燥、分类等程序能源转化直接燃烧、热化学转化、生物化学转化能源利用发电、供热、生物燃料生产生物质能是利用植物和有机废弃物产生的可再生能源生物质发电是其主要应用形式之一，通过直接燃烧或气化等工艺将生物质转化为热能，再通过蒸汽轮机或燃气轮机发电目前全球生物质发电装机容量超过130吉瓦，主要分布在欧洲、北美和亚洲农林废弃物能源化是一种资源循环利用的重要方式例如，利用秸秆制成生物质颗粒燃料可替代部分煤炭使用；利用林业剩余物和木材加工废料生产生物质成型燃料；利用畜禽粪便进行沼气发酵不仅产生能源，还能减少有机废弃物污染生物质能源开发需要权衡粮食安全、土地利用和生态保护等多方面因素水能开发水能是目前全球规模最大、技术最成熟的可再生能源，约占全球可再生能源发电量的世界著名的大型水电站包括中国三峡水电站60%（装机容量吉瓦）、巴西巴拉圭伊泰普水电站（吉瓦）和美国胡佛水电站（吉瓦）中国是全球最大的水电生产国，装机容量超

22.5-142过吉瓦370大型水电站虽然提供了大量清洁电力，但也带来环境和社会影响，如生态系统变化、移民安置问题等为减轻这些影响，现代水电开发更加注重环境保护措施，如鱼道建设、生态流量保障、水质监测等小型水电由于规模小、对河流干扰少，环境影响相对较小，特别适合山区分散式能源供应地热能地热发电地热供暖增强型地热系统利用地下高温热能通过汽轮机发电，分为利用浅层或中深层地热资源通过热泵或直通过人工方式改善地下热储条件，使深层干蒸汽、闪蒸和二元循环等技术类型全接热交换提供采暖或制冷中国北方地区干热岩中的热能得到利用该技术可大幅球地热发电装机容量约吉瓦，主要分布有丰富的中低温地热资源，北京、天津、扩展地热能的适用范围，使无传统地热资15在环太平洋火山带和地质活动带上的国西安等城市已建成大型地热供暖系统冰源的地区也能开发地热能目前美国、欧家，如美国、印度尼西亚、菲律宾、新西岛首都雷克雅未克的建筑使用地热供盟等发达国家正积极推进这一前沿技术的95%兰、冰岛和肯尼亚等暖，是全球地热利用最成功的案例之一研发与应用可再生能源的经济性技术进步推动发展储能技术新型材料数字化技术锂离子电池能量密度高效光伏材料如钙钛人工智能算法优化能十年提升倍，成本矿太阳能电池效率突源系统运行，提高发3下降，使电网规破，柔性薄膜技电效率物联90%25%5-10%模储能和电动汽车成术扩展应用场景碳网技术实现设备远程为现实氢能和液流纤维复合材料使风机监控和预测性维护，电池等新兴技术适合叶片更轻更长，海上降低运维成本以30%长时间大规模储能，风机单机容量达上弥补锂电池不足15MW电网技术特高压输电技术减少远距离传输损耗，使资源优化配置智能微电网提高系统灵活性和可靠性，支持高比例可再生能源并网再生能源政策支持中国的可再生能源政策欧盟的绿色能源计划《可再生能源法》确立法律框架欧洲绿色协议目标年实现碳中和••2050上网电价补贴促进早期发展一揽子气候法案••Fit for55可再生能源配额制要求电力企业使用可再生能源指令要求年能源••203032%一定比例的绿色电力来自可再生源绿色电力证书交易机制建立市场化激励碳排放交易体系建立碳价格信号••ETS十四五规划设定清晰发展目标和路径欧洲复苏基金为绿色转型提供财政支持••全球政策趋势从固定电价补贴向竞价上网转变•建立更完善的市场机制和灵活性机制•配套电网和储能政策协同发展•结合产业政策促进技术创新和制造业发展•社会公平转型政策减轻转型对弱势群体影响•能源互联网能源系统整合电力、热力、燃气等多种能源形式互联互通智能电网基础双向电力流和信息流的现代电网系统数字化技术支撑大数据分析、人工智能和区块链等技术分布式能源参与小型发电设施和灵活用能资源广泛接入市场化交易机制能源生产者和消费者直接交易的平台智能电网是能源互联网的核心基础设施，通过先进的传感、测量、通信和控制技术，实现电力系统的智能化运行智能电网能够更好地适应高比例可再生能源接入的需要，提高电网稳定性和可靠性，同时优化能源分配效率分布式能源系统使能源生产和消费更加贴近，减少输配电损耗，提高系统韧性例如，屋顶光伏、小型风电、微型燃气轮机等分布式发电设施与需求侧管理、储能系统协同运行，形成灵活性资源池能源互联网将推动传统集中式、单向流动的能源系统向分散式、网络化、智能化方向转变可再生能源的挑战间歇性与不稳定性1风能和太阳能受天气影响，发电波动大储能需求需要大容量、低成本储能技术支持电网适应性传统电网难以接纳高比例波动性电源系统成本除发电成本外，还需考虑系统整合成本可再生能源的间歇性问题是其最大的技术挑战例如，光伏发电受昼夜交替和阴晴变化影响；风力发电则随风速变化而波动这种不稳定性使电网调度和平衡变得复杂，尤其当可再生能源占比较高时解决这一问题的关键是发展多种时间尺度的灵活性资源，包括电化学储能、抽水蓄能、需求响应和跨区域电力传输等与传统能源的竞争仍然存在，尤其是当考虑系统整合成本时虽然可再生能源的度电成本已显著下降，但加上储能、备用容量和电网增强等系统成本后，总体经济性挑战依然存在然而，随着技术进步和规模效应，这些挑战正在逐步克服，可再生能源的综合竞争力不断增强小结可再生能源的未来85%60%全球新增发电装机占比成本持续下降预计2040年可再生能源占比未来十年可再生能源预计降幅亿1050%新增就业人口一次能源消费占比全球绿色转型创造就业机会2050年可再生能源占比目标可再生能源正迎来历史性发展机遇，预计在未来全球能源系统中占据主导地位国际能源署预测，到2030年全球70%的新增发电装机将来自可再生能源，到2050年可再生能源可满足全球90%的电力需求技术创新将继续降低成本、提高效率，使可再生能源在更多地区和应用场景实现经济竞争力可再生能源的广泛应用不仅有助于应对气候变化，还将创造大量就业机会，促进能源系统韧性提升和能源获取公平性改善然而，能源转型的路径和速度将因各国资源禀赋、经济发展阶段和政策环境而异，需要因地制宜的解决方案可再生能源在全球能源转型中将发挥关键作用，推动人类社会迈向可持续发展的未来什么是可持续发展？可持续发展的定义联合国可持续发展目标2030可持续发展是指既满足当代人的需求，又不对后代人满足其需年，联合国个成员国一致通过了《年可持续发展议20151932030求的能力构成危害的发展模式这一概念最早由年《我们程》，提出个可持续发展目标和个具体目标，旨在198717SDGs169共同的未来》布伦特兰报告正式提出，强调经济增长、社会包到年消除贫困、保护地球并确保人人享有和平与繁荣2030容和环境保护三者的平衡与能源直接相关的是目标经济适用的清洁能源，旨在确保人7可持续发展要求在自然资源利用、投资方向、技术开发和制度变人获得可负担、可靠和可持续的现代能源此外，能源还与其他革等方面进行系统性思考，确保长期的生态健康和人类福祉它多个目标密切相关，如目标气候行动、目标产业、创新和139不是一个固定的和谐状态，而是一个变革过程，资源开发、投资基础设施等这些目标相互关联，形成一个整体框架，指导全方向、技术发展和制度变革都要适应未来和当前的需要球可持续发展进程怎样实现能源的可持续发展？提高能源效率应用先进节能技术，减少能源消耗改进工业流程、建筑设计和交通工具，最大化能源利用效率发展清洁能源扩大太阳能、风能等可再生能源比例逐步减少高碳排放能源的使用，实现能源结构低碳转型创新能源技术加强储能、智能电网等技术研发探索氢能、核聚变等前沿技术，拓展未来能源选择改革能源体系完善能源市场机制和政策法规推动能源系统从集中式向分布式、从单向流动向网络化转变促进公平获取解决能源贫困问题，确保弱势群体和欠发达地区能获得现代能源服务推动能源转型的社会公平性中国的能源转型路径近期控制煤炭消费2020-2030严控新增煤电项目，提高现有煤电机组效率，发展清洁煤技术，煤炭消费在2025年左右达峰中期可再生能源大规模发展2030-2040可再生能源装机容量占主导地位，煤炭消费大幅下降，非化石能源消费比重超过50%远期能源系统深度脱碳2040-2060建成以可再生能源为主体的新型电力系统，实现能源系统全面低碳转型，推动碳中和目标实现中国已提出碳达峰、碳中和目标，即2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和这一宏大目标意味着中国需要在30年内完成西方发达国家计划50-70年完成的能源转型，是一个前所未有的挑战能源转型是实现碳中和的核心中国计划大幅增加可再生能源装机，到2025年非化石能源占一次能源消费比重达到20%，到2030年达到25%以上，到2060年达到80%左右同时将构建新型电力系统，加强电网灵活性，发展储能和需求响应技术，解决可再生能源消纳问题中国的能源转型既要保障能源安全和经济发展，又要推进生态环境保护，需要走出一条具有中国特色的低碳发展道路节能技术高效照明智能家电照明比传统白炽灯节能以上，寿命长达万小时智能照明系节能冰箱使用高效压缩机和优化冷却系统，能耗仅为十年前产品的三分LED80%5统根据室内活动和自然光调节亮度，进一步提高能效中国已成为全球之一变频空调根据实际需求调节功率，比定频空调节能联30-50%最大的生产国，大规模推广高效照明产品网家电可实现远程控制和用能优化，避免不必要的能源浪费LED工业节能数据中心节能高效电机系统可节约工业用电，变频驱动技术根据负载需求调全球数据中心耗电量占总用电量以上，液冷技术比传统风冷系统能15-25%2%节电机转速，显著降低能耗余热回收利用工业生产过程中的废热，提效提高人工智能优化服务器负载和散热系统，可节约冷却能耗50%高系统整体能效工业和智能制造优化生产流程，减少能源消耗利用数据中心废热供暖是一种新兴的节能方式

4.030%能源效率提升建筑节能的设计原则交通领域的节能方法建筑能耗占全球终端能源消费的约，是节能减排的重要领交通部门消耗全球约的能源，其节能潜力巨大电动汽车能40%20%域被动式建筑设计利用自然通风、日照和保温隔热等原理，减源转化效率约，远高于内燃机的氢燃料电池车75-95%20-30%少对主动式能源系统的依赖高效建筑外墙、屋顶和门窗系统大辆提供另一种零排放选择，特别适合长距离和重型运输共享出幅降低热损失，保温材料技术不断进步行和智能交通系统提高车辆利用率，减少空驶和拥堵主动技术包括高效供暖、通风、空调和照明系统，结合建筑能源航空业通过轻量化材料、高效发动机和优化飞行路径降低燃油消管理系统实现智能控制绿色建筑标准如美国、中国绿色耗空客和波音等新一代客机比上一代节油约船LEED A35078725%建筑评价标准和德国被动房标准，为建筑节能提供了系统框架舶推进系统效率提升和替代燃料应用也在降低海运能耗公共交新加坡滨海湾花园和上海中心大厦是绿色建筑的典范，采用多种通系统尤其是电气化铁路运输能源效率最高，是可持续交通体系节能技术，能耗比传统建筑低以上的核心40%区域能源规划特征比较城市能源系统乡村能源系统能源需求密度高密度，集中负荷低密度，分散负荷基础设施条件完善的电网和管网基础设施相对薄弱主要能源挑战峰值负荷管理，空气质量能源可及性，能源贫困可再生能源优势屋顶光伏，垃圾发电生物质能，分散式光伏能效重点建筑节能，智能交通农业生产，生活用能创新模式区域能源网络，多能互补微电网，离网系统城市和乡村地区面临不同的能源挑战，需要差异化的规划策略城市地区能源需求集中，适合发展区域能源系统，如热电联产和集中供热制冷网络中国北方城市的集中供热系统是典型案例，正逐步从燃煤锅炉向清洁热源转变智慧城市理念将能源、交通和建筑整合优化，提高整体效率乡村地区能源基础设施相对薄弱，适合发展本地化能源解决方案分布式光伏与储能结合的微电网系统为偏远地区提供可靠电力农林废弃物制成的生物质成型燃料可替代薪柴，提高燃烧效率并减少室内污染中国的光伏扶贫项目将清洁能源开发与农村减贫有机结合，为乡村能源转型提供了成功经验共建绿色经济技术创新驱动产业结构调整发展绿色低碳技术，提高资源能源利用效率减少高耗能产业比重，发展服务业和高新技术产1业消费模式转变推广绿色消费，减少资源浪费和过度消费35市场机制完善循环经济发展建立碳市场，反映环境外部性资源循环利用，减少废弃物排放产业发展的低碳化转型是建设绿色经济的核心这包括传统产业的绿色化改造和新兴绿色产业的培育例如，钢铁、水泥等高耗能行业通过技术升级和流程优化降低能耗和排放；清洁能源、节能环保、新能源汽车等绿色产业快速发展，成为新的经济增长点循环经济理念强调减量化、再利用、资源化，最大限度提高资源利用效率工业领域的循环经济实践包括余热余压利用、副产品综合利用和产业共生等消费领域则推广共享经济、产品服务化等新模式丹麦卡伦堡生态工业园是全球知名的循环经济案例，园区内企业废物和能源相互利用，形成产业共生网络，能源利用效率比传统工业园区高以上30%可持续能源的全球行动全球各国通过多种机制开展能源领域合作，共同应对气候变化挑战可再生能源国际合作机构汇集个成员国，促进可再生能IRENA166源知识共享和政策协调清洁能源部长级会议聚焦清洁能源技术创新和部署，推动重大项目合作人人享有可持续能源CEMSE4ALL倡议致力于确保全球能源可及性，促进能源效率和可再生能源发展技术与资源共享是国际合作的重要内容发达国家通过技术转让、能力建设和资金支持，帮助发展中国家加速能源转型绿色气候基金、全球环境基金等多边融资机制为发展中国家的可持续能源项目提供资金支持一带一路绿色能源合作、中非清洁能源合作中GCF GEF心等双边机制也发挥着重要作用政策与法律支持能源税收政策强制性能源标准政策执行机制碳税对化石燃料征收与碳含量相关的税费建筑能效标准规定新建筑和改造建筑的能监督检查定期抽查企业和产品是否符合标•••耗上限准能源消费税根据能源种类差异化征税•设备能效标识家电、照明和电子产品的能处罚措施对违反规定的行为实施罚款或限绿色能源补贴对可再生能源和节能技术提•••效等级要求制生产供税收优惠工业能耗限额高耗能行业单位产品能耗标激励机制对超额完成节能目标的单位给予环境税费改革减少劳动税负，增加资源环•••准奖励境税负汽车燃油经济性标准限定新车型平均油耗公众参与信息公开和投诉举报渠道税收抵免鼓励企业和个人投资绿色能源项•••水平目第三方评估独立机构对政策效果进行评估•能源审计制度定期评估能源使用情况并提•出改进建议公民的参与培养节能意识日常节能行动社区能源项目能源教育是培养公民节能意识的基础学个人行动对节能减排具有累积效应家庭公民可以通过参与社区能源项目发挥更大校课程应包含能源知识和可持续发展理层面可以选择高效电器、适度使用空调、作用社区共享太阳能、能源合作社和群念，通过实验、参观和项目学习等形式，随手关灯、减少待机能耗等交通出行可众集资的可再生能源项目在欧洲已有广泛使学生理解能源系统和节能重要性社区优先选择公共交通、骑行或步行，必要时实践这些项目不仅产生清洁能源，还增宣传活动、媒体报道和公益广告也是提高使用共享汽车理性消费和减少浪费也是强社区凝聚力，创造本地就业和经济效公众能源素养的重要途径重要的节能行为益能源安全与可持续性能源多样化提高能效本地化能源战略储备减少对单一能源类型的依赖降低单位产出能源消耗增加自主能源供应能力建立足够的能源安全缓冲能源安全是指可靠、充足、可负担的能源供应，是国家安全和经济发展的重要保障传统能源安全关注石油等化石燃料的供应安全，现代能源安全概念更加全面，包括资源可获得性、技术可行性、经济可承受性、社会可接受性和环境可持续性多个维度多样化能源供应链是提高能源安全的关键策略这包括能源类型多样化、供应来源多样化和运输路径多样化例如，中国通过西气东输、西电东送等工程优化国内能源配置，同时积极参与国际油气管道建设，拓展海上运输通道此外，中国建立了相当于天进口量的石油战略储备系统，增强应对供应中断的能90力能源教育的重要性知识基础创新思维全球视野学生通过能源教育理能源教育培养学生对能源教育帮助学生理解能源基本概念、转未来能源挑战的创新解能源问题的全球化规律和环境影响，解决能力项目式学性，认识不同国家和建立系统性思维跨习鼓励学生设计节能地区的能源挑战与合学科教育将物理、化装置或可再生能源模作机会国际交流项学、环境、经济等知型，提升实践能力和目让学生接触多元文识整合，全面分析能创造力化背景下的能源观源问题念行为养成能源教育不仅传授知识，更注重培养负责任的能源使用习惯校园节能活动将理论知识转化为日常行为，增强学生的环保意识和社会责任感存在的挑战与实施难点经济成本可持续能源转型需要巨额投资技术障碍新技术成熟度和可靠性有待提高系统惯性现有能源基础设施和制度体系转型阻力社会因素公众接受度和既得利益方抵抗能源政策的实施面临多重挑战制度和法规执行不力是主要难点之一，尤其在地方层面，经济增长压力可能导致环境和能源政策让步产业结构调整过程中，传统高耗能产业工人的就业转型和社会保障问题需要系统解决方案能源项目的社会接受度也是重要考量因素一些可再生能源项目如风电场和输电线路常遇到邻避效应，公众担忧对景观、噪音和房产价值的影响核电站建设更面临严格的公众审查增强信息透明度、完善决策参与机制和合理的利益分享机制可以提高能源项目的社会接受度小结能源与可持续发展策略系统性思维能源、环境、经济系统整体考量多元化路径因地制宜的能源转型解决方案平衡优先级兼顾短期需求和长期可持续性技术创新突破性技术研发和广泛应用多方协作政府、企业、社会组织和公众共同参与实现能源与可持续发展的协调需要综合解决方案这包括技术路线、政策机制、市场体系和社会参与等多维度的系统性设计能源系统转型是一项长期任务，需要设定阶段性目标，逐步推进同时需要因地制宜，考虑不同地区的资源条件、经济发展阶段和社会文化背景科学技术的推动作用至关重要突破性能源技术可以改变能源发展轨迹，创造新的可能性例如，聚变能源、先进小型模块化核反应堆、新型光伏材料、大规模长时储能等前沿技术都有望带来能源革命同时，数字技术如人工智能、物联网和区块链等正在重塑能源系统的运行方式，提高效率和灵活性课堂复习与讨论能源基础知识1复习能源的形式、分类和转化原理，巩固对能源系统的基本认识讨论不同能源形式的优缺点及其在全球能源结构中的地位和趋势能源与环境关系2回顾能源使用对环境的多重影响，包括气候变化、空气污染、水资源问题等分析减少能源环境影响的技术路径和政策选择可再生能源发展3总结各类可再生能源的技术特点、发展现状和未来前景探讨可再生能源在中国能源转型中的角色和面临的挑战可持续发展策略4梳理能源可持续发展的基本原则和实施路径讨论能源转型过程中的经济、社会和环境平衡问题开放性问题讨论是深化理解的重要环节以下是一些值得思考的问题能源安全与环境保护是否存在根本矛盾？如何看待核能在低碳转型中的角色？发展中国家是否应当承担与发达国家同等的减排责任？能源普遍可及与环境保护之间如何平衡？能源计算题例题1太阳能电池板发电量计算已知条件-屋顶安装光伏面积为10平方米-光伏组件效率为20%-当地年平均日照强度为5千瓦时/平方米/天-系统综合损耗为15%求解该系统年发电量计算过程年发电量=面积×效率×日照强度×365天×1-损耗=10×

0.2×5×365×1-

0.15=3,

102.5千瓦时答案该光伏系统年发电量约为3,

102.5千瓦时能源计算题帮助学生掌握定量分析能力，理解能源系统的物理和经济特性常见的能源计算题包括能源转化效率计算、能源消耗量和二氧化碳排放量估算、可再生能源发电量计算、能源项目经济性分析等课堂练习中，可以让学生自行收集所在地区或学校的能源数据进行计算例如，计算学校屋顶安装光伏系统的潜力和收益，或者估算日常生活中的碳足迹并提出减排方案这种结合实际的数据分析能增强学生的应用能力和环保意识世界能源创新技术案例新能源汽车的发展碳捕集与封存技术海上浮动风电电动汽车技术迅速发展，续航里程从早期碳捕集与封存技术捕获工业过程中的浮动式海上风电突破了水深限制，使风能CCS的公里提升到现在的公里以上特二氧化碳排放，并将其封存在地下深层开发扩展到远海区域英国100600Hywind斯拉和中国比亚迪等品牌引领市挪威项目从年开始运行，每是世界首个商业化浮动风电场，Model3Sleipner1996Scotland场增长，全球电动汽车销量年超过年从天然气中分离出约万吨二氧化碳台风机总装机容量，运行稳定性和2022100530MW万辆快充技术进步使充电时间大幅并注入海底地层中国华能集团在天津建效率超出预期葡萄牙1000WindFloat Atlantic缩短，分钟可充入电量设的示范项目是亚洲规模最大的碳捕项目采用三角形半潜式浮动平台，适应复3080%CCUS集利用与封存设施之一杂海况能源使用的跨学科研究能源经济学与政策能源物理学基础能源经济学研究能源市场、价格动态和能源政策的经济影响能热力学是能源科学的理论基础，热力学第一定律（能量守恒）和源供需模型帮助预测未来趋势和政策效果碳定价机制（碳税或第二定律（熵增）制约着所有能源转换过程卡诺效率是热机理排放权交易）是将环境外部性内部化的重要工具，激励低碳技术论效率的上限，实际能源系统受多种损耗影响，效率低于理论创新和应用值能源政策研究关注政府干预的必要性、形式和效果市场失灵流体力学、电磁学和量子力学为各类能源技术提供理论支持例（如外部性、信息不对称）是能源政策干预的理论基础政策工如，风力涡轮机的设计基于空气动力学原理；光伏电池利用光电具多样，包括命令控制型（如标准和限额）和市场激励型（如补效应将光能转换为电能；核裂变和聚变反应基于原子核物理学贴和税收）能源转型过程中的公平问题日益受到关注，如能源能源密度（单位质量或体积的能量含量）和功率密度（单位面积贫困、就业转型和代际公平等的能量流）是评价能源资源的重要物理指标学生小组讨论组建多元团队每组4-5名学生，确保知识背景和观点多样性收集资料分析查阅文献、数据和案例，形成初步框架头脑风暴自由讨论，鼓励创新思维和建设性批评方案制定与展示整合观点，形成系统性解决方案并进行课堂展示小组讨论主题可以选择未来能源发展方案，要求学生综合考虑技术可行性、经济合理性、环境友好性和社会接受度等因素每组可以选择特定区域或场景，如学校、社区、城市或国家层面的能源转型方案鼓励学生发挥创造力，提出创新性解决方案讨论过程中，学生需要运用课程所学知识，同时查阅补充资料和最新研究进展可以使用思维导图、SWOT分析等工具辅助思考和组织观点小组展示形式不限，可以是PPT演示、海报、模型展示或角色扮演等教师在讨论中起到引导和点评作用，确保讨论的深度和广度能源实验课准备材料太阳能电池板、风力发电机模型、多功能电表、灯、传感器和数据记录设备LED设计实验学习测量不同光照条件下太阳能电池的输出变化，或不同风速下风力发电机的性能收集数据记录电压、电流、功率等参数，并分析影响因素制作综合模型搭建微型智能电网，结合太阳能、风能和储能系统可再生能源模型实验是直观了解能源原理的有效方式太阳能光伏实验可以测试不同角度、光强和温度对发电效率的影响；风力发电实验可以观察叶片形状、数量和风速对输出功率的影响；水力发电模型可以演示势能转化为电能的过程实验操作步骤需要详细说明，确保学生安全正确操作例如，太阳能电池板实验中，学生首先连接电路，然后在不同光照条件下使用万用表测量开路电压和短路电流，计算最大功率点，最后绘制曲线并分析结果实验后的讨论和反思环节帮助学生深化理解，将实验现象与IV理论知识联系起来能源数据分析课程总结能源发展趋势能源三难困境全球能源系统正经历深刻转型，从高碳向低碳、从集中式向分布能源安全、经济性和环境保护三者平衡是能源政策的核心挑战式、从单一型向多元化方向发展技术创新和成本下降使可再生随着技术进步和制度创新，这三个目标的协同性不断增强，但在能源竞争力不断提升，数字化技术重塑能源生产和消费模式特定条件下仍需权衡取舍多元主体角色未来展望能源转型需要政府、企业、科研机构和公众共同参与政府制定未来能源系统将更加清洁、智能、高效和包容突破性技术如聚政策框架，企业推动技术创新和商业模式变革，科研机构提供知变能源、先进储能和智能电网有望解决当前面临的关键挑战能识支持，公众通过消费选择和社会参与影响转型方向源转型既是技术变革，也是深刻的社会变革额外学习资源推荐书籍内容简介《可持续能源-不用热空气》剑桥大学物理学教授大卫·麦凯的经典著作，以定量分析方式讨论能源转型的技术可行性《能源转型全球能源新趋势》系统介绍全球能源转型的动力、途径和影响，包含丰富的案例研究《能源与文明一部历史》探讨能源利用与人类文明发展的深刻关系，从史前时代到现代社会的能源演变历程《2060:中国碳中和之路》分析中国实现碳中和目标的路径选择、技术需求和政策框架在线学习平台提供了丰富的能源与可持续发展学习资源国际能源署IEA网站包含全球能源数据和趋势分析；世界可再生能源理事会IRENA提供可再生能源技术和政策报告；联合国可持续发展知识平台汇集了可持续发展目标相关资源国内平台如中国能源研究会、国家气候变化战略研究和国际合作中心等机构网站提供中国能源政策和实践案例高校开放课程平台如中国大学MOOC、学堂在线等也有多门能源与环境相关课程此外，各大科研机构、能源企业的官方网站和社交媒体账号也是了解最新动态的窗口感谢聆听感谢所有同学在能源与可持续发展课程中的积极参与本课程旨在培养大家对能源问题的全面认识和可持续发展的责任意识，希望通过知识传授和思维培养，使同学们能够在未来的学习和生活中做出明智的能源选择课程结束后，欢迎大家就任何能源和可持续发展相关问题进行提问与交流也鼓励同学们将所学知识应用到实践中，参与校园节能活动，关注社会能源议题，成为推动可持续发展的积极力量能源转型是我们这一代人面临的重大挑战和机遇，期待大家在这一领域做出自己的贡献。