一 世界能源结构的变革
能源，从字面上可以定义为能量的来源，或者是能够提供能量的载体。人类摄取食物，其中一个重要的目的，就是获取支撑生命活动的能量。从这个角度来说，食物也是一种能源，但是我们对能源比较通行的定义不会把食物当成能源。物理学上，能量定义为做功的能力，严格地说，是一个系统具备的影响其他系统的潜在能力，或者是通过做功，或者通过热量。从人的活动角度来说，能量是使用这种潜在能力执行对人有用的功能，比如建筑内的取暖或制冷、为车辆和机器提供动力、照明、炊事，等等。
能源一直紧随人类历史进步的步伐，本章将通过分析能源进化史与文明演进之间的关系，阐述能源革命所具有的重要意义。
（一）从可再生能源到化石能源的转变
1.前工业时期的能源技术进步
尽管与现今世界复杂的能源技术相比，工业革命之前的能源技术水平显得有些微不足道，实际上，越是早期的技术进步对于人类文明的演进越具有革命性的意义。
（1）火的意义
如果不把食物摄取作为能源活动的话，能源进入人类生活的起点可以从火的应用开始。在人类学会用火之前的茹毛饮血时代，因食用生冷食物引起的疾病是早期人类寿命低下、脑容量和智力增长缓慢的主要原因。自从人类学会用火，便开始食用烧、烤、烹、煮后的食物，降低了罹患各种疾病的概率，寿命大幅延长，生活质量改善，迅速完成从原始智人向现代智人的转变。
从旧石器时代开始到工业革命之前，可以说人类一直处于农业时代。在农业时代早期阶段，由于人类尽量生活在离赤道较近的地区，许多居住地冬季气候温和，减少了人类防寒和保持居住环境温暖的能量需要。因此，最初人类主要把火用于给食物加热以提高食物的热量价值和营养价值。生火取暖的能力使人类的定居点不断向气候更凉爽的地区迁移。在工业革命前，人类为应对严寒的冬天，就必须采集作物秸秆、动物粪便和木材用于取暖。在寒冷地区如欧洲北部，用于取暖的能源需求可达到每天10公斤木材相当于每天3万千卡（1千卡=4186焦耳），占一个家庭能源需求的3/4以上，其余的能源则用于畜禽饲料和食品。[2]由于气候条件相近，西伯利亚南部、蒙古高原、中国华北和东北地区生活的人们，能量需求应该大体接近。
除了做饭、取暖，火光还为人类提供了更多的安全保护，而且热量的大规模应用使得工业级的材料转化成为可能。
（2）木炭与冶炼技术的出现
在旧石器时代，原始人使用的工具主要是粗糙的打制石器和木棒之类，直接取自自然界的现有物质。由于开始应用火，出现了加工自然矿物质的可能。在现今发现的各种远古人类活动遗迹中，存在着大量用火的证据。虽然起点不可考，但是由于金属矿物质在陆地上的广泛存在，一些熔点低的矿物质与用火地点相吻合时，就会出现最早的金属冶炼，尽管这一般不是有意发生的，但总会引起原始人的注意并加以利用。
最早被冶炼的金属是锡。锡的熔点为231.89℃，木材燃料就可以很容易地达到这一温度。远古时代，人们便发现并开始使用锡。锡铜合金就是著名的青铜器。铜的熔点为1083.4℃，木炭燃烧有可能达到这一温度。中国商代的青铜器和春秋战国时代的铁器都用木炭进行冶炼。因此，伴随着历史从旧石器时代向新石器时代、青铜时代、铁器时代迈进，其背后的能源技术进步路线则是从薪柴向木炭燃料以及木炭燃烧技术（从散放燃烧到冶炼炉燃烧）的技术进步，这两个技术路线是相辅相成的。但是，与其他领域的技术进步规律相似，初期的技术导入与进步，往往比后来的技术进步要花费更长的时间。
从薪柴应用到发明木炭所花费的时间已经不可考，但是可以推定，木炭的发明一定是与发明青铜冶炼的时间相差不远。而青铜器的发明，最早出现在6000年前的古巴比伦时期。在中国，木炭大概出现在4000年前的龙山时代，兴盛于商周时期（3000年前）。薪柴的出现更早，北京的山顶洞人（10万年前）遗迹中就有用火的痕迹。因此，这一能源技术的飞跃是以万年为单位的。
从青铜时代向铁器时代的飞跃要快得多。尽管铁的熔点是1535℃，高于铜约500℃，但是只要提升木炭的燃烧技术就可以达到炼制需求。中国在西汉中期，发明了“炒钢”技术，即将生铁加热到半液体半固体状态，进行反复搅拌，利用铁矿物或空气中的氧气进行脱碳，借以降低含碳量。钢铁技术的进步使西汉在兵器效能上大大领先于其主要敌人——匈奴，靠技术能力实现了步兵对骑兵的优势，当时匈奴的兵器制造还停留在兽骨与铜混用的阶段。由此可见，能源技术和基于此的制造技术领先才是“犯强汉者，虽远必诛”的底气所在。
早期的能源技术进步对于人类的意义远比化石能源和核能的意义重大。对火的利用技术的掌握，使人类从蒙昧走向智慧；而薪柴利用向木炭利用的技术进步，使人类实现了从原始社会向古代文明社会的演进。从后来的能源发展史可以看出，从木炭向以煤炭为代表的化石能源转变是非常自然就发生的，而自然状态的薪柴向加工后的木炭这一人为技术的进步，是需要极大智慧与想象力的。
（3）有机能源经济的局限性
在工业革命之前，除风能、水能等能量利用形式外，人类所使用的能源主要是有机能源。风力用于船舶航行，也可以和水力一样用于磨坊的生产活动等处。有机能源可以分为植物性能源和动物性能源。
植物性能源主要是薪柴、秸秆、木炭等。尽管植物性能源是典型的可再生能源，却是非常容易耗竭的，比化石能源如石油、煤炭、天然气还容易耗竭。沈括在《梦溪笔谈》中这样记载：“今齐、鲁间松林尽矣，渐至太行、京西、江南，松山太半皆童矣”。苏美尔文明的衰亡、楼兰文明的衰亡都有这一因素的影响，甚至就是主要因素。如果不是后来出现了煤炭的应用技术，可以断言，世界多数地区都会因为采伐薪柴而成为荒漠地带。
动物性能源的地位也非常重要，尽管不是关系到人类的基本生存，但是一直是重要的运输能量来源和农业生产时的动力。有资料表明，在11世纪末的英国，每两人拥有一头牲畜（比如牛）。在欧洲许多地区，马取代了牛成为主要的畜力来源。中世纪时，马匹管理技术的改进使得载重马的数量大大增加，[3]钉马掌保护了马蹄、减少马掌磨损，在9世纪这种做法逐渐推广。[4]
人类还利用其他能源提高食物产量和质量，比如利用水力灌溉和利用风力碾碎谷物。2500多年前古罗马帝国发明了水车，之后传至整个欧洲。利用水车进行推磨、缩绒、制革、冶炼、打铁、锯木等，可以大量生产市场需要的商品。[5]12世纪风行欧洲的水车和风车，降低了面粉和面包的生产成本。[6]
2.工业革命与能源技术进步：向化石能源转变
实际上，最早的能源技术革命出现在中国。最迟在汉代，煤炭就已经被用来做燃料，包括用于冶铁。北宋时期煤炭开始大规模使用，成为生活能源和生产能源的主要来源。虽然中国使用煤炭代替木炭的历史源远流长，但由于北方游牧民族不断南下和内部结构的不稳定而屡次中断，因此，并没有将能源革命演变为持久的产业革命。
西欧在黑死病结束之后，人口增长和生产持续恢复，并且没有再出现毁灭性的中断。欧洲食物生产增加促进了人口的增长。然而，人类为了获取更多的农作物和林业产品，使土地承载的压力也随之增大。欧洲开始面临能源需求不断增长和能源供应增加之间的矛盾。
工业革命其实并非始自英国，而是始于荷兰。荷兰通过进口粮食、出口高价值商品，成功地解决了社会发展受到有限的土地资源限制的难题。16～17世纪，荷兰经济获得繁荣发展。16世纪初，荷兰只有1/4的劳动力从事农业，有12%的劳动力从事渔业，3%的劳动力从事泥炭挖掘，38%的劳动力从事工业活动，其中主要是纺织、金属制造和酿造领域，其余的劳动力则主要从事贸易和运输服务。[7]
荷兰要实现农业经济向工业经济的转变必须依赖可靠的燃料。低地国家（即现在的荷兰和比利时）潮湿的农村地区有大量的泥炭资源。安特卫普和布鲁日早在13世纪就已经开始利用泥炭能源。与煤炭相似，泥炭也是一种不可再生能源的资源。本地泥炭资源消耗殆尽之后，只能从附近地区获取甚至从荷兰进口。16世纪以后，荷兰的泥炭资源也被大量开发，用于当地消费或出口，资源储量迅速减少。[8]18世纪，荷兰开始从英国进口煤炭。[9]
在英国，解决上述矛盾的出路是使用矿产能源。有一种观点认为，16世纪的薪柴危机给英国经济造成了巨大的压力，更换能源的需要日益迫切。[10]这与中国在北宋时曾经遇到的问题基本类似。也有人认为，煤炭替代薪柴，主要是由于煤炭用于供热具有价格上的优势，在城市中心这一优势更为明显。[11]如果没有煤炭对木炭的替代，木炭或者是森林的再生速度无论如何也赶不上人类对能源需求的增长，因此出现价格上涨和资源耗竭是早晚的事。在17世纪50年代到18世纪40年代，薪柴价格大幅上涨，促使一些用户和行业转而利用煤炭。
英国煤炭行业开始扩张，迅速加快煤矿的开采以满足日益增长的供热需求。然而，进入17世纪后，能源需求增长过快，造成煤炭供应不足，燃料价格相应上涨。这种情况下，一系列的变化使煤炭行业开始了转型改革，进而成为英国经济的支柱产业之一。首先，18世纪新发明的蒸汽机成功地推动了水泵的运用，将矿区疏干水从井下抽离，加深了煤矿开采深度。当时蒸汽机效率很低，需要燃烧大量煤炭，而煤炭坑口价格很低，因此人们不太关注蒸汽机的低效率问题。但是煤矿泵水需要消耗大量煤炭，迫使蒸汽机制造商们不得不设法提高设备效率，以降低煤矿的经营成本和资本成本。[12]也可以说，煤炭革命推动了蒸汽机的技术升级与大规模应用。
然而，产业革命或者说能源技术革命，并非能在一夜之间发生的，化石能源并没有立即解决能源危机并驱动英国工业革命，这场能源转变实际上是一个持续了200余年的渐进过程。比如铸铁工业，亚伯拉罕·丹拜（Abraham Darby）在1709年发明了以焦炭形式利用煤炭的技术，但在之后50多年的时间里都没有得到实际运用，因为这项技术需要大幅度改进焦炭炼铁的效率才能使炼铁成本低于传统的木炭炼铁。[13]到1800年，有3/4的能源需求来自家庭、建筑和工业的供热服务。19世纪初，供热服务实现了从有机燃料到化石燃料的转化。到1800年前后，风力和水力虽然规模不小，但只能提供总动力的1/10。动力和运输行业（除去海上运输）的能源主要来源于粮食和饲料，19世纪初还停留在有机能源体系。[14]
动力和运输行业改而使用化石燃料，这种改变在新兴国家中已经出现并被迅速推广。早在18世纪，蒸汽机和煤炭就被用于抽取矿区疏干水。19世纪，棉花加工行业开始使用蒸汽机，开始了动力服务领域使用煤炭能源的转型，铁路和汽轮的推广推动了运输服务行业使用煤炭的转型。[15]到1900年，蒸汽机满足2/3的动力需求。当时火车承担着90%以上的商品运输，汽轮则承担着约80%以上的海上货运服务。[16]
19世纪，很多国家发现了巨大的煤炭储量，开始纷纷效仿英国向使用煤炭资源转型。在美国和德国等其他欧洲国家的工业化进程中，煤是这些经济体从有机能源向化石能源转变的第一步。例如，1850年煤炭满足了美国约10%的能源需求，到1910年左右化石燃料则担负了90%的能源需求。[17]美国从使用有机能源转向使用煤炭大约用了60年，而英国则从1600年到1800年历经200多年，这表明随着更多“新”能源利用技术的出现，能源转变的速度也随之加快。不过，由于淘汰旧技术和建设新能源利用基础设施需要一个过程，能源转变的速度也始终会受到一定程度的限制。
3.现代能源简史
现代能源系统实际上是以石油、天然气、煤炭为主要一次能源，电力和燃油为主要二次能源形式的能源结构。
进入20世纪下半叶后，煤炭已能满足许多经济体的能源需求。同时，作为一种主要能源煤炭供给的不均匀性和分散性使其具有一定的局限性。
19世纪，另一种新能源的引进标志着人类进入了能源史的下一阶段。与煤炭伴生的煤气、石油以及电力开始成为照明市场的新兴能源。新兴能源在照明市场取得的成功和能源价格的大幅下降，使得新兴能源在其他能源服务市场也得到推广，并且越来越多地代替了煤。
19世纪60年代，在美国东北部的宾夕法尼亚州油田，人类开始第一次大规模开采石油。到19世纪80年代，标准石油公司（Standard Oil）成为世界主要的炼油企业和石油产品供应商。差不多同时期，俄罗斯开始在里海沿岸的巴库地区开采石油。现代石油工业开始建立。但是，由于缺乏下游市场，石油工业在开始阶段并未迅速发展，主要应用于照明（煤油）。后来，爱迪生的发明降低了电灯的生产和使用成本，又大大压缩了石油的消费市场。
20世纪初，内燃机的引进和推广意味着石油产品将在运输服务市场获得更大的发展空间。两次世界大战期间汽车价格下降，导致汽油需求的巨大增长。20世纪30年代至70年代初石油产品价格逐渐回落，特别是二战之后，由于私人交通需求猛增，同时石油也开始用于供热和发电等其他服务，因此全球石油生产和消费开始快速增长。
与煤炭市场不同，石油市场几乎从一开始就是国际性的市场。在20世纪70年代初之前，美国是世界上最大的石油生产国和消费国。但是，在20世纪70年代，美国的石油消费首次超出了国内石油供应，石油定价权开始转向中东，以沙特阿拉伯为首的中东国家成为世界石油生产的主体。尽管如此，国际石油贸易的价格仍然以美元作为计价货币结算。
1960年，伊朗、伊拉克、科威特、沙特阿拉伯和委内瑞拉宣告石油输出国组织（OPEC）成立。目前，OPEC组织共有12个成员国（阿尔及利亚、伊朗、伊拉克、科威特、利比亚、尼日利亚、卡塔尔、沙特阿拉伯、阿拉伯联合酋长国、委内瑞拉、安哥拉和厄瓜多尔）。在最初的默默无闻之后，1973年，为了回应北美和欧洲的中东政策，石油输出国组织中的阿拉伯国家采取行动限制供应、抬高价格，引发了第一次石油危机。随后，1979年的伊朗革命和两伊战争的爆发再次引发了人们对中东石油供应的担忧，造成石油价格进一步上升，这是第二次石油危机。
20世纪80年代中期至90年代，在两次石油危机的影响下，发达国家开始采取措施扩大能源生产和提高能源利用效率。一些石油生产国如挪威、英国增加了石油产量，短时间内导致石油供应过剩，使油价快速下跌。与此同时，发展中经济体尤其是亚洲经济体迅速扩大，使石油消费大幅上升。21世纪初，由于全球石油需求不断增长，加上中东地缘政治不稳定，油价再次上涨。2008年，国际油价高达147美元/桶（WTI），之后由于金融危机的影响迅速回落，一度跌至35美元/桶（WTI），后来又逐渐恢复到90～100美元/桶的水平。2014年7月之后，由于美国页岩气革命累积产生的供给扩大效应，以及世界经济增长乏力的影响，造成油价再次下跌，目前WTI处于50多美元/桶的水平，布伦特（Brent）油价处于60多美元/桶的水平上。
可燃气最初是从煤矿中提取出来并用于照明。19世纪中叶，处于工业化进程中的国家用燃气照亮了街道。19世纪末的电力竞争促使灯泡制造商致力于提高灯具的照明效率，迫使供应商不得不开发燃气的其他用途。最终，开发燃气其他用途的努力使其成为一种无烟供热燃料。[18]
“天然”气（即不是从煤转换的燃气）往往在石油开采的过程中产生。通常“天然”气在源头已被燃烧，因为其市场价值不高。石油供应安全不时受到威胁，促使消费者逐步使用天然气供热，而生产商利用管道将天然气输送到有需求的地区。20世纪70年代石油危机后，天然气市场迅速扩大，到2012年，据国际能源署（IEA）的统计数据天然气市场已占据全球能源市场的21.3%。
19世纪末，电力主要用于照明。在城市交通服务行业使用电力和工业行业的动力需求促使电价下降，毕竟夜间发电的电厂在白天生产的电力是过剩的，因此白天用电能够摊薄发电的资本成本。
全球经济的电气化从根本上改变了人类生产生活的许多方面。电力可以像蒸汽机一样拓展人力、代替人力，还能在更简便、更灵活、更安全的环境中提供服务。之前的机器由中央蒸汽机通过轴和传送带驱动，发动机停止后所有工作就不得不停止，工人停止工作会浪费动力，传送带断裂则会导致工人受伤甚至威胁其生命安全。而电力的使用使得工人能够自己控制设备从而避免伤亡情况出现。电力提供动力和照明的简单灵活的特性推动了世界经济的电气化过程。
20世纪60年代之前发电主要靠燃煤，20世纪70年代石油危机之前，石油发电所占份额有所增加，许多有条件的经济体试图利用水电。第二次世界大战后，对廉价电力的渴望促使许多国家政府支持民用核能技术的开发和应用。在少数几个国家，核电占据发电市场的重要份额。但是核能利用较高的成本及潜在的安全问题，阻碍了核电的发展。到2012年前后，水电和核电已经占全球一次能源消费的7.2%（IEA统计）。
（二）能源与社会
按照美国社会学家丹尼尔·贝尔1973年正式出版的《后工业社会的来临》一书的观点，人类社会的发展分为前工业社会、工业社会和后工业社会三个阶段。后工业社会的观点实际上并不是否定工业经济存在的必要性，产品的需求总是存在的，而是指出了信息与知识在现代社会中的重要性，以及智能技术的重要性。
前工业社会是工业革命前的社会经济状态。工业社会的起点可以从工业革命算起，但是从全球的角度看，显然还不是讨论其终点的时候。目前，部分发达国家已经初步实现了从工业社会向后工业社会的转变，但是这只是将部分工业生产转移到发展中国家，而把更多的社会资源投入到自身的知识生产与信息服务上而已。
1.前工业社会
前工业社会是迄今为止时间最长的人类社会发展阶段。从有人类起到工业革命之前都处于这样一个阶段。虽然以现今的眼光看，前工业社会的技术状态比较简单，但是如前所述，这一时期奠定了人类技术进步的基础，甚至在有些领域已经出现了现代工业体系的滥觞，比如采矿业、冶铁业、纺织业。然而，这一时期的商品生产可以算作工场，却不能定义为工厂，因为它是零星分布的，远没有形成复杂的产业链体系，其制成品也没有形成大规模的市场分销体系。很多工场生产兵器，或为宫廷贵族生产奢侈消费品。
文学作品中描述的前工业社会，往往给人留下田园牧歌式的美丽图景。实际上，前工业社会人类面临的最大的问题就是资源的约束，尤其是能源资源的约束和耕地资源的约束。前已述及，前工业时代以植物资源为基础的薪炭燃料是非常容易耗竭的，一旦人口超过一定规模，对薪炭的需求将很快导致森林的耗竭，并引发各种生态灾难。正是因为对能够替代薪炭的廉价能源的需求，才引导了泥炭和煤炭的大规模开采与应用，并催生了工业革命。耕地资源的有限性与此类似。前工业社会，对有限资源的争夺所引发的大规模冲突与战争所引起的人口减耗丝毫不亚于工业社会的战争，比如蒙古帝国的扩张就造成了上亿人口的损失。甚至可以说，战争、瘟疫等非正常的人口损耗，是维持前工业社会人口与资源平衡的内在机制。这在马尔萨斯的著作中有清晰的说明。
从这个意义上说，工业革命，包括化石能源大规模应用带来的能源革命，是打破人口与自然资源尤其是可再生生物资源之间恶性循环的重要革命性事件。它利用埋藏于地下的化石能源资源，解救了残存的森林资源，也使得人口的持续增长有了物质和能源基础。当然，化石能源的大规模应用和现代化工体系带来环境污染的新问题，不过环境污染可以通过有效的环境管理和新技术的应用来解决。
2.工业社会
工业社会的发端可以追溯到18世纪的英国，以蒸汽机的应用为代表的技术革命开创了以机器代替手工工具的时代。从生产技术方面来说，工业革命使工厂制代替了手工工场，用机器代替了手工劳动；从社会结构来说，工业革命使依附于落后生产方式的自耕农阶级消失了，工业资产阶级和工业无产阶级形成并壮大起来。
工业社会的重要特点是：大规模低成本的生产体系、复杂的供应链体系与市场销售体系，以及与此相关的大规模能源供应体系。其中，现代能源体系是支撑工业社会的基础。在这样的体系中，人作为个体的意义下降到最低，成为一个个现代工业体系的工作单元。
形成大规模低成本生产体系的基础是生产过程的机器化。机器化工业生产的特点是连续化、动力化、程序化，这是工业社会的产品生产与前工业社会的工场模式的重要区别。工场也大量使用工具，但更多的是手工工具，靠人力或者畜力实现生产。而工业社会的机器则是依靠连续供给的现代能源系统，如依靠电力或者燃油、燃气、燃煤来驱动，并且通过程序化改变了手工工具的不连贯性和较大误差，可以实现不间断生产和标准化生产。这是生产力的巨大进步。并且由于不再依靠以森林为主体的生物能源资源，而主要依赖煤矿、石油等化石能源和铁矿石等天然矿物，减轻了对自然界的可再生生物资源的压力，为人类摆脱原始状态进入现代文明创造了条件。
现代能源体系是工业社会的基础，也可以说是最重要的组成部分。现代社会，任何人都习惯了现代能源体系，已经到了须臾不可离开的程度。人们出行要开车或者乘坐公共交通，回到家里要使用各种电器，做饭使用管道天然气，取暖使用集中供暖或者分散采暖……即使在野外探险，也要带上步话机、手机、卫星通信等通信设备，甚至有远程的卫星监控。这一切都是以现代能源系统作为基础保障的。
现代能源系统与现代工业社会的其他特点，把人变成工业体系的一个组成部分。在这一体系下，人只能按照大工业生产的节奏生活和工作，每一时刻的动作都要经过严格的规定，就像卓别林主演的《摩登时代》中的场景一样。
工业社会带来巨大的社会生产力与物质财富的同时，也产生了各种的经济、社会与环境问题。在经济层面，工业社会表现出一种“自发的扩展秩序”[19]，即以市场交易为导向的工业化生产。这一市场秩序一旦形成，就具有一种向外无限扩张的内在动力，如同一个越来越大的旋涡，倾向于把所有的社会资源、人口自发地纳入到这一体系之中，形成日益扩大的生产能力与市场，并且通过技术创新的内在动力，不断衍生出新的商品，同时也创造新的商品需求。因此，工业社会，或者说市场经济框架下的工业社会，具有自我向前发展的内生动力。这种内生动力会导致对资源尤其是能源资源的无限需求。
（三）现代能源系统的主要特点
现代能源系统与传统能源系统的区别在于，它具有低成本生产、普遍服务、依赖大规模基础设施等三大特点。这三大特点相互关联，相互支持，使现代能源系统成为有史以来最为复杂的人造系统。
1.低成本生产
低成本生产是现代能源体系的基本要求。作为工业社会的基础支持部门，没有低成本生产，就不可能实现大规模供应，那些依赖廉价能源的制造业就难以发展起来，也不可能实现普遍服务的目标。
低成本生产与大规模供应是紧密相连的，也就是经济学意义上的规模经济。另外，这一特点也是由化石能源的特点决定的。化石能源由于地质和地壳内物理化学的作用，集中分布在特定地域，为大规模低成本开采提供了便利条件。随着工业技术的进步和现代交通运输体系的建立，勘探、开采、生产与运输的成本都被有效降低，使得现代能源系统的综合成本伴随着生产和市场规模的扩大持续下降，为工业体系和居民消费等提供了廉价的和不间断的能源供应。此外，借助于现代化的信息控制技术，现代电力输送网络和石油天然气输配送网络把能源生产与消费的各个环节有效连接起来，构成了一个复杂的能源体系。
在传统生物能源向现代能源体系转换的过程中，技术进步发挥了重要作用。技术进步有两种形式：第一种是阶越性的技术变革，即在很大程度上弃用原有的技术路径，采用全新的技术路径，比如放弃木炭而采用煤炭作为主要能量来源；第二种是渐进性的技术进步，即在原有技术路径基本不变的前提下，通过学习效应、技术革新、精细管理等实现的、边际性的技术效率提高，比如燃煤发电的度电煤耗逐年下降。
自现代能源体系诞生以来的大部分时间里，除了极少数年份之外，能源成本基本上维持在较低的水平。即使那些能源成本较高的极少数年份，也是战争或市场垄断等非技术原因造成的，并非是生产原因造成的。这从图1-1所示的石油价格趋势上就可以看出来，尽管价格起伏不定，但是一直存在一个价格底部，这个底部实际上代表了综合生产成本加上合理利润的趋势。而且在150多年的时间里，这一底部没有太大的变化。自2014年7月开始的新一轮石油价格下跌，再次证实了这一底部的存在。
图1-1 石油价格历史趋势（1861～2013）
注：1861～1944年为美国石油平均价格，1945～1983年为在拉斯塔驽拉公布的阿拉伯轻质油价格，1984～2013年为布伦特油价。
资料来源：BP-Statistical_Review_of_world_energy_2014_workbook。
现代能源系统的结构以美国能源体系为例，如图1-2所示。在图1-2的左侧，是各种一次能源，或者说能源资源的供给，中间的发电模块是能源转化的一个重要环节，右侧则是各类消费部门，最右边的数据则是产生实际能源服务的能量部分与没有利用的能量部分。
图1-2 2009年美国现代能源系统结构
注：图中单位为quads，相当于2009年美国能源消费为22.06亿吨标准油。
资料来源：Laurence Livermore National Laboratory。
从现代能源体系的结构来分析，能源成本的控制即等于资源与一次能源生产、能源转化效率和消费部门的能源效率。现代能源体系能够一直维持低成本其根源也主要来自两个方面：资源特性与技术进步。尽管以石油峰值理论为代表的悲观论者对化石能源的耗竭十分担心，但是他们显然低估了化石能源资源的储量与勘探开发技术的进步和节能技术进步的潜力。
现代能源系统与传统上以木炭为主体的生物能源体系的区别在于：由于资源的集中，现代能源并未随需求量的增加而使成本急剧上升。实际上这是因为森林资源的耗竭速度远快于煤炭、石油、天然气等化石能源资源的耗竭速度。
化石能源与核能、水电甚至地热发电等都有一个共同特性：煤炭、石油、天然气都发现了超大规模储量的矿藏，它们可以在一个地点进行大规模生产。沙特的大型油田可以实现每年亿吨左右的开采能力，中国的大庆油田在高峰时期也维持着4000多万吨的年生产能力。中国的山西、陕西、东北、新疆地区也都有煤田分布。在江河上拦坝建设的大规模水电项目和大规模燃煤发电项目，都为能源供给的规模效应奠定了基础。
技术进步的力量同样不可低估。在现代石油工业创立的初期，油田的采出率经常只有10%～20%，导致当时资源枯竭论十分流行。随着技术进步，采出率很快提高到40%以上。煤炭一开始只是露天开采，后来发展为井下开采，井下采出率很快从最开始的10%左右提高到60%。天然气一开始作为废气直接排放掉，现在已经成为全球最为重要的能源之一。页岩气、页岩油的工业化开采，使非常规油气成为能源界的新宠，并大大延长了化石能源的预期开采寿命。燃煤电厂的度电煤耗，从开始超过500克标准煤下降到现在的300克左右。
正是化石能源的资源集中分布属性与技术进步的无限潜力，使能源大规模供应与普遍服务成为可能。未来的能源转换和新能源与可再生能源的发展，仍然需要遵循这一原则。
2.普遍服务
普遍服务不是现代能源系统的技术要求，然而这却是现代能源体系一个典型的正外部性。这是因为，现代能源系统的初建成本高，或者说其不变成本非常高，而其可变成本却非常低。因此，市场规模越大，越能分散其不变成本。比如油田和天然气田一旦建成，那么在资源属性许可的范围内，增加产量的成本非常低，因此其产量会迅速提高甚至高到无法限制，此时只有发现足够的市场需求，才能消化其产量，否则就只能废弃。发电系统的属性是相似的，在已建成的发电能力之内，如果市场小于其发电能力，成本就无法有效分摊。因此，现代能源体系与前工业社会的以木炭为主体的能源体系有本质的区别：木炭完全可以以销售定产量，而现代能源体系在短期内相当于以产量定销售。从这一特性看，现代能源体系是典型的扩展性秩序，其技术特性要求它不断地通过降低成本来扩大市场。
在实际生活中，我们可以看到普遍服务的各种例子。现代社会几乎家家户户都有不间断的电力供应、燃气供应，车辆行驶在大部分地区都可以在燃油耗尽之前找到加油站。正是在普遍服务的基础上，大量的家用电器和办公电器产业才能得以发展，并且在全球基本实现了互联互通。
但是，如果没有来自外部的规制，普遍服务的要求有时不能得到彻底贯彻。由于能源基础设施建设和网络建设需要协调各个方面，而且投资巨大，很可能一开始难以启动，甚至长时间无法建设，造成有些地区无法享受到能源服务。而在那些条件不好的地区，比如边境地区、沙漠腹地、海岛等边缘地区，从经济性角度来看不能实现能源公司的赢利原则，也会导致能源服务的缺失。这就是著名的“能源贫困”。此时，就需要外部的规制来强制实现能源普遍服务。
3.依赖大规模基础设施
能源基础设施更多地表现为能源供应网络，包括油气输送管道、油气储备设施、电力输送网络及其配套设施。电力网络连接发电厂、主干网络和工矿企业、千家万户，燃气网络连接油气田、化工厂、城市管网和居民家庭，油品网络则通过管道、火车、卡车等把成品油输送到加油站，城市的冬季供热体系也是一个复杂的网络系统。
现代油气管道的建设开始于19世纪中叶，1865年美国宾夕法尼亚建成了世界上第一条输油管道，管道直径50毫米，长约10公里。之后输油管道虽在世界范围内有所发展但也较为缓慢，直到第二次世界大战，当时的美国因战争需要开始大规模建设长距离输油管道。二战结束后，世界范围内兴建了多条大型跨国陆上输油管道，同时一批海洋输油管道也得以建成，海底管道深达海底100多米。目前美国已经拥有约3万公里的输油管道系统，俄罗斯和中东国家也拥有复杂的输油管道系统。中国的输油管道建设起步于20世纪50年代，目前中国已经建成的国际油气输送管道包括中亚-中国油气管道、中俄东线油气管道和中缅油气管道等。[20]
在能源网络的硬件——如管网和电力网络——之外，其软件的信息控制系统更为重要。能源系统是一个生产与消费同时进行的复杂的人为系统，尤其是电力系统。电源点与负荷中心多数处于不同地区，而电力无法大量储存，因此其生产、输送、分配和消费都需要在同一时间完成，并要在同一地域内有机地组成一个整体，生产必须时刻与消费保持平衡。电力系统要发挥其功能，就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制系统，以便对电能的生产和运输过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，确保用户获得安全、经济、优质的电能。