能源是人類生存、生活與社會文明發展的基礎。每一次能源利用技術與能源產業的變革，都促進和標志著人類生存發展方式和社會文明的進化。回顧數千年能源利用史，能源消費結構經歷了數次變革：歷時幾千年的農耕社會主要利用薪柴為主的生物質能源；18世紀蒸汽機與工作機器的發明與應用，引發第一次工業革命，使人類進入煤炭時代；19世紀以來，電機電器、汽輪機、內燃機、汽車、飛機的發明應用，石化工業和高分子聚合材料的興起，使人類進入了電氣化和石油天然氣時代；60年前開始的半導體、IC、計算機、核能的開發利用，以及循環流化床、超臨界、超超臨界、蒸汽燃氣聯合循環等技術發展，使人類進入了以高效火電、水電、核電為三大能源支柱，電子化、信息化為特征的電子信息與核能時代；21 世紀以來網絡、云計算、大數據、智能制造、能源技術快速進步，全球氣候變化倍受關注，日本福島核災難引發的對核電的再思考，生態環境的巨大壓力及嚴重的霧霾天氣，全球能源需求快速增長、能源安全凸顯等，使人們更加關注清潔低碳、可再生能源和智能電網的發展，人類進入了知識網絡經濟和著力構建以清潔安全、多樣化、智能化、分布式、可再生為特征的綠色低碳、可持續能源體系的新時代。

人類對煤的認識利用可追溯到數千年前。中國是世界上采煤用煤最早的國家之一，大約在春秋末（BC500年）便開始用燃煤，西漢（BC206—25年）開始采煤煉鐵。唐朝開始煉焦，至宋代已是“汴京數百萬家盡仰石炭（煤），無一家燃薪者”。明朝的科技名著《天工開物》列專門章節記述煤的性狀、用途和開采方法。但由于農耕生產力水平局限，薪柴仍是主要能源。18世紀60年代英國首先引發工業革命，煤炭大規模開采利用。19世紀中葉，煤炭已占居一次能源的主導地位，實現了能源結構第一次變革。煤炭分布廣泛、儲存量大，開發和利用比較容易，但發熱量和燃燒效率較低，輸送和使用不便，煤燃燒產生的灰渣、粉塵、SO2、NOx、微細顆粒等造成酸雨、水污染、大氣霧霾等嚴重環境污染，危害健康。1952年 12月發生的倫敦霧霾災難，曾導致12000人死亡。

石油和天然氣發熱量高，開采運輸使用方便，污染物和碳排放比煤炭低，是高質量的化石能源（燃燒發生同樣熱量的天然氣、原油、標煤產生的二氧化碳比例約為2∶3∶5），也是近代有機合成化工的重要原料。世界上最早有關石油的文字記載，見于中國東漢史學家班固（32—92）所著的《漢書》，其中記敘“高奴有洧水可燃”（在今陜西延長一帶，洧水是今延河的支流）。北宋科學家沈括（1031—1095）在《夢溪筆談》中指出：“鹿延境內有石油，舊說高奴縣出脂水。”清道光十五年（1835年）在四川自貢阮家壩開鑿成功1001.42m的燊海井，日自噴鹵水14m3，天然氣4800~8000m3。1859年，美國石油鉆探家E. L.狄拉克（Edwin L. Drake，1819—1880）在賓夕法尼亞州泰特斯維爾附近鉆出第一口油井產出工業油流，開啟了近代石油工業的序幕。

1876年，德 國 工 程 師N.奧 托（Nicolaus Otto，1832— 1891）創制了四沖程循環內燃機，1895年德國工程師R. C. K. 狄塞爾（Rudolf Christian Karl Diesel，1858—1913）創制了第一臺柴油發動機，1886年德國人K. F.奔馳（Karl Friedrich Benz，1844—1929）發明了單缸發動機的世界上第一輛汽車。 1903年12月17日，萊 特 兄 弟（Orville Wright， 1871—1948；Wilbur Wright，1867—1912）進行了人類歷史上首次有動力、載人、可操縱飛機的持續飛行。1914年，美國福特汽車公司建成汽車裝配線，實現了汽車工業史上的首次流水線生產，1927年福特T型車銷售已至1500萬輛。20世紀 20年代前歐洲在航空業占領先地位，以后美國逐漸領先， 1930年美國航空客流已超過41.7萬人次。1917年，美國新澤西標準油公司采用煉廠氣中的丙烯合成異丙醇，標志著石油化工誕生。1919年，美國聯合碳化物公司開發出以乙烷、丙烷為原料高溫裂解制乙烯技術，隨后德國林德公司實現了從裂解氣中分離乙烯，1920年建立第一家乙烯工廠。20世紀30 年代初，在德國化學家H.施陶丁格（Hermann Staudinger， 1881—1965）、蘇 聯 化 學 家H. H.謝 苗 諾 夫（Николaй НиколaевичСемёнов，1896—1986）等提出的聚合物高分子化學和聚合鏈式反應理論的指導下，高分子化工聚合材料大量涌現，他們也因此分別獲得1953年、1956年諾貝爾化學獎。由于汽車、航空、石化工業的巨大需求，促進了石油生產增長。

第二次世界大戰結束后，由于中東石油的開發，石油采煉技術進步和煤炭成本上升，石油的比較優勢更加突顯。廉價石油促進了世界經濟快速發展，20世紀60年代以來石化工業更是異軍突起，一些工業化國家能源政策開始趨油棄煤。 1966年石油、天然氣超越煤炭成為主導能源，世界能源結構實現了第二次變革。

20世紀70年代以來發生了兩次石油危機。為走出石油危機，首先是通過科技和管理創新，提高能源利用效率、調整產業結構。20世紀70年代后期后，一些工業化國家已逐漸做到經濟增長，能耗不增，甚至反略有下降。

第二是積極發展可替代能源。美、德、日、法等國，都在水電、核能開發方面加大了投入。由于核能是一種安全高效、清潔低碳、經濟上有競爭力的能源，受到重視。1942年， E.費米（Enrica Fermi，1901—1954）在芝加哥大學建成世界上第一座核反應堆，首次成功實現了鏈式反應；1954年蘇聯建成世界上第一座5MW實驗性石墨沸水核電機組、 1957年美國建成60MW原型壓水堆核電站，后經歷了數次技術升級，提升了安全性、經濟性，至今核電已發展到第三代。

1966—1980年，世界共建成242個核電機組投入運行。據國際原子能機構（IAEA）統計，至2013年底，全球共有425 臺核電機組在運行，總裝機容量3.75億kW，約占全球發電量的16％，有18個國家和地區的核電比重超過20％，法國占比最高達75.2％。在建機組70個，中國、美國占50%。

第三是煤炭重新受到重視，尤其是中國、印度、澳大利亞和南非等發展迅速，成為煤炭生產大國。清潔煤技術、超超臨界、IGCC、先進材料、信息技術等使煤炭開采利用技術與產業進步巨大，生產率成倍提高，成本下降，安全狀況、效率和排放水平大為改善，2000年世界煤炭產量達48.8億t，比1976 年增加了50％。能源結構發生第三次轉變，即向以油氣、煤、核能和水能等多元結構轉變。電力作為二次能源，火電、水電、核電成為三大支柱。

石油危機也促進了可再生能源的發展。從20世紀70年代開始，尤其是進入21世紀以來，可再生能源已成為各國實施可持續發展的重要選擇，列為能源發展戰略的重要方面，一些國家通過立法促進可再生能源發展，技術不斷創新，成本持續下降。美國可再生能源協會（ACORE）評估美國的發電規模與價值走勢表明，除傳統水能外，風能、太陽能、生物質能、淺表地熱等新型可再生能源快速發展，在能源結構中比例逐年上升，逐漸成為替代化石燃料的一種很有希望的清潔能源。在這方面歐盟居領先地位。

過去15年內，各國還致力開發非常規油氣資源（包括煤層氣（瓦斯）、油砂礦、油頁巖、頁巖氣、可燃冰等）。美國提出了頁巖氣革命。2000年美國頁巖氣僅占天然氣總產量的 1％，因為水平鉆井、水壓裂等技術的進展，到2013年頁巖氣所占比重已近40％。據美國能源情報署預測，到2035年美國46％的天然氣供給將來自頁巖氣，頁巖氣將使美國可實現天然氣自給有余，這將影響世界油氣供應乃至全球經濟政治格局。據中國社會科學院世界經濟與政治研究所發布的《世界能源中國展望（2013—2014）》估測，中國非常規天然氣產量比重目前已占39％，2020年將上升到60％以上，2035年將進一步上升到72％。

1990—1997年，聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）連續發表 4個關于全球氣候變化的評估報告，認為全球氣溫上升很可能是由于工業化以來人類活動導致的溫氣體排放造成的。所有的化石能源燃燒過程中均排放CO2，其中煤含碳量最高，石油次之，天然氣較低。自工業革命以來，大氣中CO2含量增加了25％，遠超過去16萬年的歷史紀錄，而且尚無減緩的跡象。進入21世紀以來，生態環境保護和全球氣候變化更加受到重視，綠色低碳、可持續發展成為全球發展的共同理念。今后二三十年將是人類從化石能源為主時代向清潔低碳、可持續能源過渡的歷史時期。

改革開放以來，中國能源消費需求快速增長，能源利用效率顯著提高，單位GDP能耗大幅下降；尤其是進入21世紀以來，水電、核能、風能、太陽能等清潔、可再生能源快速發展，能源結構逐步優化。2013年中國能源消費和發電裝機容均超過美國，可再生能源產能與增長速度均列世界首位。超超臨界火力發電、核電、超大型水電站工程及成套設備、超超高壓交、直流輸變電系統、智能電網等自主創新與工程成套能力進入世界先進行列。但中國能源利用效率仍然較低，單位GDP能耗是世界平均的2.5倍，是工業發達國家的4~8倍，節能減排潛力巨大；中國一次能源中燃煤占近70％，對大氣、水、土壤環境污染嚴重；油氣對外依賴度逐年攀升至58％和 32％；風能、太陽能、生物質能發展應用尚有體制、政策、技術瓶頸需要突破。中國能源結構調整優化的任務緊迫而艱巨。