世界能源发展经历了从高碳到低碳、从低效到高效、从局部平衡到大范围配置的深刻变革。认识和把握这一发展规律，对于推动能源科学发展，实施“两个替代”具有重要作用。
能源结构从高碳向低碳方向发展
能源发展过程中，人类不断寻找更多种类的能源，但不同发展阶段的主导能源不同。随着需求的变化和技术的发展，主导能源不断升级，总体是朝着更加低碳的方向发展。从薪柴到煤炭、石油、天然气，到水能、核能、风能、太阳能以及其他清洁能源的发展过程，就是逐步减少碳排放的过程。
化石能源碳排放强度高，持续上百年的开发利用已经排放了大量二氧化碳，对全球气候的影响也开始显现。要减缓气候变化、实现人类可持续发展，必须降低能源结构中化石能源比重、提高清洁能源比重。全球拥有丰富的太阳能和风能资源，大规模开发利用的潜力巨大，将成为未来最重要的清洁能源。在现有和未来可预期的技术条件下，太阳能、风能转换为电能是最便捷的利用方式。在能源资源开发环节提高太阳能、风能的比重，不仅是清洁替代的具体体现，而且为电能替代提供充足的清洁电力。
能源利用从低效向高效方向发展
提高能源开发利用效率关键在于技术创新。18世纪后期，蒸汽机技术创新对能源发展产生了划时代的意义，推动了煤炭的大规模高效开发和利用，促使社会生产从手工劳动转向大机器生产。19世纪后期，蒸汽机技术的提升潜力越来越小，对煤炭主导的能源发展的推动作用开始逐渐减缓。随着内燃机、电动机的出现和广泛应用，以石油和电力为代表的新的能源形式登上历史舞台，推动能源效率和劳动生产力进一步提升。发展到今天，化石能源效率的提升空间越来越小。目前，汽油内燃机直接燃油效率在30%左右，燃煤发电机组效率最高在50%左右。
考虑到未来清洁能源将在能源结构中占主导地位，能源利用效率将主要取决于作为一次能源的风电、太阳能发电、水电的开发转化效率；而电能的终端利用效率远高于化石能源直接利用的效率，电动机效率可以超过90%。因此，大规模开发清洁能源并转化为电力，全球能源利用效率将获得极大的提升。
能源配置从局部平衡向大范围优化方向发展
网络是现代社会发展的产物，通过网络可以把各个点、面、体联系到一起，实现资源的传输、接收和共享。如果一种产品的原料开发、生产和需求的地理位置距离较远，通过建立网络就会最大限度地优化配置、提高效率、降低成本，物流网、电力网、铁路网等都是应此而生。从能源发展看，全球化石能源生产与消费具有明显的逆向分布特征，南美、中东的石油、天然气送到亚洲，远东西伯利亚的石油、天然气送到欧洲，距离长达数千千米，能源配置逐步从点对点输送向物流网、管网方向发展，呈现强烈的网络化趋势。
未来，在以清洁能源为主导、以电为中心的能源发展格局下，电网将成为能源配置的主要载体。全球清洁能源的分布同样很不均衡，除分布式开发的清洁能源就地利用外，北极、赤道附近地区和各洲内大型的水电、风电、太阳能发电基地，大多距离负荷中心数百甚至数千千米，需要构建电网从能源基地向负荷中心输电。随着全球清洁能源大规模开发，电网覆盖范围将进一步扩大至全球，形成全球广泛互联的能源网络。