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能源技术变迁是在一定的技术经济范式（Techno-Economic Paradigms）下进行的，它不仅仅是一个单纯的工程意义上技术变化的过程，而是与社会经济、市场结构、制度安排等密切相关，而又相互影响的一个复杂过程（Perez，2004）。一方面，能源技术进步会推动经济的增长，促使产业结构变化；另一方面，经济发展水平、社会制度、机构等的安排也将对能源技术进步的方向和速度产生正的或负的影响。根据能源技术进步的主要推动因素的不同，将能源技术变迁划分为三个阶段技术—经济范式的变迁。
本阶段以1859年为分界线，在此之前，人类度过了漫长的农业文明时期，柴薪是农业文明时期最重要的主体能源。直到1859年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，成立了世界上第一个石油公司——宾夕法尼亚石油公司（Pennsylvania Rock Oil Company），宣布了世界石油工业的发端。这得益于18世纪西欧爆发的工业革命，蒸汽机的发明将人类带入了工业文明。工业革命极大地改变了人们的生活、工作模式，改变了整个世界。瓦特发明的蒸汽机使得煤炭的使用急剧增长，煤炭的使用遍及了工业革命后产生的各个产业部门，如火车、冶炼、发电等。煤炭一跃成为人类第二代主体能源。在此之后，尤其是19世纪后期，奥托内燃机（Otto Engine）和狄塞尔内燃机（Diesel Engine）的发明，以及1908年第一辆汽车的下线，使得几乎每个产业部门都开始和扩大石油的使用。到20世纪60年代，世界石油消费量超过了煤炭消费量，从此石油成为新的主体能源。
纵观这一时期能源系统的变迁，自然科学的进步催生了工程技术的进步，而工程技术的进步（如畜力的使用，蒸汽机、内燃机、汽车等的发明和大量使用）决定了主体能源的兴替，使得世界主体能源经历了柴薪—煤炭—石油的变迁。因此，这一时期虽然极为漫长，但是最主要和最重要的特点在于，科学技术的进步决定了能源系统的变迁方向和速率，各种主体能源增长与兴替基本遵循了Logistic增长模式（Grubler et a1.，1999）。
这一阶段为1859—1992年。在这一阶段，世界能源系统发生了翻天覆地的变化，究其根本是石油危机引致的。世界能源消费量在1929—1955年这26年间增长80%，而在1955—1973年增长了143%（Lin，1984）。20世纪60年代后期及70年代，世界石油的供应乃至于世界整体能源的供应受政治因素的影响非常显著，尤其是受中东地区不稳定的政治局势的影响非常显著。1973年的中东赎罪日战争（Yom Kippur War）、1979年的伊朗伊斯兰革命（Iran Revolution）以及紧接着的两伊战争（Iraq and Iran War）的爆发，先后导致了两次石油危机（Goldstein et a1.，1997）。这两次石油危机对世界能源系统以及世界经济所导致的石油价格的剧烈变化是石油历史上所仅有的，产生了广泛而深远的影响。为应对石油危机，能源技术进步在调整能源使用需求和能源供给两方面都显示出其不可替代的作用，直接导致了能源技术进步的两大浪潮：节能技术与能源终端使用效率的提高和能源技术的多样化。
节能技术与能源终端使用效率的提高方面。高昂的能源价格导致了节能技术的空前发展，能源效率也随之提高。在能源生产、能源消费、设备制造以及工程等领域涌现了许多技术创新，这些技术创新包括许多方面，如提高能源效率（如干法水泥生产）、更换效率低下的设备（如效率低下的换热器）、采用新型的隔热结构设计，以及更加符合空气动力学的交通工具设计等。同时，新型材料（如铝合金、塑料和陶瓷等）和计算机技术也被应用其中。在20世纪70年代初80年代末，由于节能技术的发展和能源效率的提高，世界能源强度明显下降。
能源技术的多样化方面。一些大的电力设备制造企业，如通用电器（General Electric，GE）、西屋（Westinghouse）和西门子（Siemens）等开始研发和生产轻水核反应堆（Light-Water Reactors），而不仅仅局限于传统热电生产设备。与此同时，一些石油公司也开始在煤炭气化、核电、太阳能光伏电池和其他可再生能源技术上进行投资，这些变化反映了当时的石油企业对石油工业前景的悲观估计（Martin，1996）。然而，直到石油危机到来之后，迫于能源供应安全和长期发展目标的压力，各国政府才开始重新审视和定位其能源（技术）政策。几乎所有国家，尤其是像日本这样严重依赖进口石油，并且经济发展对石油供应安全特别敏感的国家，开始利用核能、煤炭和其他新能源技术替代石油，旨在降低对进口石油依赖的长期计划（Lesbirel，1988）。
不难发现，这一时期的能源技术变迁是能源市场在石油危机冲击下所做出的供需策略调整的一部分，其主要的驱动因素是市场因素。
进入20世纪90年代以来，人为因素引致的环境恶化，如全球气候变暖，引起了世界广泛的关注，环境问题从区域化的问题变为了全球性的问题。在认识到潜在的全球气候变化威胁之后，世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）和联合国环境项目小组（United Nations Environment Programme，UNEP）于1988年共同成立了IPCC，旨在对人为引致的气候变化风险在科学、技术和社会经济方面进行评估。1992年，联合国环境与发展大会（United Nations Conference on Environment and Development）在巴西里约热内卢召开，这次大会通常被称为“里约地球峰会”（Rio Earth Sum-mit）。绝大多数与会国家加入了一项国际公约——《联合国气候变化框架公约》（ United Nations Framework Convention on Climate Change ，UNFCCC），并开始考虑如何降低全球变暖和如何处理一些不可避免的气温升高的应对措施。《联合国气候变化框架公约》呼吁：“将大气中温室气体浓度稳定在防止发生由人类活动引起的、危险的气候变化水平上。”1997年，《京都议定书》作为《联合国气候变化框架公约》的附件得到许多国家的加入，《京都议定书》中规定了一些更加有力的措施。
但是，这种转变不能一蹴而就，其面临的最大困难和挑战就是世界能源系统已锁定（Locked-in）于化石能源，新能源和可再生能源技术目前尚无法与化石能源技术竞争。而新能源和可再生能源技术的发展依靠其自身的力量是远远无法承受与化石能源技术的竞争的，此时，政府公共政策必须进行支持，以克服诸多的市场失效。在此背景下，世界诸多国家通过各种法律、法规和经济激励政策，大力扶植新能源和可再生能源技术的发展。这一时期的能源技术进步趋势主要是面向清洁和可持续能源系统的，其主要的驱动因素则是政府公共政策，政府在这一过程中将发挥越来越重要的引导、激励作用。