作者：雷奕安 北京大學物理學院
來源：《現代物理知識》
能源是一切自然活動和社會活動的基礎。自宇宙誕生以來，大到星系形成，恒星發光，小到細菌繁殖，原子核衰變，沒有任何自然過程不是由能源驅動的。
生命在地球上出現后，經過了數十億年的演化，無數的生命種類在地球上產生并消亡，但基本的趨勢是，越是高級的、適應能力強的生命形式，對能量的需求越高，消耗的能量越多。
人類社會也是一樣。在人類誕生后的數百萬年內，不僅人口數量不斷增長，每個人消耗的能量也在不斷增加，越是先進的社會，越是文明的國家，每個人的衣食住行消耗的能源越多。以中國為例，1965年到2010年間，煤炭消耗從每年2.3億噸增加到33億噸，增長了近15倍，而同期人口增長還不到一倍。從世界范圍來看，從1965年到2005年，全世界初級能源消耗從5太瓦（1012瓦）增加到15太瓦，同期人口增長也不到一倍。
能源是社會發展的根本保證。只要社會繼續向前發展，對能源的需求就會越來越大。從今往后的100年之內，可以看見的社會發展過程有：新興工業化國家及其他發展中國家的城市化和大規模基礎建設，航空與航海的持續穩步發展，工業化國家的基礎設施更新，宇宙開發起步，等等。這些都需要消耗大量的能源。然而，目前世界能源的主要來源——化石能源不能滿足上述發展的需求，因此，新能源的開發和利用將構成下一百年能源利用的主力軍。
世界能源構成
工業革命以來，世界主要能源消耗是不可再生能源，包括化石能源和核能。根據美國能源信息署（EIA）的統計，單化石能源（煤、石油、天然氣）一項就占總初級能源消耗的86%，核能占6%。其他能源包括水力，風力，地熱，太陽能等加在一起才占不到8%，其中水力一項又占了7%。也就是說，除了傳統的水力以外，所有其他可再生能源只占全世界初級能源消耗的1%。
長期以來，世界化石能源消耗中，石油占大頭，約占40%，而煤和天然氣大約各占30%，煤略多。這與中國能源消耗構成有很大的差別。中國初級能源近80%依靠煤炭。目前中國煤炭消耗量已占世界煤炭消耗量的40%強。正是因為近年來中國煤炭消耗大幅增加，世界化石能源消耗中，天然氣所占比例才與煤炭逐漸拉開。
以可再生能源為代表的新能源雖然近年發展很快，但占人類消耗總能源比重仍然很低。如果不計傳統的水力和核能，其他新能源（風力、太陽能、潮汐、生物能源、地熱等）對全世界能源消耗的貢獻幾乎可以忽略。
地球能量平衡
對于整個地球而言，能量（溫度）平衡的主要因素是太陽能。根據美國航空航天署（NASA）的統計，太陽輻射能占地球獲得能量的99.97%，約174 PW（1015瓦）。其他還有：約45太瓦的地熱能，來自于地球內部放射性元素衰變及與月球和太陽之間的潮汐活動，表現為地熱和地質活動；約3太瓦的潮汐能，主要來自地球與月球和太陽之間的潮汐作用；約13太瓦的化石燃料燃燒，這是工業革命以來，人類活動額外引起的。
地球獲得的所有能量都將釋放到太空。大體來說，大約30%的入射太陽能直接反射出去，其中大氣反射6%，云反射20%，地球表面反射4%。19%的太陽能被大氣和云吸收，并輻射到太空。剩下的51%被地表吸收，其中的23%以相變潛熱的方式用于蒸發水分，7%加熱地表空氣，6%直接輻射到太空，15%輻射到大氣，再輻射到太空損失掉。全球光合作用轉換的功率大約是100太瓦，但考慮代謝分解與光和作用總體平衡，實際上不用另外考慮。
地球吸收的能量和輻射的能量應該平衡，否則就會引起全球溫度變化。溫室氣體能夠減少輻射損失，所以會引起全球氣溫升高。
化石能源峰值
相對于目前的消費量，已探明的化石能源儲量相當有限，考慮到能源需求的剛性增長，如果不采取措施，仍然按照目前的方式發展，石油大約會在50年內枯竭，煤炭也只有100余年的時間。
圍繞化石能源峰值理論有許多爭論，但是大的油氣田越來越難發現，剩下的油藏也越來越難開采是不爭的事實。雖然每年還有新增的儲量，但是按照目前的需求增長速度，儲采平衡將越來越難以維持。即使按非常樂觀的估計，21世紀前半葉，石油生產峰值出現幾乎是沒有疑問的。
世界能源消耗增長
從1980年到2008年，世界一次能源消耗大約每年增長2%，28年增加75%。同期人口增加了50%。如果維持這一增速，到本世紀末，一次能源消耗將達到現在的六倍。但如果考慮世界人口增長減緩并穩定在100億左右，即比2008年增長50%，則可以認為到本世紀末，世界能源消耗大約是2010年的三倍，也就是50太瓦左右。換句話說，在目前主要的一次能源不能增長，甚至減少的情況下，世界還需要額外兩倍于目前總量的能源。
100年內，中國、印度及其他發展中國家要達到目前發達國家的平均能源消耗水平，再考慮人口增長，50太瓦都不夠。
100年的時間很長，很多變化可能會發生，即使人口增長也有不同的估算方法。技術的進步，能源利用效率的提高，社會的發展，很多事情難以預料，但100年后50太瓦也許是一個比較適宜的能源消耗估計。我們以此為依據，估計一下未來100年世界能源的構成。
石油
從應用范圍、不可替代性以及總量上看石油無疑是現代社會最重要的能源。由于石油的重要性，以及石油資源的不平衡性，石油一直是國際政治的中心議題之一。但石油也是所有化石能源中將最早枯竭的。2010年，全球石油消耗折合功率約為5.8太瓦。很多人認為這已經是石油開采和消費的峰值了，但也許還能維持到2030年或者更遠，峰值不會超過8太瓦，之后隨著社會向其他能源轉移，并且由于石油高昂的價格，石油產量逐步下降。到2110年，產量會降到現在的三分之一左右，也就是2太瓦。2030年之后，開采的石油中，非常規石油將占很大的一部分。
石油作為常規能源，在諸如飛行、海運等未來還將大力發展的領域中很難被替代。
煤炭
煤炭目前主要用于發電、供暖和化工原料。作為發電用途的煤炭增長到2030年左右后會維持較長時間，然后緩慢下降。相對石油，煤的儲量更豐富，分布更廣泛，在相當長的一段時間內，將是發展中國家最經濟可靠的能源。出于對環境污染和全球氣候變化影響的考慮，煤炭產業不會發展得很快。2010年世界煤炭消耗功率約為4.8太瓦，2030年左右會增加到6太瓦，并維持到2050年左右，之后緩慢下降。
水能
主要指利用河流湖泊水位差發電的大小水電，不包括潮汐發電。世界水能總蘊藏量約為7.2太瓦，目前已經利用到1.1太瓦左右。考慮環境因素，總的開發率不會太高。另外因為季節因素、防汛考慮等，總的水能利用率也不會太高。但是開發數量仍會穩定緩慢增長，估計到2110年，水能利用功率能達到2.5太瓦。
海洋的洋流、溫差、波浪和潮汐能等資源量在10太瓦左右，目前的開發程度還很低，一百年內能夠得到一定程度的開發。到2110年，估計海洋能源利用能達到0.5太瓦。
核能（裂變）
由于對環境及氣候問題的擔心，曾經讓人談核色變的核能，現在已歸到清潔能源和新能源一類，因為沒有排放問題。核能在本世紀中，將成為最重要的能量來源之一。
關于核能大家需要知道一些事實：現在所有的在役包括在建的反應堆只能利用大約1%的燃料鈾。剩下的99%是高放射性乏燃料，短期內無法處理。
核電原料鈾或釷在自然界非常豐富。常見的世界鈾資源總量只有550萬噸的說法（世界能源組織報告）具有誤導性。該報告的前提是開發成本在每千克130美元（2007年價格）以下。實際上到2010年鈾的價格就跌到了每千克100美元以下（最近又回升到140美元左右）。如果將鈾的價格提高一倍，可開采儲量將增加10倍。
海洋中有110億噸鈾，從海里提取鈾的成本是每千克300美元左右。由于地殼中鈾的豐度是海洋的1000倍，因此海里的鈾是取之不盡，用之不竭的。地殼中每噸土壤中的鈾和釷含有的裂變能大約相當于30噸煤。因此發展核能，鈾或釷資源不是問題。一千克鈾的熱值大約相當于三千噸煤，而目前一千克鈾的價格大致與一噸煤相當。在一座核電站中，鈾燃料的成本幾乎可以忽略。而同樣規模的燃煤電廠中，煤的成本要占70%。所以鈾的價格再漲幾倍也沒有問題。
裂變核能的主要問題是安全性。反應堆裝核燃料數十噸，還可能有數百噸本地堆放的乏燃料。裂變堆臨界工作，中子濃度和堆芯溫度與裂變反應速度是正反饋的，需要時刻精確控制反應堆中子濃度和堆芯溫度，一旦超臨界失控將導致融堆和大規模泄漏，影響范圍廣，危害大，時間長。前蘇聯切爾諾貝利和在日本福島發生的核事故都說明核安全的重要性。即使反應堆設計很好，事故概率低，但在人為破壞和軍事打擊之下，核反應堆是沒有任何抵抗力的。當前的做法是在受到重大地質災害或軍事威脅的時候，反應堆停堆卸載燃料。如果核能是社會的主要能量來源，這種做法意味著能源安全沒有保障。
未來核能需要解決的主要技術問題是核燃料利用率的提高，方案有實現燃料循環（乏燃料后處理），增殖反應堆，聚變裂變混合堆等。這些方案是目前核能利用的主要研究方向。燃料后處理的主要問題是成本，增殖堆需要消耗大量危險裂變元素，混合堆的前提是成熟的聚變技術。
核能（聚變及聚變裂變混合堆）
聚變能源無疑可以成為人類終極能源，但根據現在研究的進展情況，聚變能源要真正為人類所用，還有很長的路要走。
聚變其實不難實現。磁約束聚變也早就實現了輸出輸入能量比大于1。慣性約束聚變應該也能在較短的時間內實現這一目標。但由于設備和技術的復雜性，要維持聚變裝置持續穩定運行，并且源源不斷地輸出能量，還有很多困難，也存在相當的不確定性。但似乎也沒有原則性的困難。根據國際熱核聚變實驗堆（ITER）組織的路線圖，第一座商業磁約束聚變堆應該在2035年左右開始建造。個人認為，第一座經濟上可行的純聚變堆在2050年左右投入使用就非常樂觀了。考慮到聚變能源的清潔性，安全性和燃料的豐富程度，人類無論是在50年或者100年內解決聚變能源利用問題，都是非常了不起的成就，因為這奠定了人類以后千萬年的發展基礎。100年即使對短暫的人類歷史，也不算很長。100年內，傳統的能源也還夠用。
另外一個基于聚變的思路是，聚變裝置本身太大太復雜，如果能夠降低對聚變能量輸出的要求，簡化聚變裝置，利用氘氚聚變產生的高能中子轟擊鈾釷等裂變燃料，可以直接燃燒鈾238、釷232等裂變惰性核，這樣可以直接燒掉天然裂變燃料的99%，廢料的放射性也會大大降低。這就是聚變-裂變混合堆方案。混合堆方案還有鏈式反應亞臨界，反應不會失控的顯著優勢。方案早在20世紀50年代就已經提出，20世紀80年代美蘇研究較多，但因混合堆裂變燃料的使用量很大，核擴散問題不好解決，研究一度中斷。近幾年重新引起大家關注。
混合堆除了裂變燃料使用量過大，停堆后需要持續強制冷卻問題外，裝置的復雜性、高放射性運行環境都是很大的問題。由于對聚變裝置能量輸出要求較低，它可能與第一座商用純聚變堆同時出現。
美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室聲稱，基于慣性約束概念的聚變裂變混合堆在2020年左右就能投入使用，但其實還有很多問題沒有解決，估計會和其他商用聚變堆差不多同時出現。這些聚變堆或混合堆能夠幾乎同時成功的一個原因是他們很多關鍵技術是相同的，比如第一壁的材料和構成。
快中子增殖堆用到的技術有所不同，但要技術成熟，以及積累足夠的燃料和運營經驗，也需要相同的時間。
其他方案目前都有很多問題。由于核能技術復雜、危險、投入大，建設和研究的周期都很長，任何一種新方案沒有近十年的研究很難成熟。到本世紀中葉，應該有一、兩種先進核能技術可以用來代替常規化石能源。在這之前，也可以大規模采用常規三代核能技術，在人才、技術、法規、商業運營方面做好準備。另外也可以儲備大量下一代核能需要的核燃料。
從可靠性來說，包括聚變在內的核能應該是本世紀最重要的能源。目前核能利用總功率是1太瓦左右，到2110年要逐漸攀升到20太瓦左右，占總一次性能源消耗的40%。
以太陽能、風能、生物質能等為代表的可再生能源是目前能源領域最重要的話題，但到目前為止，即使經過了十來年的飛速發展，可再生能源對社會的貢獻仍然停留在概念層面，實質貢獻不大。
太陽能
地球每年獲得的太陽能總量極大，是目前人類消耗初級能源總量的一萬多倍，因此很多人認為只要利用上很小比例的太陽能，人類能源需求就可以得到滿足。例如，中國2010年底電力裝機為1太瓦左右，地球每平方米平均獲得的太陽能是350瓦，因此只需要約3000平方千米，即使只有10%左右的發電效率，也只要3萬平方千米。到本世紀末，用電再增加3倍左右，也只要10萬平方千米。中國西部有上百萬平方千米的荒漠，完全可以滿足要求。
然而事情并非如此簡單。首先，計算輻射能必須去掉大氣和云層反射和吸收的部分，這樣在中國大概只剩下200瓦，人口密集和經濟發達地區更低。其次，由于太陽的角度是不停變化的，為了充分利用光伏板的發電能力，實際上需要更多的土地來放置能夠跟蹤太陽的光伏板，占用的土地面積一般是光伏板面積的數倍。第三，由于太陽能是間歇性的，實際發電能力只有銘牌功率的四分之一左右，也就是要發1太瓦電，需要安裝4太瓦太陽能板。
經過多年的快速發展，中國2010年的太陽能電池產量是8吉瓦（109瓦），占全世界一半。即使如此，也需要500年才能把4太瓦的太陽能電池生產出來，而太陽能電池的使用壽命只有20～30年。第四，數十萬平方千米的發電廠建設需要極大的基礎材料消耗，如鋼材、鋁、銅、玻璃、晶體硅等，如果每百瓦（約1平方米太陽能電池板）需要10千克鋼材作為支架，1千克銅做導線，則4太瓦需要4億噸鋼材，4千萬噸銅，其中銅為中國銅年產量的10倍。現在的太陽能電池利用鉛酸蓄電池蓄能。哪怕只是將1太瓦1天的能量儲存起來，也需要6億噸鉛酸蓄電池，大約是中國2010年鉛酸蓄電池生產能力的200倍，而鉛酸蓄電池使用壽命只有3～4年。第五，太陽能電池并不是不需要維護，除了故障以外，灰塵也是一個很大的問題。一般每平方米降塵1克，就可以導致太陽能板發電減少10%，而中國每平方米年降塵量在數百克量級，也就是說，每天都要除塵。大城市，工業發達地區，荒漠（戈壁）等地降塵量猶大。另外，太陽能電廠要占用大量土地。到2010年，中國所有城鎮建設用地還不到4萬平方千米，要將數十萬平方千米荒漠土地開發出來（平整，安裝設備，建設規則全面的交通和維護網絡，等等），是一項非常巨大的任務。
由于太陽能的普遍性，本世紀太陽能利用還是會有較大的發展，但不會成為主要能量來源。利用方式主要是供熱。到2110年，太陽能發電可占到初級能源消耗總量的百分之一，即0.5太瓦左右。
風能
與人類消耗的能源相比，風能資源量是非常大的。美國在2010年初發布的一份報告稱美國大陸48州陸上現有技術可開發風能（80米高空）為13太瓦。中國應該也差不多（國家氣象局在2005，2009年出的兩個報告稱中國風能資源量分別為0.25太瓦（10米）和2.4（50米）太瓦，該數據沒有國外文獻引用）。
從能量密度上來說，典型的風力資源區可以達到1千瓦每平方米，遠遠高于太陽能。風能開發占用土地資源很少，不需要每天維護，發電可以直接上網。因此，與太陽能相比，風力發電優勢明顯。
限制風能發展的因素是它的不穩定性。氣候條件不佳時需要后備傳統電源填補空缺。因此電網中風能所占比例不能太大，一般認為極限在20%左右。考慮到風電實際發電能力只有裝機容量的五分之一到三分之一，20%的風力發電貢獻已經意味著其他裝機容量的總和了。即使考慮部分電力需求可以以間歇的方式提供，風能在全部一次能源中的比例應該不會太高，以20%計，到2110年風能大約能達到10太瓦（裝機40～50太瓦）。這個數字在2010年是約0.04太瓦（裝機0.2太瓦），一百年內還需要增長數百倍。
生物能源（生物質能和生物燃料）
地球是個生命世界，每天有大量太陽能被光合作用生物轉化為生物質能。2010年世界糧食產量約23億噸，對應的殘留物（秸稈等）大約也是這個數量，再加上樹木及木材的老化廢棄等，全球每年可利用的生物質能在50～100億噸左右。折合功率約為2～4太瓦，考慮到100年內糧食產量至少還應該提高一倍，考慮農業工業化、集約化，生物質能利用規模化等因素，到2110年，生物質能的利用應該能逐步發展到3太瓦左右，約為目前的約100倍。
生物燃料（乙醇，生物柴油等）的來源是糧食、植物油、農牧業有機廢棄物等，在農牧業發達、土地資源豐富的地區有比較大的發展潛力。考慮到太陽能非常豐富，地球上的荒漠及未利用土地還很多，隨著高技術、高投入農業的逐步發展，及其他生物燃料技術的發展和成熟，生物燃料到2110年，能增加到0.5太瓦左右。
地熱能
地熱資源量相當大（45太瓦），但能量密度低并且分散。用作發電投入也比較大，并且效益會逐年遞減，但用來采暖就要好得多。
大規模地熱開發有一個很重要的用途是用來抑制火山爆發。對一些潛在危害非常大，能大規模摧毀人類社會的火山，比如美國的黃石公園超級火山，應該迅速大規模開發地熱，從而抑制它的噴發。
目前的地熱資源利用率還非常低，隨著技術的開發和推廣，以及超級火山爆發預防的需要，到2110年，地熱能利用能達到1.5太瓦。
蓄能技術（主要是蓄電）是能源有效利用非常重要的一部分。風能太陽能這些資源量很大的能源不穩定，沒有大規模蓄能技術難以有效利用，但大規模蓄能很困難。用機械或化學的方法蓄能，能量密度都很低。比如將一百萬千瓦一天的能量存起來，需要60萬噸鉛酸電池，或12萬噸鈉硫電池，或15萬噸鋰電池，或9000萬噸水提升100米。可是2010年中國電力裝機已接近10億千瓦。
由于蓄能技術在物理和化學方面的原理性限制，蓄能能量密度不太可能有質的提高，因此電網蓄電在總的能源利用總的比例不太可能很高。
隨著農業工業化的發展，有可能發展出對能源穩定性要求不高的農業生產方式（植物工廠等），從而大量吸納不穩定電源供電。
可燃冰（天然氣水合物） 有人認為可燃冰資源量巨大，是未來清潔能源的重要組成部分。但最近的研究發現，可燃冰沒有以前以為的那么多，而且分布不集中，大規模開采將帶來巨大的環境問題，只有很少的地方可以開采。
空間太陽能 有人建議在空間建立大型太陽能電站，并以微波形式傳回能量。即使不考慮空間電廠的巨大費用，微波往地球傳送能量是極端危險的，因此這類方案不太可能得到管理部門的批準。
高空風能與太陽能 平流層幾乎沒有云，大氣環流強烈并且穩定，有人認為可以大規模開發。這些方案安全性難以保證，不太可能產業實現。
基于如上分析，我們可以畫出2010年到2110年世界各種能源消耗的情況如圖1。可以看出，100年后，最重要的能量來源是核能（包括聚變和裂變），占總能源的40%強，另外一個重要的來源是風能，占20%強。傳統化石能源在2030年左右達到峰值，然后緩慢下降，到100年后，將從目前的80%降到20%左右。水能大致維持總的貢獻比例。太陽能（發電）增長雖然非常大，但占總能源比例不超過1%。地熱和生物能源有很大的發展潛力，在100年后的能源構成中將占據相當重要的地位。來自傳統能源的貢獻中，石油下降最快，因為資源相對較少，并且替代能源大規模出現；煤炭下降最慢，因為資源豐富，利用的技術和成本都比較低，大量發展中國家的現代化離不開煤炭。（全文完）
圖1 下一百年世界各種能源消耗變化圖。橫坐標是年份，縱坐標是功率，單位是太瓦。從2010年到2110年，世界總能源消耗增加兩倍到51太瓦左右。傳統化石能源將下降，但仍占據相當重要地位，主要新增能源來自核能和風能
本文選自《現代物理知識》2011年第2期 時光摘編
