作者：雷奕安 北京大學(xué)物理學(xué)院
來(lái)源：《現(xiàn)代物理知識(shí)》
能源是一切自然活動(dòng)和社會(huì)活動(dòng)的基礎(chǔ)。自宇宙誕生以來(lái)，大到星系形成，恒星發(fā)光，小到細(xì)菌繁殖，原子核衰變，沒有任何自然過(guò)程不是由能源驅(qū)動(dòng)的。
生命在地球上出現(xiàn)后，經(jīng)過(guò)了數(shù)十億年的演化，無(wú)數(shù)的生命種類在地球上產(chǎn)生并消亡，但基本的趨勢(shì)是，越是高級(jí)的、適應(yīng)能力強(qiáng)的生命形式，對(duì)能量的需求越高，消耗的能量越多。
人類社會(huì)也是一樣。在人類誕生后的數(shù)百萬(wàn)年內(nèi)，不僅人口數(shù)量不斷增長(zhǎng)，每個(gè)人消耗的能量也在不斷增加，越是先進(jìn)的社會(huì)，越是文明的國(guó)家，每個(gè)人的衣食住行消耗的能源越多。以中國(guó)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(zhǎng)了近15倍，而同期人口增長(zhǎng)還不到一倍。從世界范圍來(lái)看，從1965年到2005年，全世界初級(jí)能源消耗從5太瓦（1012瓦）增加到15太瓦，同期人口增長(zhǎng)也不到一倍。
能源是社會(huì)發(fā)展的根本保證。只要社會(huì)繼續(xù)向前發(fā)展，對(duì)能源的需求就會(huì)越來(lái)越大。從今往后的100年之內(nèi)，可以看見的社會(huì)發(fā)展過(guò)程有：新興工業(yè)化國(guó)家及其他發(fā)展中國(guó)家的城市化和大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)，航空與航海的持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展，工業(yè)化國(guó)家的基礎(chǔ)設(shè)施更新，宇宙開發(fā)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(lái)源——化石能源不能滿足上述發(fā)展的需求，因此，新能源的開發(fā)和利用將構(gòu)成下一百年能源利用的主力軍。
一、能源及其基本特性
世界能源構(gòu)成
工業(yè)革命以來(lái)，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(jù)美國(guó)能源信息署（EIA）的統(tǒng)計(jì)，單化石能源（煤、石油、天然氣）一項(xiàng)就占總初級(jí)能源消耗的86%，核能占6%。其他能源包括水力，風(fēng)力，地?zé)?，太?yáng)能等加在一起才占不到8%，其中水力一項(xiàng)又占了7%。也就是說(shuō)，除了傳統(tǒng)的水力以外，所有其他可再生能源只占全世界初級(jí)能源消耗的1%。
長(zhǎng)期以來(lái)，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(guó)能源消耗構(gòu)成有很大的差別。中國(guó)初級(jí)能源近80%依靠煤炭。目前中國(guó)煤炭消耗量已占世界煤炭消耗量的40%強(qiáng)。正是因?yàn)榻陙?lái)中國(guó)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(fā)展很快，但占人類消耗總能源比重仍然很低。如果不計(jì)傳統(tǒng)的水力和核能，其他新能源（風(fēng)力、太陽(yáng)能、潮汐、生物能源、地?zé)岬龋?duì)全世界能源消耗的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略。
地球能量平衡
對(duì)于整個(gè)地球而言，能量（溫度）平衡的主要因素是太陽(yáng)能。根據(jù)美國(guó)航空航天署（NASA）的統(tǒng)計(jì)，太陽(yáng)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?zé)崮?，?lái)自于地球內(nèi)部放射性元素衰變及與月球和太陽(yáng)之間的潮汐活動(dòng)，表現(xiàn)為地?zé)岷偷刭|(zhì)活動(dòng)；約3太瓦的潮汐能，主要來(lái)自地球與月球和太陽(yáng)之間的潮汐作用；約13太瓦的化石燃料燃燒，這是工業(yè)革命以來(lái)，人類活動(dòng)額外引起的。
地球獲得的所有能量都將釋放到太空。大體來(lái)說(shuō)，大約30%的入射太陽(yáng)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(yáng)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(fā)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(zhuǎn)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(shí)際上不用另外考慮。
地球吸收的能量和輻射的能量應(yīng)該平衡，否則就會(huì)引起全球溫度變化。溫室氣體能夠減少輻射損失，所以會(huì)引起全球氣溫升高。
化石能源峰值
相對(duì)于目前的消費(fèi)量，已探明的化石能源儲(chǔ)量相當(dāng)有限，考慮到能源需求的剛性增長(zhǎng)，如果不采取措施，仍然按照目前的方式發(fā)展，石油大約會(huì)在50年內(nèi)枯竭，煤炭也只有100余年的時(shí)間。
圍繞化石能源峰值理論有許多爭(zhēng)論，但是大的油氣田越來(lái)越難發(fā)現(xiàn)，剩下的油藏也越來(lái)越難開采是不爭(zhēng)的事實(shí)。雖然每年還有新增的儲(chǔ)量，但是按照目前的需求增長(zhǎng)速度，儲(chǔ)采平衡將越來(lái)越難以維持。即使按非常樂觀的估計(jì)，21世紀(jì)前半葉，石油生產(chǎn)峰值出現(xiàn)幾乎是沒有疑問(wèn)的。
世界能源消耗增長(zhǎng)
從1980年到2008年，世界一次能源消耗大約每年增長(zhǎng)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(jì)末，一次能源消耗將達(dá)到現(xiàn)在的六倍。但如果考慮世界人口增長(zhǎng)減緩并穩(wěn)定在100億左右，即比2008年增長(zhǎng)50%，則可以認(rèn)為到本世紀(jì)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(shuō)，在目前主要的一次能源不能增長(zhǎng)，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(nèi)，中國(guó)、印度及其他發(fā)展中國(guó)家要達(dá)到目前發(fā)達(dá)國(guó)家的平均能源消耗水平，再考慮人口增長(zhǎng)，50太瓦都不夠。
100年的時(shí)間很長(zhǎng)，很多變化可能會(huì)發(fā)生，即使人口增長(zhǎng)也有不同的估算方法。技術(shù)的進(jìn)步，能源利用效率的提高，社會(huì)的發(fā)展，很多事情難以預(yù)料，但100年后50太瓦也許是一個(gè)比較適宜的能源消耗估計(jì)。我們以此為依據(jù)，估計(jì)一下未來(lái)100年世界能源的構(gòu)成。
二、各種能源及其前景
石油
從應(yīng)用范圍、不可替代性以及總量上看石油無(wú)疑是現(xiàn)代社會(huì)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(guó)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(rèn)為這已經(jīng)是石油開采和消費(fèi)的峰值了，但也許還能維持到2030年或者更遠(yuǎn)，峰值不會(huì)超過(guò)8太瓦，之后隨著社會(huì)向其他能源轉(zhuǎn)移，并且由于石油高昂的價(jià)格，石油產(chǎn)量逐步下降。到2110年，產(chǎn)量會(huì)降到現(xiàn)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(guī)石油將占很大的一部分。
石油作為常規(guī)能源，在諸如飛行、海運(yùn)等未來(lái)還將大力發(fā)展的領(lǐng)域中很難被替代。
煤炭
煤炭目前主要用于發(fā)電、供暖和化工原料。作為發(fā)電用途的煤炭增長(zhǎng)到2030年左右后會(huì)維持較長(zhǎng)時(shí)間，然后緩慢下降。相對(duì)石油，煤的儲(chǔ)量更豐富，分布更廣泛，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，將是發(fā)展中國(guó)家最經(jīng)濟(jì)可靠的能源。出于對(duì)環(huán)境污染和全球氣候變化影響的考慮，煤炭產(chǎn)業(yè)不會(huì)發(fā)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(huì)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(fā)電的大小水電，不包括潮汐發(fā)電。世界水能總蘊(yùn)藏量約為7.2太瓦，目前已經(jīng)利用到1.1太瓦左右?？紤]環(huán)境因素，總的開發(fā)率不會(huì)太高。另外因?yàn)榧竟?jié)因素、防汛考慮等，總的水能利用率也不會(huì)太高。但是開發(fā)數(shù)量仍會(huì)穩(wěn)定緩慢增長(zhǎng)，估計(jì)到2110年，水能利用功率能達(dá)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(fā)程度還很低，一百年內(nèi)能夠得到一定程度的開發(fā)。到2110年，估計(jì)海洋能源利用能達(dá)到0.5太瓦。
核能（裂變）
由于對(duì)環(huán)境及氣候問(wèn)題的擔(dān)心，曾經(jīng)讓人談核色變的核能，現(xiàn)在已歸到清潔能源和新能源一類，因?yàn)闆]有排放問(wèn)題。核能在本世紀(jì)中，將成為最重要的能量來(lái)源之一。
關(guān)于核能大家需要知道一些事實(shí)：現(xiàn)在所有的在役包括在建的反應(yīng)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(nèi)無(wú)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(wàn)噸的說(shuō)法（世界能源組織報(bào)告）具有誤導(dǎo)性。該報(bào)告的前提是開發(fā)成本在每千克130美元（2007年價(jià)格）以下。實(shí)際上到2010年鈾的價(jià)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(jià)格提高一倍，可開采儲(chǔ)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(dāng)于30噸煤。因此發(fā)展核能，鈾或釷資源不是問(wèn)題。一千克鈾的熱值大約相當(dāng)于三千噸煤，而目前一千克鈾的價(jià)格大致與一噸煤相當(dāng)。在一座核電站中，鈾燃料的成本幾乎可以忽略。而同樣規(guī)模的燃煤電廠中，煤的成本要占70%。所以鈾的價(jià)格再漲幾倍也沒有問(wèn)題。
裂變核能的主要問(wèn)題是安全性。反應(yīng)堆裝核燃料數(shù)十噸，還可能有數(shù)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(yīng)速度是正反饋的，需要時(shí)刻精確控制反應(yīng)堆中子濃度和堆芯溫度，一旦超臨界失控將導(dǎo)致融堆和大規(guī)模泄漏，影響范圍廣，危害大，時(shí)間長(zhǎng)。前蘇聯(lián)切爾諾貝利和在日本福島發(fā)生的核事故都說(shuō)明核安全的重要性。即使反應(yīng)堆設(shè)計(jì)很好，事故概率低，但在人為破壞和軍事打擊之下，核反應(yīng)堆是沒有任何抵抗力的。當(dāng)前的做法是在受到重大地質(zhì)災(zāi)害或軍事威脅的時(shí)候，反應(yīng)堆停堆卸載燃料。如果核能是社會(huì)的主要能量來(lái)源，這種做法意味著能源安全沒有保障。
未來(lái)核能需要解決的主要技術(shù)問(wèn)題是核燃料利用率的提高，方案有實(shí)現(xiàn)燃料循環(huán)（乏燃料后處理），增殖反應(yīng)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(wèn)題是成本，增殖堆需要消耗大量危險(xiǎn)裂變?cè)兀旌隙训那疤崾浅墒斓木圩兗夹g(shù)。
核能（聚變及聚變裂變混合堆）
聚變能源無(wú)疑可以成為人類終極能源，但根據(jù)現(xiàn)在研究的進(jìn)展情況，聚變能源要真正為人類所用，還有很長(zhǎng)的路要走。
聚變其實(shí)不難實(shí)現(xiàn)。磁約束聚變也早就實(shí)現(xiàn)了輸出輸入能量比大于1。慣性約束聚變應(yīng)該也能在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。但由于設(shè)備和技術(shù)的復(fù)雜性，要維持聚變裝置持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，并且源源不斷地輸出能量，還有很多困難，也存在相當(dāng)?shù)牟淮_定性。但似乎也沒有原則性的困難。根據(jù)國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）組織的路線圖，第一座商業(yè)磁約束聚變堆應(yīng)該在2035年左右開始建造。個(gè)人認(rèn)為，第一座經(jīng)濟(jì)上可行的純聚變堆在2050年左右投入使用就非常樂觀了?？紤]到聚變能源的清潔性，安全性和燃料的豐富程度，人類無(wú)論是在50年或者100年內(nèi)解決聚變能源利用問(wèn)題，都是非常了不起的成就，因?yàn)檫@奠定了人類以后千萬(wàn)年的發(fā)展基礎(chǔ)。100年即使對(duì)短暫的人類歷史，也不算很長(zhǎng)。100年內(nèi)，傳統(tǒng)的能源也還夠用。
另外一個(gè)基于聚變的思路是，聚變裝置本身太大太復(fù)雜，如果能夠降低對(duì)聚變能量輸出的要求，簡(jiǎn)化聚變裝置，利用氘氚聚變產(chǎn)生的高能中子轟擊鈾釷等裂變?nèi)剂?，可以直接燃燒?38、釷232等裂變惰性核，這樣可以直接燒掉天然裂變?nèi)剂系?9%，廢料的放射性也會(huì)大大降低。這就是聚變-裂變混合堆方案。混合堆方案還有鏈?zhǔn)椒磻?yīng)亞臨界，反應(yīng)不會(huì)失控的顯著優(yōu)勢(shì)。方案早在20世紀(jì)50年代就已經(jīng)提出，20世紀(jì)80年代美蘇研究較多，但因混合堆裂變?nèi)剂系氖褂昧亢艽螅藬U(kuò)散問(wèn)題不好解決，研究一度中斷。近幾年重新引起大家關(guān)注。
混合堆除了裂變?nèi)剂鲜褂昧窟^(guò)大，停堆后需要持續(xù)強(qiáng)制冷卻問(wèn)題外，裝置的復(fù)雜性、高放射性運(yùn)行環(huán)境都是很大的問(wèn)題。由于對(duì)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(shí)出現(xiàn)。
美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(shí)還有很多問(wèn)題沒有解決，估計(jì)會(huì)和其他商用聚變堆差不多同時(shí)出現(xiàn)。這些聚變堆或混合堆能夠幾乎同時(shí)成功的一個(gè)原因是他們很多關(guān)鍵技術(shù)是相同的，比如第一壁的材料和構(gòu)成。
快中子增殖堆用到的技術(shù)有所不同，但要技術(shù)成熟，以及積累足夠的燃料和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，也需要相同的時(shí)間。
其他方案目前都有很多問(wèn)題。由于核能技術(shù)復(fù)雜、危險(xiǎn)、投入大，建設(shè)和研究的周期都很長(zhǎng)，任何一種新方案沒有近十年的研究很難成熟。到本世紀(jì)中葉，應(yīng)該有一、兩種先進(jìn)核能技術(shù)可以用來(lái)代替常規(guī)化石能源。在這之前，也可以大規(guī)模采用常規(guī)三代核能技術(shù)，在人才、技術(shù)、法規(guī)、商業(yè)運(yùn)營(yíng)方面做好準(zhǔn)備。另外也可以儲(chǔ)備大量下一代核能需要的核燃料。
從可靠性來(lái)說(shuō)，包括聚變?cè)趦?nèi)的核能應(yīng)該是本世紀(jì)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%。
三、可再生能源
以太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等為代表的可再生能源是目前能源領(lǐng)域最重要的話題，但到目前為止，即使經(jīng)過(guò)了十來(lái)年的飛速發(fā)展，可再生能源對(duì)社會(huì)的貢獻(xiàn)仍然停留在概念層面，實(shí)質(zhì)貢獻(xiàn)不大。
太陽(yáng)能
地球每年獲得的太陽(yáng)能總量極大，是目前人類消耗初級(jí)能源總量的一萬(wàn)多倍，因此很多人認(rèn)為只要利用上很小比例的太陽(yáng)能，人類能源需求就可以得到滿足。例如，中國(guó)2010年底電力裝機(jī)為1太瓦左右，地球每平方米平均獲得的太陽(yáng)能是350瓦，因此只需要約3000平方千米，即使只有10%左右的發(fā)電效率，也只要3萬(wàn)平方千米。到本世紀(jì)末，用電再增加3倍左右，也只要10萬(wàn)平方千米。中國(guó)西部有上百萬(wàn)平方千米的荒漠，完全可以滿足要求。
然而事情并非如此簡(jiǎn)單。首先，計(jì)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(guó)大概只剩下200瓦，人口密集和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)更低。其次，由于太陽(yáng)的角度是不停變化的，為了充分利用光伏板的發(fā)電能力，實(shí)際上需要更多的土地來(lái)放置能夠跟蹤太陽(yáng)的光伏板，占用的土地面積一般是光伏板面積的數(shù)倍。第三，由于太陽(yáng)能是間歇性的，實(shí)際發(fā)電能力只有銘牌功率的四分之一左右，也就是要發(fā)1太瓦電，需要安裝4太瓦太陽(yáng)能板。
經(jīng)過(guò)多年的快速發(fā)展，中國(guó)2010年的太陽(yáng)能電池產(chǎn)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(yáng)能電池生產(chǎn)出來(lái)，而太陽(yáng)能電池的使用壽命只有20～30年。第四，數(shù)十萬(wàn)平方千米的發(fā)電廠建設(shè)需要極大的基礎(chǔ)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(yáng)能電池板）需要10千克鋼材作為支架，1千克銅做導(dǎo)線，則4太瓦需要4億噸鋼材，4千萬(wàn)噸銅，其中銅為中國(guó)銅年產(chǎn)量的10倍。現(xiàn)在的太陽(yáng)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?jī)?chǔ)存起來(lái)，也需要6億噸鉛酸蓄電池，大約是中國(guó)2010年鉛酸蓄電池生產(chǎn)能力的200倍，而鉛酸蓄電池使用壽命只有3～4年。第五，太陽(yáng)能電池并不是不需要維護(hù)，除了故障以外，灰塵也是一個(gè)很大的問(wèn)題。一般每平方米降塵1克，就可以導(dǎo)致太陽(yáng)能板發(fā)電減少10%，而中國(guó)每平方米年降塵量在數(shù)百克量級(jí)，也就是說(shuō)，每天都要除塵。大城市，工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，荒漠（戈壁）等地降塵量猶大。另外，太陽(yáng)能電廠要占用大量土地。到2010年，中國(guó)所有城鎮(zhèn)建設(shè)用地還不到4萬(wàn)平方千米，要將數(shù)十萬(wàn)平方千米荒漠土地開發(fā)出來(lái)（平整，安裝設(shè)備，建設(shè)規(guī)則全面的交通和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，等等），是一項(xiàng)非常巨大的任務(wù)。
由于太陽(yáng)能的普遍性，本世紀(jì)太陽(yáng)能利用還是會(huì)有較大的發(fā)展，但不會(huì)成為主要能量來(lái)源。利用方式主要是供熱。到2110年，太陽(yáng)能發(fā)電可占到初級(jí)能源消耗總量的百分之一，即0.5太瓦左右。
風(fēng)能
與人類消耗的能源相比，風(fēng)能資源量是非常大的。美國(guó)在2010年初發(fā)布的一份報(bào)告稱美國(guó)大陸48州陸上現(xiàn)有技術(shù)可開發(fā)風(fēng)能（80米高空）為13太瓦。中國(guó)應(yīng)該也差不多（國(guó)家氣象局在2005，2009年出的兩個(gè)報(bào)告稱中國(guó)風(fēng)能資源量分別為0.25太瓦（10米）和2.4（50米）太瓦，該數(shù)據(jù)沒有國(guó)外文獻(xiàn)引用）。
從能量密度上來(lái)說(shuō)，典型的風(fēng)力資源區(qū)可以達(dá)到1千瓦每平方米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太陽(yáng)能。風(fēng)能開發(fā)占用土地資源很少，不需要每天維護(hù)，發(fā)電可以直接上網(wǎng)。因此，與太陽(yáng)能相比，風(fēng)力發(fā)電優(yōu)勢(shì)明顯。
限制風(fēng)能發(fā)展的因素是它的不穩(wěn)定性。氣候條件不佳時(shí)需要后備傳統(tǒng)電源填補(bǔ)空缺。因此電網(wǎng)中風(fēng)能所占比例不能太大，一般認(rèn)為極限在20%左右?？紤]到風(fēng)電實(shí)際發(fā)電能力只有裝機(jī)容量的五分之一到三分之一，20%的風(fēng)力發(fā)電貢獻(xiàn)已經(jīng)意味著其他裝機(jī)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(fēng)能在全部一次能源中的比例應(yīng)該不會(huì)太高，以20%計(jì)，到2110年風(fēng)能大約能達(dá)到10太瓦（裝機(jī)40～50太瓦）。這個(gè)數(shù)字在2010年是約0.04太瓦（裝機(jī)0.2太瓦），一百年內(nèi)還需要增長(zhǎng)數(shù)百倍。
生物能源（生物質(zhì)能和生物燃料）
地球是個(gè)生命世界，每天有大量太陽(yáng)能被光合作用生物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能。2010年世界糧食產(chǎn)量約23億噸，對(duì)應(yīng)的殘留物（秸稈等）大約也是這個(gè)數(shù)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(zhì)能在50～100億噸左右。折合功率約為2～4太瓦，考慮到100年內(nèi)糧食產(chǎn)量至少還應(yīng)該提高一倍，考慮農(nóng)業(yè)工業(yè)化、集約化，生物質(zhì)能利用規(guī)?；纫蛩?，到2110年，生物質(zhì)能的利用應(yīng)該能逐步發(fā)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(lái)源是糧食、植物油、農(nóng)牧業(yè)有機(jī)廢棄物等，在農(nóng)牧業(yè)發(fā)達(dá)、土地資源豐富的地區(qū)有比較大的發(fā)展?jié)摿??？紤]到太陽(yáng)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(shù)、高投入農(nóng)業(yè)的逐步發(fā)展，及其他生物燃料技術(shù)的發(fā)展和成熟，生物燃料到2110年，能增加到0.5太瓦左右。
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地?zé)豳Y源量相當(dāng)大（45太瓦），但能量密度低并且分散。用作發(fā)電投入也比較大，并且效益會(huì)逐年遞減，但用來(lái)采暖就要好得多。
大規(guī)模地?zé)衢_發(fā)有一個(gè)很重要的用途是用來(lái)抑制火山爆發(fā)。對(duì)一些潛在危害非常大，能大規(guī)模摧毀人類社會(huì)的火山，比如美國(guó)的黃石公園超級(jí)火山，應(yīng)該迅速大規(guī)模開發(fā)地?zé)?，從而抑制它的噴發(fā)。
目前的地?zé)豳Y源利用率還非常低，隨著技術(shù)的開發(fā)和推廣，以及超級(jí)火山爆發(fā)預(yù)防的需要，到2110年，地?zé)崮芾媚苓_(dá)到1.5太瓦。
四、蓄能技術(shù)
蓄能技術(shù)（主要是蓄電）是能源有效利用非常重要的一部分。風(fēng)能太陽(yáng)能這些資源量很大的能源不穩(wěn)定，沒有大規(guī)模蓄能技術(shù)難以有效利用，但大規(guī)模蓄能很困難。用機(jī)械或化學(xué)的方法蓄能，能量密度都很低。比如將一百萬(wàn)千瓦一天的能量存起來(lái)，需要60萬(wàn)噸鉛酸電池，或12萬(wàn)噸鈉硫電池，或15萬(wàn)噸鋰電池，或9000萬(wàn)噸水提升100米?？墒?010年中國(guó)電力裝機(jī)已接近10億千瓦。
由于蓄能技術(shù)在物理和化學(xué)方面的原理性限制，蓄能能量密度不太可能有質(zhì)的提高，因此電網(wǎng)蓄電在總的能源利用總的比例不太可能很高。
隨著農(nóng)業(yè)工業(yè)化的發(fā)展，有可能發(fā)展出對(duì)能源穩(wěn)定性要求不高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式（植物工廠等），從而大量吸納不穩(wěn)定電源供電。
五、似是而非的未來(lái)能源
可燃冰（天然氣水合物） 有人認(rèn)為可燃冰資源量巨大，是未來(lái)清潔能源的重要組成部分。但最近的研究發(fā)現(xiàn)，可燃冰沒有以前以為的那么多，而且分布不集中，大規(guī)模開采將帶來(lái)巨大的環(huán)境問(wèn)題，只有很少的地方可以開采。
空間太陽(yáng)能 有人建議在空間建立大型太陽(yáng)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(fèi)用，微波往地球傳送能量是極端危險(xiǎn)的，因此這類方案不太可能得到管理部門的批準(zhǔn)。
高空風(fēng)能與太陽(yáng)能 平流層幾乎沒有云，大氣環(huán)流強(qiáng)烈并且穩(wěn)定，有人認(rèn)為可以大規(guī)模開發(fā)。這些方案安全性難以保證，不太可能產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)。
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?？梢钥闯?，100年后，最重要的能量來(lái)源是核能（包括聚變和裂變），占總能源的40%強(qiáng)，另外一個(gè)重要的來(lái)源是風(fēng)能，占20%強(qiáng)。傳統(tǒng)化石能源在2030年左右達(dá)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(xiàn)比例。太陽(yáng)能（發(fā)電）增長(zhǎng)雖然非常大，但占總能源比例不超過(guò)1%。地?zé)岷蜕锬茉从泻艽蟮陌l(fā)展?jié)摿Γ?00年后的能源構(gòu)成中將占據(jù)相當(dāng)重要的地位。來(lái)自傳統(tǒng)能源的貢獻(xiàn)中，石油下降最快，因?yàn)橘Y源相對(duì)較少，并且替代能源大規(guī)模出現(xiàn)；煤炭下降最慢，因?yàn)橘Y源豐富，利用的技術(shù)和成本都比較低，大量發(fā)展中國(guó)家的現(xiàn)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(biāo)是年份，縱坐標(biāo)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(tǒng)化石能源將下降，但仍占據(jù)相當(dāng)重要地位，主要新增能源來(lái)自核能和風(fēng)能
本文選自《現(xiàn)代物理知識(shí)》2011年第2期 時(shí)光摘編
