今天是世界清潔能源日。在地球上，有潛力被利用的清潔能源有很多種，比如太陽能、風能、地熱能、可燃冰、天然氣、核裂變能，還有人類暫時沒有好辦法利用的核聚變能。在這篇文章中，我們主要討論其中那些不可再生的能源，也就是以大約固定的儲量存儲在地球自身中的能源的存量。為了進行對比，那些“不清潔”的不可再生能源的存量也會一并進行討論。地球“自身”還有多少不可再生能源？今天，我們就來幫地球，也幫我們自己細細算筆賬。
01 什么是地球“自身”的不可再生能源？
我們這里討論的“不可再生能源”特指地球本身存儲的能源，不包括在地球上可以獲得但實際上來自地球之外的能源，如太陽能，風能，潮汐能等。
對于來自巖石圈中礦產資源的能源，我們會按照探明儲量來討論。一方面，由于對較深的地下情況的勘探極為困難，目前人類已探明的礦產資源只占地殼中礦產總量的一小部分，而地殼中到底有多少某種礦物？以目前的技術手段是無法完全知曉的。另一方面，在已探明的礦產資源中，并非都能以現有的技術開采出來。一般來說，技術可采儲量一般是探明儲量的幾分之一，而地質總儲量有可能是已探明儲量的幾十倍甚至更高。需要說明的一點是，這些比例會隨具體地質條件有極大的變化。
對于來自海水中的物質的能源，由于海水是流動的液體，所以對深水中成分的勘測相對較容易，并且海洋中各處的成分差別不大，因此本文會直接根據平均濃度和海洋總體積或總質量計算總量。
02化學能
地球上的化學能主要存儲在化石燃料中，包含天然氣、石油、煤炭和可燃冰。嚴格來說，還包含生物質，但生物質是可迅速再生的（植物光合作用）所以長期來看地球上生物質的可用總能量取決于地球生物圈的物質循環還能維持多久。盡管化石燃料也能緩慢地再生（生物質被地質運動埋藏并在地下經歷化學變化），但由于其再生的速度過于緩慢，故而在人類文明存續的時間內可以將其存量視作為穩定的。綜上，我們只計算化石燃料燃燒的總能量。
天然氣
全球天然氣的探明儲量約為188,074,220,000,000立方米。[1]（2020年數據）
在《綜合能耗計算通則》（GB/T 2589-2020）中，天然氣的平均低位發熱量被建議取3.22～3.89×10^7焦耳/立方米[2]，我們在這里取一個中間值：3.5×107焦耳/立方米。
那么，已探明的天然氣的總能量約為6.58×10^21焦耳。
石油
全球石油的探明儲量約為236,294,750,000噸，即2.36×10^14千克。[3]（2020年數據）
原油的平均低位發熱量仍然來自GB/T 2589-2020，取4.19×10^7焦耳/千克。
那么，已探明的石油的總能量約為9.888×10^21焦耳。
煤炭
全球煤炭的探明儲量約為1,074,108,000,000噸，即1.074×10^15千克。[4]（2020年數據）
在《綜合能耗計算通則》（GB/T 2589-2020）中，原煤的平均低位發熱量為約2.09×10^7焦耳/千克。
那么，已探明的煤炭的總能量約為2.2447×10^22焦耳。
可燃冰
可燃冰的情況比較復雜。由于可燃冰主要分布于寒冷地區的地下永久凍土和深海海底的下方，所以對可燃冰儲量的調查非常困難，因而數據十分缺乏，在不同的研究中，估計可燃冰中含有的天然氣的總量（注意：不是探明儲量，是地質總儲量）差異極大，從10^15立方米級別到10^18立方米級別都有。[5][6]
按照1×10^16立方米的儲量保守估計，如果平均低位發熱量仍然取3.5×10^7焦耳/立方米，則全球估計的可燃冰的總能量約為3.5×10^23焦耳。再次強調，與上面的其他資源不同，這不是已探明儲量，而是估計的地質總儲量。
03地熱能
地熱可能有很多種來源——地球形成之初，那些聚集成地球的隕石和塵埃的引力勢能的釋放；太陽和月球的潮汐對地球產生的形變的摩擦加熱；以及地球內部的放射性物質的衰變釋放的熱量。
地球中含有的熱能的總量大約是12.6×10^7焦耳，在地殼中有5.4×10^24焦耳，地球內部向外自然散熱的總功率大約是4.2×10^13瓦。[] 但就目前人類的技術水平而言，那些地質活動較為劇烈，有大量巖漿/熱液來到較淺的地層中的地區的地熱才能被利用。盡管地球中含有巨量的熱能，但絕大多數都在人類無法觸及的地幔和地核中。
圖3：最大熵模型計算的地熱利用適宜度地圖。更深的顏色代表更適宜建造地熱電站。
圖片來源：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652620319211
04核能
4.1 裂變能
在地球上，最常見的易裂變核素是鈾235。但鈾235十分稀有，天然鈾中只有0.72%是鈾235。[8] 不過，另外兩種儲量更大的核素可以被轉化為易裂變核素，它們是鈾238（占天然鈾的99.27%）和釷232（占天然釷的99.98%）。[9]
釷礦
全球已知的釷礦的估計儲量（注意不是探明儲量）約為6.212×10^9千克（2019年數據）[10]。這個儲量比鈾的探明儲量要低，但釷在地殼中的含量（13毫克每千克）要比鈾（2.5毫克每千克）高許多[11]，所以目前已知的釷礦儲量之所以比鈾礦少，更有可能是因為釷在工業上應用得很少，所以對其勘探的程度不深。
釷232在吸收一個中子后會變成釷233，隨后經過數步衰變變成鈾233，鈾233可以吸收一個中子然后裂變，放出能量和更多的中子，讓這個循環能持續下去[12]。這個過程中，每千克釷232會放出7.94×10^13焦耳的能量[13]。
圖1 釷燃料循環
圖片來源：
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Thorium_fuel_cycle
綜上，已發現的釷礦中釷的總能量約為4.93×10^23焦耳。
鈾資源
鈾有兩種較為穩定的同位素：鈾235（占0.72%）和鈾238（占99.27%）。
其中，鈾235的裂變較為容易，吸收一個中子就能直接裂變，每個原子核的裂變放出193.4兆電子伏特的能量，也就是每千克放出7.939×10^13焦耳的能量[14]。
陸地上，鈾的探明儲量約為1.067×10^10千克（2022年數據）[15]。按0.72%計算，其中有約7.68×10^7千克的鈾235。
那么，已探明的鈾礦中鈾235的總能量約為6.097×10^21焦耳。這個能量和已探明的天然氣的總能量差不多。
但是自然界存在的鈾元素中絕大部分都是鈾238這種同位素，這種同位素也能釋放核能，就是稍微麻煩一些——鈾238先吸收一個快中子，變成鈾239，然后衰變成钚239，钚239再吸收一個中子就會裂變，放出能量和更多的中子，讓這個循環能繼續。[16] 在這個過程中，每千克鈾238會放出約8.06×10^13焦耳的能量。[17]
圖2 鈾燃料增殖
圖片來源：
https://www.nuclear-power.com/glossary/nuclear-breeding/
那么，在考慮鈾238燃料增殖的情況下，全球陸地鈾礦中已探明的鈾的總能量約為8.536×10^23焦耳。
在海洋中，鈾主要以三碳酸鈾酰離子（[UO2(CO3)]^4+）的形式存在[18]，每升海水中鈾的平均含量約為3.3微克[19]。全球海洋的總體積約為1.3324×10^9立方千米[20]。那么，海水中鈾的總量約為4.3969×10^12千克。雖然海水中的鈾資源很豐富，但由于提取成本較高，所以目前海水采鈾并非主流。
那么，在考慮鈾238增殖的情況下，海水中鈾的總能量約為3.5175×10^26焦耳。
4.2核聚變能
最為容易，反應條件最低的核聚變反應是氘和氚的聚變。
氚不穩定，在自然界中幾乎不存在，但可以用中子轟擊鋰6來獲得。
另一種較為容易的聚變是氘-氘聚變，這種聚變比氘-氚聚變要困難一些，但海水中有大量的氘。
但要注意，目前人類并沒有有效利用核聚變的能量的技術。
鋰6（氘-氚聚變中氚的來源）
全球鋰的探明儲量約為2.6×10^10千克（2022年數據）[21]。 鋰中有4.85%是鋰6[22]。那么鋰6的探明儲量是1.261×10^9千克。
鋰6不能直接和氘反應，需要先吸收一個中子變成氚 ：
n+6Li→T+4He (4.8MeV)
然后氚再和氘反應：
D+T→n+4He (17.6MeV)
這兩個反應都是放能反應。[23] 整個反應消耗了1個氘原子和1個鋰6原子，產生了22.4MeV能量。
鋰6的相對原子質量是6.015。那么1千克鋰6與氘完全反應后放出3.593×10^14焦耳的能量。
全部已探明可開采的鋰6與氘完全反應（地球上氘的總量遠多于鋰6）總能量為4.53×10^23焦耳。
海水中的鋰總量約為224000兆噸=2.24×10^14千克[24]，那么海水中鋰6總量約為1.0864×10^13千克。
海水中的鋰6與氘完全反應后釋放的總能量約為3.903×10^27焦耳。
氘
海水中氘的濃度大約是33克/立方米[25]。海洋的總體積約為1.3324×10^9立方千米。那么，海洋中氘的總量約為4.3969×10^16千克。
氘聚變中有兩個反應：
（1）D+D→T+p（4.03MeV）
（2）D+D→3He+n (3.27MeV)
它們的產物T和3He都會和D繼續反應：
D+T→4He+n (17.6MeV)
3He+D→4He+p (18.3Mev)。[26] 在完全反應之后，消耗了6個氘原子，產生了43.2MeV能量。
1mol氘原子重2.014克[27]，那么氘完全反應的能量密度約為3.449×10^14焦耳/千克。
綜上，海水中氘的總能量約為1.5165×10^31焦耳。
05 小結
作為對比，人類2023年的總能耗功率約為2.091×10^13瓦[28]，發電功率約為3.365×10^12瓦，2023年一年消耗了約6.595×10^20焦耳能量。讓我們看看這些能源的總量相當于人類文明2023年的能耗的幾倍。
天然氣（探明儲量）：6.58×10^21焦，相當于2023年人類能耗的9.9倍。
石油（探明儲量）：9.888×10^21焦，14.9倍。
煤炭（探明儲量）：2.2447×10^22焦，34倍。
可燃冰（估計總儲量）：3.5×10^23焦耳，530倍。
釷（已發現礦脈的估計儲量）：4.93×10^23焦，747倍。
鈾235（陸地，探明儲量）：6.097×10^21焦，9.245倍。
鈾（陸地，探明儲量）：8.536×10^23焦，1294倍。
鈾（海洋，總量）：3.5175×10^26焦，533358倍。
地熱（地殼，推測總量）：5.4×10^24焦，8188倍。
地熱（整個地球，推測總量）：12.6×10^27焦，19105382倍。
鋰6（陸地，探明儲量）：4.53×10^23焦，686倍。
鋰6（海洋，總量）：3.903×10^27焦，6918119倍。
氘（總量）：1.5165×10^31焦，22994692949倍。
作者：康伊可 北京工業大學電子科學與技術專業 本科生
審核：李瑞霞 國家地熱中心中石化新星（北京）新能源研究院副院長、研究員
出品：科普中國
參考文獻：
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