地球还有多少“家当”？一起算笔“账”｜国际清洁能源日

今天是世界清洁能源日。在地球上，有潜力被利用的清洁能源有很多种，比如太阳能、风能、地热能、可燃冰、天然气、核裂变能，还有人类暂时没有好办法利用的核聚变能。在这篇文章中，我们主要讨论其中那些不可再生的能源，也就是以大约固定的储量存储在地球自身中的能源的存量。为了进行对比，那些“不清洁”的不可再生能源的存量也会一并进行讨论。地球“自身”还有多少不可再生能源？今天，我们就来帮地球，也帮我们自己细细算笔账。

01 什么是地球“自身”的不可再生能源？

我们这里讨论的“不可再生能源”特指地球本身存储的能源，不包括在地球上可以获得但实际上来自地球之外的能源，如太阳能，风能，潮汐能等。

对于来自岩石圈中矿产资源的能源，我们会按照探明储量来讨论。一方面，由于对较深的地下情况的勘探极为困难，目前人类已探明的矿产资源只占地壳中矿产总量的一小部分，而地壳中到底有多少某种矿物？以目前的技术手段是无法完全知晓的。另一方面，在已探明的矿产资源中，并非都能以现有的技术开采出来。一般来说，技术可采储量一般是探明储量的几分之一，而地质总储量有可能是已探明储量的几十倍甚至更高。需要说明的一点是，这些比例会随具体地质条件有极大的变化。

对于来自海水中的物质的能源，由于海水是流动的液体，所以对深水中成分的勘测相对较容易，并且海洋中各处的成分差别不大，因此本文会直接根据平均浓度和海洋总体积或总质量计算总量。

02化学能

地球上的化学能主要存储在化石燃料中，包含天然气、石油、煤炭和可燃冰。严格来说，还包含生物质，但生物质是可迅速再生的（植物光合作用）所以长期来看地球上生物质的可用总能量取决于地球生物圈的物质循环还能维持多久。尽管化石燃料也能缓慢地再生（生物质被地质运动埋藏并在地下经历化学变化），但由于其再生的速度过于缓慢，故而在人类文明存续的时间内可以将其存量视作为稳定的。综上，我们只计算化石燃料燃烧的总能量。

天然气

全球天然气的探明储量约为188,074,220,000,000立方米。[1]（2020年数据）

在《综合能耗计算通则》（GB/T 2589-2020）中，天然气的平均低位发热量被建议取3.22～3.89×10^7焦耳/立方米[2]，我们在这里取一个中间值：3.5×107焦耳/立方米。

那么，已探明的天然气的总能量约为6.58×10^21焦耳。

石油

全球石油的探明储量约为236,294,750,000吨，即2.36×10^14千克。[3]（2020年数据）

原油的平均低位发热量仍然来自GB/T 2589-2020，取4.19×10^7焦耳/千克。

那么，已探明的石油的总能量约为9.888×10^21焦耳。

煤炭

全球煤炭的探明储量约为1,074,108,000,000吨，即1.074×10^15千克。[4]（2020年数据）

在《综合能耗计算通则》（GB/T 2589-2020）中，原煤的平均低位发热量为约2.09×10^7焦耳/千克。

那么，已探明的煤炭的总能量约为2.2447×10^22焦耳。

可燃冰

可燃冰的情况比较复杂。由于可燃冰主要分布于寒冷地区的地下永久冻土和深海海底的下方，所以对可燃冰储量的调查非常困难，因而数据十分缺乏，在不同的研究中，估计可燃冰中含有的天然气的总量（注意：不是探明储量，是地质总储量）差异极大，从10^15立方米级别到10^18立方米级别都有。[5][6]

按照1×10^16立方米的储量保守估计，如果平均低位发热量仍然取3.5×10^7焦耳/立方米，则全球估计的可燃冰的总能量约为3.5×10^23焦耳。再次强调，与上面的其他资源不同，这不是已探明储量，而是估计的地质总储量。

03地热能

地热可能有很多种来源——地球形成之初，那些聚集成地球的陨石和尘埃的引力势能的释放；太阳和月球的潮汐对地球产生的形变的摩擦加热；以及地球内部的放射性物质的衰变释放的热量。

地球中含有的热能的总量大约是12.6×10^7焦耳，在地壳中有5.4×10^24焦耳，地球内部向外自然散热的总功率大约是4.2×10^13瓦。[] 但就目前人类的技术水平而言，那些地质活动较为剧烈，有大量岩浆/热液来到较浅的地层中的地区的地热才能被利用。尽管地球中含有巨量的热能，但绝大多数都在人类无法触及的地幔和地核中。

图3：最大熵模型计算的地热利用适宜度地图。更深的颜色代表更适宜建造地热电站。

图片来源：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652620319211

04核能

4.1 裂变能

在地球上，最常见的易裂变核素是铀235。但铀235十分稀有，天然铀中只有0.72%是铀235。[8] 不过，另外两种储量更大的核素可以被转化为易裂变核素，它们是铀238（占天然铀的99.27%）和钍232（占天然钍的99.98%）。[9]

钍矿

全球已知的钍矿的估计储量（注意不是探明储量）约为6.212×10^9千克（2019年数据）[10]。这个储量比铀的探明储量要低，但钍在地壳中的含量（13毫克每千克）要比铀（2.5毫克每千克）高许多[11]，所以目前已知的钍矿储量之所以比铀矿少，更有可能是因为钍在工业上应用得很少，所以对其勘探的程度不深。

钍232在吸收一个中子后会变成钍233，随后经过数步衰变变成铀233，铀233可以吸收一个中子然后裂变，放出能量和更多的中子，让这个循环能持续下去[12]。这个过程中，每千克钍232会放出7.94×10^13焦耳的能量[13]。

图1 钍燃料循环

图片来源：

https://energyeducation.ca/encyclopedia/Thorium_fuel_cycle

综上，已发现的钍矿中钍的总能量约为4.93×10^23焦耳。

铀资源

铀有两种较为稳定的同位素：铀235（占0.72%）和铀238（占99.27%）。

其中，铀235的裂变较为容易，吸收一个中子就能直接裂变，每个原子核的裂变放出193.4兆电子伏特的能量，也就是每千克放出7.939×10^13焦耳的能量[14]。

陆地上，铀的探明储量约为1.067×10^10千克（2022年数据）[15]。按0.72%计算，其中有约7.68×10^7千克的铀235。

那么，已探明的铀矿中铀235的总能量约为6.097×10^21焦耳。这个能量和已探明的天然气的总能量差不多。

但是自然界存在的铀元素中绝大部分都是铀238这种同位素，这种同位素也能释放核能，就是稍微麻烦一些——铀238先吸收一个快中子，变成铀239，然后衰变成钚239，钚239再吸收一个中子就会裂变，放出能量和更多的中子，让这个循环能继续。[16] 在这个过程中，每千克铀238会放出约8.06×10^13焦耳的能量。[17]

图2 铀燃料增殖

图片来源：

https://www.nuclear-power.com/glossary/nuclear-breeding/

那么，在考虑铀238燃料增殖的情况下，全球陆地铀矿中已探明的铀的总能量约为8.536×10^23焦耳。

在海洋中，铀主要以三碳酸铀酰离子（[UO2(CO3)]^4+）的形式存在[18]，每升海水中铀的平均含量约为3.3微克[19]。全球海洋的总体积约为1.3324×10^9立方千米[20]。那么，海水中铀的总量约为4.3969×10^12千克。虽然海水中的铀资源很丰富，但由于提取成本较高，所以目前海水采铀并非主流。

那么，在考虑铀238增殖的情况下，海水中铀的总能量约为3.5175×10^26焦耳。

4.2核聚变能

最为容易，反应条件最低的核聚变反应是氘和氚的聚变。

氚不稳定，在自然界中几乎不存在，但可以用中子轰击锂6来获得。

另一种较为容易的聚变是氘-氘聚变，这种聚变比氘-氚聚变要困难一些，但海水中有大量的氘。

但要注意，目前人类并没有有效利用核聚变的能量的技术。

锂6（氘-氚聚变中氚的来源）

全球锂的探明储量约为2.6×10^10千克（2022年数据）[21]。 锂中有4.85%是锂6[22]。那么锂6的探明储量是1.261×10^9千克。

锂6不能直接和氘反应，需要先吸收一个中子变成氚 ：

n+6Li→T+4He (4.8MeV)

然后氚再和氘反应：

D+T→n+4He (17.6MeV)

这两个反应都是放能反应。[23] 整个反应消耗了1个氘原子和1个锂6原子，产生了22.4MeV能量。

锂6的相对原子质量是6.015。那么1千克锂6与氘完全反应后放出3.593×10^14焦耳的能量。

全部已探明可开采的锂6与氘完全反应（地球上氘的总量远多于锂6）总能量为4.53×10^23焦耳。

海水中的锂总量约为224000兆吨=2.24×10^14千克[24]，那么海水中锂6总量约为1.0864×10^13千克。

海水中的锂6与氘完全反应后释放的总能量约为3.903×10^27焦耳。

氘

海水中氘的浓度大约是33克/立方米[25]。海洋的总体积约为1.3324×10^9立方千米。那么，海洋中氘的总量约为4.3969×10^16千克。

氘聚变中有两个反应：

（1）D+D→T+p（4.03MeV）

（2）D+D→3He+n (3.27MeV)

它们的产物T和3He都会和D继续反应：

D+T→4He+n (17.6MeV)

3He+D→4He+p (18.3Mev)。[26] 在完全反应之后，消耗了6个氘原子，产生了43.2MeV能量。

1mol氘原子重2.014克[27]，那么氘完全反应的能量密度约为3.449×10^14焦耳/千克。

综上，海水中氘的总能量约为1.5165×10^31焦耳。

05 小结

作为对比，人类2023年的总能耗功率约为2.091×10^13瓦[28]，发电功率约为3.365×10^12瓦，2023年一年消耗了约6.595×10^20焦耳能量。让我们看看这些能源的总量相当于人类文明2023年的能耗的几倍。

天然气（探明储量）：6.58×10^21焦，相当于2023年人类能耗的9.9倍。

石油（探明储量）：9.888×10^21焦，14.9倍。

煤炭（探明储量）：2.2447×10^22焦，34倍。

可燃冰（估计总储量）：3.5×10^23焦耳，530倍。

钍（已发现矿脉的估计储量）：4.93×10^23焦，747倍。

铀235（陆地，探明储量）：6.097×10^21焦，9.245倍。

铀（陆地，探明储量）：8.536×10^23焦，1294倍。

铀（海洋，总量）：3.5175×10^26焦，533358倍。

地热（地壳，推测总量）：5.4×10^24焦，8188倍。

地热（整个地球，推测总量）：12.6×10^27焦，19105382倍。

锂6（陆地，探明储量）：4.53×10^23焦，686倍。

锂6（海洋，总量）：3.903×10^27焦，6918119倍。

氘（总量）：1.5165×10^31焦，22994692949倍。

作者：康伊可 北京工业大学电子科学与技术专业 本科生

审核：李瑞霞 国家地热中心中石化新星（北京）新能源研究院副院长、研究员

出品：科普中国

参考文献：