為全世界供電需要多少燃料才能滿足？

【博科園-科學科普】在過去的幾個世紀里世界上絕大多數人的生活質量急劇提升。廣泛的可用性和電力分配帶來的便利使我們進入了工業時代，然後是信息時代。每天數以億計的人都能通過使用能源來進行互聯網、照明、快速交通、電話和其他無數的技術和便利。

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人造光與地球人口的濃度有很大的重疊，顯示出光污染的位置，但也顯示了我們的能源使用範圍。

然而在它的核心是我們獲取和使用的能量僅僅來自於某種潛在能量的轉換。雖然有可再生能源，如水力發電、風能和太陽能，但我們的大部分能源都是靠燃燒燃料來實現的。有許多不同的來源可供選擇：一些實用的，一些可能的，一些只是理論上的——說明世界實際需要多少？

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基於英國石油公司2015年世界能源統計回顧，世界能源消耗。圖片：Gail Tverberg / Our Finite World

根據美國能源情報署(Energy Information Administration)的數據，世界上所有能源的能源消耗總量都是驚人的：截至2014年的為155481千瓦時。不同的燃料來源有不同的效率轉化為電力和長期短程運輸，因此家庭、工業和企業消耗的能源總量少一點:只有大約70%。但是世界需要的能量產生-5.60×10^20焦耳，非常難以理解。所以讓我們以不同的方式來分解它，看看提供這麼多能量需要多少燃料。

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德國達特恩(德國)的燃煤電廠。煤炭發電是世界上最髒的能源生產之一。圖片：Arnold Paul / Gralo from Wikimedia Commons

煤作為熱源，煤是一種碳並由於它的緻密性可以在氧氣的存在中燃燒，以釋放能量。這是所有化石燃料或任何以碳為基礎的燃料在地球上工作的方式，在我們的大氣中氧氣含量豐富。每千克的煤燃燒,總共2.312×10^7焦耳的能量得到釋放，這意味著我們需要燃燒240億噸煤炭以滿足地球的能源需求。事實上煤炭佔了我們目前全球能源生產的三分之一，這意味著每年有80億噸高污染的煤炭燃燒。

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KEPCO Tanagawa No2石油發電廠是世界上許多石油燃燒的發電廠之一。然而大部分使用的石油是移動的，而不是固定的，如這裡所示。圖片版權：Kyoyaku / Wikimedia Commons

石油：包括柴油、汽油、重油和液化石油等。雖然煤是18世紀和19世紀的主要燃料，但隨著汽車和飛機的出現，石油在20世紀開始嶄露頭角。與煤炭一樣石油依賴於燃燒，與煤炭不同，石油會為同樣的燃料消耗更多的能量。每公斤的油(汽油)的形式被燃燒,總共4.64×10^7焦耳的能量是被解放,這意味著120億噸石油需要電力地球在某一年。自從石油在19世紀50年代首次被廣泛使用以來，估計我們已經燃燒了100到1350億噸石油，每年以目前的速度燃燒了40億噸。

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由芬蘭船務公司維京行Abp公司擁有並經營的cruiseferry的液化天然氣罐。液化天然氣罐位於後甲板上的戶外。維京格雷斯是世界上第一個使用液化天然氣(LNG)作為燃料的大型客船。圖片版權：Markus Rantala (Makele-90) / Wikimedia Commons

天然氣：你可能聽說過，用液化天然氣取代其他化石燃料，是近年來環境污染減少的最大原因。這是真的;液化天然氣目前佔世界能源需求的20%以上，比煤和石油都更省油，而且它的毒性污染物也比任何一種都少。每公斤的液化天然氣進行燃燒,5.36×10^7焦耳的能量可以獲得,這意味著它將僅104億噸天然氣電力世界。儘管如此這些仍然是巨大的數字，而且通過在煤或石油上選擇天然氣來獲得一項重要的污染物，二氧化碳並沒有減少。為了實現這一目標我們需要摒棄碳基化石燃料。

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反應堆核實驗ra6(共和黨阿根廷6)en marcha。只要有核燃料加上控制桿和內部適當的水，能源就能產生的能量只有傳統的、化石燃料反應堆的1 / 10萬。圖片：Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío

核能：與其使用碳基燃料，不如去看看地球上存在的重可裂變的元素：鈾或釷等元素。鈾反應堆利用u - 235,第二常見的同位素鈾,慢慢地的中子,它吸收和分裂成較輕的元素，釋放更多的中子,使核反應堆引發連鎖反應。成功地控制反應的速率,使能源生產的速度進行調優。儘管u - 235豐富遠低於煤炭、石油、或氣體,並要求重煉油生產reactor-grade燃料、核能是更高效，釋放8.06×10^13焦耳的能量每千克鈾反應堆。為了給世界提供動力每年只需要7000噸的鈾燃料。目前核能只提供了世界能源的百分之幾，目前有444個反應堆運行，另外62個正在建設中。

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一種基於磁約束等離子體的聚變裝置。熱核聚變在科學上是有效的，但還沒有達到達到「收支平衡」的地步。圖片版權：PPPL management, Princeton University, the Department of Energy, from the FIRE project

核聚變：我們目前還沒有把這項技術作為地球上可行的能源，但是核聚變是能源世界的聖杯。充足的輕的元素(像氫和它的同位素)可以被融合成更重的元素，在這個過程中釋放出大量的能量。這是能量轉換的過程，在太陽的作用下較重的元素實際上比製造它們的較輕的元素的質量要小，通過愛因斯坦的E = MC^2釋放能量是核能的來源。更效率比核裂變,核聚變將解放6.46×10^14焦耳的能量每千克氫燃料，這意味著它將僅867噸氫的發電就能滿足世界使用。氫能源豐富，無大氣污染以及放射性產品的可控性質，使其成為未來最有前途的能源。

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反物質，如反氫，可以被儲存並與物質發生碰撞，在每個粒子的基礎上以最受控制的方式產生純能量。圖片版權：National Science Foundation

反物質：為什麼不夢想最終的能量來源:反物質!如果核裂變和聚變反應都能以能量的形式釋放出大量的粒子質量，為什麼不能簡單地將其轉化為能量呢?？當將一個反物質粒子與物質粒子碰撞時，就會得到這樣的結果：一個完美的反物質和物質轉化為能量釋放的每公斤8.99×10^16焦耳的能量物質/反物質，這意味著你只需要3.1噸反物質(和另一個3.1噸)，就夠整個世界用一年。在日常生活中這將是8.5公斤的反物質，糟糕的是即使是最大的反物質——粒子加速器的生產設施每年只能產生大約一微克的反物質。

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圖為英國石油公司(BP)2016年的數據，全球能源消耗的來源多種多樣。圖片：Martinburo / Wikimedia Commons

在地球上我們目前每年燃燒超過100億噸的化石燃料，通過這些方法為我們提供了80%的能源需求。不幸的是空氣和水污染以及巨大的大氣變化都源於此。可再生能源是一種潛力(儘管可能只是部分的)解決方案，但核能如果能安全實現的話——僅靠現有的技術可以解決我們今天的化石燃料問題。由於目前的燃料量足以驅動世界，什麼都不做的代價不僅太高，而且將會被人類代代相傳。

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

來自：Forbes science

編譯：卿君側

審校：博科園

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