为全世界供电需要多少燃料才能满足？

【博科园-科学科普】在过去的几个世纪里世界上绝大多数人的生活质量急剧提升。广泛的可用性和电力分配带来的便利使我们进入了工业时代，然后是信息时代。每天数以亿计的人都能通过使用能源来进行互联网、照明、快速交通、电话和其他无数的技术和便利。

人造光与地球人口的浓度有很大的重叠，显示出光污染的位置，但也显示了我们的能源使用范围。

然而在它的核心是我们获取和使用的能量仅仅来自于某种潜在能量的转换。虽然有可再生能源，如水力发电、风能和太阳能，但我们的大部分能源都是靠燃烧燃料来实现的。有许多不同的来源可供选择：一些实用的，一些可能的，一些只是理论上的——说明世界实际需要多少？

基于英国石油公司2015年世界能源统计回顾，世界能源消耗。图片：Gail Tverberg / Our Finite World

根据美国能源情报署(Energy Information Administration)的数据，世界上所有能源的能源消耗总量都是惊人的：截至2014年的为155481千瓦时。不同的燃料来源有不同的效率转化为电力和长期短程运输，因此家庭、工业和企业消耗的能源总量少一点:只有大约70%。但是世界需要的能量产生-5.60×10^20焦耳，非常难以理解。所以让我们以不同的方式来分解它，看看提供这么多能量需要多少燃料。

德国达特恩(德国)的燃煤电厂。煤炭发电是世界上最脏的能源生产之一。图片：Arnold Paul / Gralo from Wikimedia Commons

煤作为热源，煤是一种碳并由于它的致密性可以在氧气的存在中燃烧，以释放能量。这是所有化石燃料或任何以碳为基础的燃料在地球上工作的方式，在我们的大气中氧气含量丰富。每千克的煤燃烧,总共2.312×10^7焦耳的能量得到释放，这意味着我们需要燃烧240亿吨煤炭以满足地球的能源需求。事实上煤炭占了我们目前全球能源生产的三分之一，这意味着每年有80亿吨高污染的煤炭燃烧。

KEPCO Tanagawa No2石油发电厂是世界上许多石油燃烧的发电厂之一。然而大部分使用的石油是移动的，而不是固定的，如这里所示。图片版权：Kyoyaku / Wikimedia Commons

石油：包括柴油、汽油、重油和液化石油等。虽然煤是18世纪和19世纪的主要燃料，但随着汽车和飞机的出现，石油在20世纪开始崭露头角。与煤炭一样石油依赖于燃烧，与煤炭不同，石油会为同样的燃料消耗更多的能量。每公斤的油(汽油)的形式被燃烧,总共4.64×10^7焦耳的能量是被解放,这意味着120亿吨石油需要电力地球在某一年。自从石油在19世纪50年代首次被广泛使用以来，估计我们已经燃烧了100到1350亿吨石油，每年以目前的速度燃烧了40亿吨。

由芬兰船务公司维京行Abp公司拥有并经营的cruiseferry的液化天然气罐。液化天然气罐位于后甲板上的户外。维京格雷斯是世界上第一个使用液化天然气(LNG)作为燃料的大型客船。图片版权：Markus Rantala (Makele-90) / Wikimedia Commons

天然气：你可能听说过，用液化天然气取代其他化石燃料，是近年来环境污染减少的最大原因。这是真的;液化天然气目前占世界能源需求的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种都少。每公斤的液化天然气进行燃烧,5.36×10^7焦耳的能量可以获得,这意味着它将仅104亿吨天然气电力世界。尽管如此这些仍然是巨大的数字，而且通过在煤或石油上选择天然气来获得一项重要的污染物，二氧化碳并没有减少。为了实现这一目标我们需要摒弃碳基化石燃料。

反应堆核实验ra6(共和党阿根廷6)en marcha。只要有核燃料加上控制杆和内部适当的水，能源就能产生的能量只有传统的、化石燃料反应堆的1 / 10万。图片：Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío

核能：与其使用碳基燃料，不如去看看地球上存在的重可裂变的元素：铀或钍等元素。铀反应堆利用u - 235,第二常见的同位素铀,慢慢地的中子,它吸收和分裂成较轻的元素，释放更多的中子,使核反应堆引发连锁反应。成功地控制反应的速率,使能源生产的速度进行调优。尽管u - 235丰富远低于煤炭、石油、或气体,并要求重炼油生产reactor-grade燃料、核能是更高效，释放8.06×10^13焦耳的能量每千克铀反应堆。为了给世界提供动力每年只需要7000吨的铀燃料。目前核能只提供了世界能源的百分之几，目前有444个反应堆运行，另外62个正在建设中。

一种基于磁约束等离子体的聚变装置。热核聚变在科学上是有效的，但还没有达到达到“收支平衡”的地步。图片版权：PPPL management, Princeton University, the Department of Energy, from the FIRE project

核聚变：我们目前还没有把这项技术作为地球上可行的能源，但是核聚变是能源世界的圣杯。充足的轻的元素(像氢和它的同位素)可以被融合成更重的元素，在这个过程中释放出大量的能量。这是能量转换的过程，在太阳的作用下较重的元素实际上比制造它们的较轻的元素的质量要小，通过爱因斯坦的E = MC^2释放能量是核能的来源。更效率比核裂变,核聚变将解放6.46×10^14焦耳的能量每千克氢燃料，这意味着它将仅867吨氢的发电就能满足世界使用。氢能源丰富，无大气污染以及放射性产品的可控性质，使其成为未来最有前途的能源。

反物质，如反氢，可以被储存并与物质发生碰撞，在每个粒子的基础上以最受控制的方式产生纯能量。图片版权：National Science Foundation

反物质：为什么不梦想最终的能量来源:反物质!如果核裂变和聚变反应都能以能量的形式释放出大量的粒子质量，为什么不能简单地将其转化为能量呢?？当将一个反物质粒子与物质粒子碰撞时，就会得到这样的结果：一个完美的反物质和物质转化为能量释放的每公斤8.99×10^16焦耳的能量物质/反物质，这意味着你只需要3.1吨反物质(和另一个3.1吨)，就够整个世界用一年。在日常生活中这将是8.5公斤的反物质，糟糕的是即使是最大的反物质——粒子加速器的生产设施每年只能产生大约一微克的反物质。

图为英国石油公司(BP)2016年的数据，全球能源消耗的来源多种多样。图片：Martinburo / Wikimedia Commons

在地球上我们目前每年燃烧超过100亿吨的化石燃料，通过这些方法为我们提供了80%的能源需求。不幸的是空气和水污染以及巨大的大气变化都源于此。可再生能源是一种潜力(尽管可能只是部分的)解决方案，但核能如果能安全实现的话——仅靠现有的技术可以解决我们今天的化石燃料问题。由于目前的燃料量足以驱动世界，什么都不做的代价不仅太高，而且将会被人类代代相传。