地球不可再生能源储备量全解析：数据背后的警示，地球不可再生能源存量大盘点：你知道还剩多少吗？

本文将深入探讨地球自身不可再生能源的存量情况，包括化学能（天然气、石油、煤炭、可燃冰）、地热能、核能（裂变能、核聚变能）等方面，通过详细的数据分析，与人类2023年的能耗进行对比，让读者清晰了解地球能源的现状。

在我们所居住的地球上，存在着多种具有开发潜力的清洁能源，像太阳能、风能、地热能、可燃冰、天然气、核裂变能，还有目前人类尚未找到有效利用方法的核聚变能等。在这篇文章里，我们重点关注那些不可再生的能源，也就是存储在地球自身且储量相对固定的能源的存量。同时，为了能够进行全面的对比，那些所谓“不清洁”的不可再生能源的存量也会被纳入讨论范围。地球自身究竟还留存多少不可再生能源呢？今天，就让我们好好地为地球，也为我们人类自己算上一笔账。那到底什么是地球“自身”的不可再生能源呢？我们这里所说的“不可再生能源”是特指地球本身所储存的能源，像太阳能、风能、潮汐能这些虽然能在地球上获取，但实际上是来自地球之外的能源，并不包含在内。对于来自岩石圈中矿产资源的能源，我们会依据探明储量来展开讨论。一方面，由于深入地下进行勘探的难度极大，当前人类所探明的矿产资源仅仅占据地壳中矿产总量的一小部分，而以现有的技术手段，地壳中某种矿物的具体含量是无法完全知晓的。另一方面，在已探明的矿产资源里，并非都能够凭借现有的技术开采出来。通常情况下，技术可采储量大概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多，并且这些比例会因为具体的地质条件而发生极大的变化。对于源于海水中物质的能源，因为海水是流动的液体，所以对深水中成分的勘测相对容易一些，而且海洋各处的成分差异不大，所以本文会直接按照平均浓度和海洋总体积或者总质量来计算总量。先来看化学能，地球上的化学能主要存储在化石燃料之中，这里面包含天然气、石油、煤炭和可燃冰。严格来讲，生物质也包含化学能，但生物质是可以快速再生的（通过植物光合作用），所以从长远来看，地球上生物质可利用的总能量取决于地球生物圈的物质循环能够维持多久。尽管化石燃料也能缓慢再生（生物质被地质运动埋藏并在地下经历化学变化），但由于其再生速度极其缓慢，所以在人类文明存在的时间范围内，可以将其存量视为稳定不变的。因此，我们只计算化石燃料燃烧所产生的总能量。天然气方面，全球天然气的探明储量在2020年约为188,074,220,000,000立方米。在《综合能耗计算通则》(GB/T 2589 - 2020)里，天然气的平均低位发热量建议取值在3.22 - 3.89×10^7焦耳/立方米之间，我们这里取中间值3.5×10^7焦耳/立方米。这样算来，已探明的天然气的总能量约为6.58×10^21焦耳。石油方面，全球石油的探明储量在2020年约为236,294,750,000吨，也就是2.36×10^14千克。原油的平均低位发热量依旧参照GB/T 2589 - 2020，取值为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。煤炭方面，全球煤炭的探明储量在2020年约为1,074,108,000,000吨，即1.074×10^15千克。在《综合能耗计算通则》(GB/T 2589 - 2020)中，原煤的平均低位发热量约为2.09×10^7焦耳/千克。所以，已探明的煤炭的总能量约为2.2447×10^22焦耳。可燃冰方面，可燃冰的情况比较复杂。因为可燃冰主要分布在寒冷地区的地下永久冻土和深海海底下方，所以对其储量的调查难度非常大，导致数据十分缺乏。在不同的研究中，对可燃冰中含有的天然气总量（注意：不是探明储量，是地质总储量）的估计差异极大，从10^15立方米级别到10^18立方米级别都有。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，那么全球估计的可燃冰的总能量约为3.5×10^23焦耳。再次强调，这与上面其他资源不同，不是已探明储量，而是估计的地质总储量。再看地热能，地热的来源可能多种多样——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；以及地球内部放射性物质的衰变释放的热量。地球中含有的热能总量大约是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。但是就目前人类的技术水平而言，只有那些地质活动较为剧烈、有大量岩浆/热液来到较浅地层中的地区的地热才能够被利用。尽管地球含有巨大的热能，但绝大多数都位于人类无法触及的地幔和地核之中。接着看核能。首先是裂变能，在地球上，最常见的易裂变核素是铀235，但铀235非常稀有，在天然铀中仅占0.72%。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%）。钍矿方面，全球已知的钍矿估计储量（注意不是探明储量）在2019年约为6.212×10^9千克。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）比铀（2.5毫克每千克）高很多，所以目前已知的钍矿储量比铀矿少，更有可能是因为钍在工业上应用较少，所以勘探程度不深。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，使这个循环能够持续下去。在这个过程中，每千克钍232会放出7.94×10^13焦耳的能量。所以，已发现的钍矿中钍的总能量约为4.93×10^23焦耳。铀资源方面，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。在陆地上，铀的探明储量在2022年约为1.067×10^10千克。按0.72%计算，其中约有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相近。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，这种同位素释放核能的过程稍微复杂一些——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，让这个循环继续。在这个过程中，每千克铀238会放出约8.06×10^13焦耳的能量。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，每升海水中铀的平均含量约为3.3微克。全球海洋的总体积约为1.3324×10^9立方千米。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丰富，但由于提取成本较高，目前海水采铀并非主流。所以，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。然后是核聚变能，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 - 氚聚变困难一些，但海水中有大量的氘。不过要注意，目前人类还没有有效利用核聚变能量的技术。锂6（氘 - 氚聚变中氚的来源）方面，全球锂的探明储量在2022年约为2.6×10^10千克。锂中有4.85%是锂6，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。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，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。氘方面，海水中氘的浓度大约是33克/立方米。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)。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，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。作为对比，人类2023年的总能耗功率约为2.091×10^13瓦，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。

本文全面地对地球自身不可再生能源的存量进行了分析，包括多种能源的储量计算、能量计算以及与人类当前能耗的对比。通过这些数据的呈现，让我们对地球不可再生能源的现状有了更清晰的认识，也提醒着人类在能源利用和发展上需要更加谨慎地规划和探索可再生能源的开发。