目前地熱能在世界能源供應中所占份額很小(與風能一起共占0.045%),其優點是在有可能開發的地方成本比較低廉,其電力成本約為燃煤發電站的一半,或核電成本的1/4,所排出的CO2也很少。其主要限製在於資源過於稀少,可供開發的地點不多。而且就地熱蒸汽與熱水而言,其更新速度緩慢,一旦開采速度過大,就會麵臨耗竭的前景。此外,地熱資源也隻是相對地“幹淨”,地熱蒸汽與熱水中通常含有硫化氫、氨氣、放射性物質(例如氧)、可溶性鹽類乃至有毒物質等。因此,在開發過程中同樣需要注意環境保護問題。
7.核能這是來自岩石圈的新能源,19世紀末元素放射性的發現和20世紀初相對論的提出,為核能的利用奠定了理論基礎。原子核能的釋放可以通過兩條途徑:一是某種元素裂變為原子量較小的其他元素,一是兩個輕元素的原子核聚變為一個較重元素。無論是哪一條途徑,都伴隨著巨額能量的釋放,同時質量有所減少,所減少的質量△m即轉化為釋放的能量△E,這就是愛因斯坦著名的公式:△E=(△m)C2,式中C為光速。
現在已投入生產的是核裂變,所用的物質為U-235,每個U-235原子裂變時釋放200MeV能量,合3.2×10-11焦。1克鈾元素有2.56×1021個原子,裂變時釋放出的能量相當於2.7噸煤。不過天然鈾礦中U-235的含量隻占0.71%(即每140個U-238原子中才有1個U-235原子),因此1克鈾礦產生的能量約等於19千克煤。
地殼中鈾礦的儲量不多,1976年世界能源會議和1977年美國的核能政策研究小組所提供的數字分別為490萬噸和487.6萬噸(價格為每千克U3O8不高於約70美元)兩個數字非常接近。
迄至1990年,在第一個核電站投產43年以後,全世界27個國家和地區共有428個核電站。1989年全世界的核電占電力供應的19%,但其所提供的能量(6783拍焦)隻占世界能耗(310972拍焦)的2.18%。而這些核電站每年消耗的鈾為1萬噸(維持量)至4萬噸(充分運行),也就是說,如果核發電量維持現有的水平,則世界鈾礦儲量將於120—490年內耗竭。因此,鈾礦作為一種能源的使用周期也是不長的。
近幾年來世界核電的發展已呈下降趨勢,主要原因是因為基建費用超支、核廢料處置問題和不斷發生的安全事故,這類事故以1986年發生在蘇聯的契爾諾貝利核電站最為嚴重。然而遠在此以前,核電站建設的速度就已放慢。美國自1975年以來就沒有再接到核電站的訂單,而且前此的108個訂單亦被撤銷。原聯邦德國的能源供應中有10%來自核電,但是從1975年以來僅有一個核電站的訂貨,而且以前所訂的八個機組亦遲遲未能動工,主要原因是來自政治上的反對。這種發展趨勢使美國的核電生產在20世紀90年代有所下降。而且,由於核電站的預期壽命一般為30~40年,如果不興建新的核電站,則全世界的核發電能力也將逐漸減少。
目前利用U-235發電的技術對鈾的利用率很低,其實U-238如果受到核裂變時放出的高能中子攻擊,就會變成同樣能裂變的U-233,理論上使鈾的利用率增加140倍。同樣原理也能使儲量更為豐富的鈈(Pu)變成能裂變的Pu-239。按這種原理建造的反應堆稱為快速增殖反應堆。此外,原子能利用的另一途徑是核聚變,例如氫的同位素氘和氘的聚變以及氘和氘的聚變,以及另一種輕元素鋰和氘的聚變,目前都在積極研究之中,這種核聚變是一種較為“幹淨”的能源。但有關科學家估計,核聚變從實驗室走向實用還需要較長的時間才能實現。應該指出的是,無論是快速增殖反應堆還是核聚變均需消耗很高的能量,這又有賴於現有核裂變材料的儲存。如果缺了這把“鑰匙”,則理論上的巨大核聚變能量也將難以取得。
8.岩石圈以外的其他能源包括風能、海洋的潮汐能和波浪能以及太陽能等,目前在世界能源供應中所占比例雖小,但從長遠看,可能是未來人類取之不竭的永久性能源。以太陽能為例,現在全球每年經生物圈轉化的太陽能即為世界能耗的十幾倍。而且,到達大氣層頂部的太陽能更是地麵的35000倍。如果能實現在那裏對太陽能的接收、轉化和傳輸,則人類利用的能量就幾乎是無限的。
上麵概述了世界能源概況,其中石油、天然氣、油砂與油頁岩、煤和核燃料均來自岩石圈,其他幾類則來自岩石圈以外,包括水力、風能、海洋潮汐能和波浪能,以及太陽能等。從能源的過去、現在和對其未來的預測,為了現代文明的持續發展,下述兩點是毋庸置疑的:
第一,人類必須把能源消費從非再生能源轉化為再生能源。岩石圈內儲存著巨大的能量,但是這些在億萬年地質時期內積聚起來的能源是不可再生的。另一方麵,人類對能源的消費卻持續地呈指數增長,這不僅是由於世界人口的增長,而且是由於人均能源消費量越來越大。因此,岩石圈中這些非再生能源終將不能滿足人類不斷增長的需求。更為嚴重的是這幾種傳統能源的耗竭時間將分別為今後幾十年至幾百年。
第二,能源浪費現象十分嚴重,工業化發達國家尤其如此。美國是世界上最大的能源消費者和浪費者,據統計,美國1989年能量消費占全世界的24.6%,但其所消費的能量中隻有9%屬於有效利用,另有7%轉化為石油化工產品,41%屬於因熱力學第二定律(能量從一種形式轉化成另一種形式時必然造成能量質量降低或數量減少)造成不可避免的損失,其餘43%則純屬不必要的浪費。因此,人類必須學會提高能量使用的效率,以便使用較少的能量來維持較高的生活水準。
上述兩點有一個共同的要求:必須盡快實現而不能延誤,因為要實現從傳統能源向新能源的轉變本身也要消耗大量能量,許多新技術與新設備(如核聚變與太陽能發電等)都要耗費巨大能量方能實現,現存的能源儲量應該用以實現這種轉變。因此,未來的幾十年在能源利用上可能會決定人類文明的整個進程。
三、礦物資源
人類所利用的物料大多直接或間接地來自岩石圈,人類文明史也可看作一部礦物資源利用的曆史。隨著文明的進步,人類所利用礦物資源的種類與數量都不斷增加:遠古的人類隻會利用石頭作為工具,經曆了漫長的石器時代;大約公元前6000年人類首次學會從礦石中提煉金屬,從銅開始,進入青銅時代;到了公元前1600年又學會了提煉更堅硬的鐵,進入鐵器時代;又過了3000多年,到了公元1709年英國人達比(AbrahamDarby)發明了用焦炭作燃料熔煉鐵,進入了近代的鋼鐵時代,鋼鐵成為當代一切工業的基礎。
人類利用礦物資源的數量也與日俱增:原始人一生可能隻需幾公斤至幾十公斤石頭打製石器;農業社會的農民一生也隻需幾公斤的鐵和銅製造簡單的農具,現在許多發展中國家的農民仍然利用著極簡單的農具;但工業化社會對礦物資源的消費卻大得多,70年代一個美國公民每年要消費鋼鐵9.4噸、有色金屬約6噸(其中鉛7.25公斤,主要用於汽油添加劑,現已減少)、砂和礫石3.55噸、水泥227公斤、粘土91公斤、鹽91公斤,總計各種物料約20噸。