未来的能源要求能以热和电两种形式满足消费者。全世界一半以上的电力由矿物燃料的热能转化而获得（图1），其平均转化效率为35%，产生1千瓦时电能约需3千瓦时的热能。一特定量的非矿物燃料（如水力、核能）所发电力的初级当量相当于在矿物燃料电厂发出这些电平均所需的热能。一国的初级能消耗等于所消耗的矿物燃料热能加上消耗的非矿物燃料电力的初级当量。

1988年，发电总量占全世界初级能消耗的32%，此值各国不同（表1），但所有国家均在增加。如果所有的热能均转化为电能，西欧和日本人均的发电总量为13000千瓦时；挪威、瑞典和加拿大已超过这一水平。

世界能源消耗的长期计划是极端冒险的。我们只能肯定两件事；发展中国家的工业化将造成能源消耗的迅速增长，电力需求的增长将比初级能源的需求增加更为迅速。

我们假设，下一世纪初级能源的消耗将从80亿吨油当量增加到160亿吨油当量。如果世界人口在相同时间里从50亿增加到100亿，平均每人的能量消耗将不变。进一步假设，发电总量的初级当量将是100亿油吨当量，热能转化为电力的效率将增加到50%。2090年发电总量为60，000兆兆瓦时电力（Twhe）相当于平均动力为6，600千兆瓦电力（Gwe），几乎是1988年10，500兆兆瓦时和1，200千兆瓦电的5倍，这一增长可能吗？初看这没有问题，在1957—1988年间世界发电量增加了6倍，年增长6%，100年中增长6倍意味平均每年增长2%稍多，但这没有顾及资源的局限，因此考虑能源是必须的。

矿物燃料技术和经济两方面均允许而可获得的石油储藏量估计为1，200亿吨，天然气1，000亿油吨当量。随着提炼技术的改进和资源的发现，石油储藏量可达4，500亿吨，甚或为7，000亿吨。然而即使是后一种可能，到21世纪末石油和天然气的产量每年不可能超过50亿油吨当量。

可获得的煤储藏量为7，000亿吨，（5，000亿油吨当量），2千米地下的煤储藏超过10万亿吨，可采资源可上升到此量的一半。最高产量依据储藏量，如图1所示。根据2.5%的增长速度，推断出图1的曲线。如果储藏量维持在7，000亿吨到2040年产量可达峰值80亿吨，如果储藏量增加到3万亿吨，在2100年产量达到最高值200亿吨。

当今最有效的发电厂热能转化为电能的效率为42%，到21世纪中叶因技术得到改进可能提高到50%，以后也许可达到60%，每年200亿吨煤可发电9，000千兆瓦，在耗尽资源前这会维持一个短时期，然后会下降。另一方面，如图1所示在2090年煤的产量将低到每年30亿吨，这将限制以煤为燃料的发电厂发电量在1400千兆瓦的水准。

CO₂的问题煤（CH_0.8），液态的碳氢化合物（CH₂）和天然气（CH₄）所含碳和大气中的氧结合形成CO₂，氢和氧结合产生水时其热能被释放出来。目前全球每年从矿物燃料释放的CO₂达200亿吨（含有55亿吨的碳）。热带雨林的消亡估计每年增加70亿吨碳，如果两者逸散的碳停留在空气中，大气中的CO₂浓度每年会增加3.5 ppmv，从1975年以来每年增加1.5 ppmv。表2表明估计每年排放至大气中的CO₂量。

大气中的CO₂浓度自I860年的288 ppmv增加到1959年的316 ppmv，1988年为351 ppmv；气候模型指出，工业化前的CO₂浓度加倍会导致全球表面温度上升1.5—4.5°C，大气中氮氧化物（No_x），甲烷和氯氟碳的浓度增加会使CO₂的温室效应加剧。

由于温室效应气体造成全球变暖，到21世纪末会使海平面上升2米。斯米尔估计海平面上升4米，美国会损失1000亿美元。在尼罗河和刚果河三角洲地区，如海平面上升3米会损失该地区财产的1/4。

如果进一步的研究肯定目前的预测，有三方面可着手进行的：（1）接受气候的变化不可避免采取相应措施，如建造沿岸的护岸工程，采用合适的农业来应付变化的温度和降雨。（2）用技术的方法来减少大气中的CO₂浓度。(3）促进非矿物燃料能源的发展和部署。

有人建议，阻止森林消亡（目前每年消亡1千万公顷）能缓和CO₂逸散的温室效应。但十分怀疑这是否行得通。

技术方法考虑用技术措施来缓和CO_2·的逸散，提出四种技术工艺：

（1）回收发电厂放出的CO₂，经液化后作海洋处理。从烟道气体中分离出CO₂（浓度为13%），把它降到31℃以下在78个大气压力下液化，然后通过管道泵到海洋水面下3，000米处，在那里形成CO₂库。

此过程估计耗能每吨CO₂为200千瓦时电，会用掉燃煤发电厂发电量的18%；燃油发电厂的15%，和天然气发电厂的11%，安装的价值相当于发电厂的价值，电的价格会增加75%，如果此技术用于目前所有的发电厂，全球因矿物燃料燃烧排放到大气中的CO₂将减少30%。

CO₂在大气和水体中的均衡浓度将并不因为是否CO₂排放至大气或注入水体而受影响。气候模型指出累加排放的CO₂至少75%最终会被水体吸收，但需要4000年。通过海洋处理排放CO₂将降低大气中CO₂浓度的峰值。此峰值在200年内当矿物燃料时代结束时达到。

（2）从大气中提出CO₂，然后按液化和海洋处理的方法进行，从大气中除去CO₂的过程比起从烟囱气体中除去CO₂要费能源得多，每提取1吨CO₂吸收电能900千瓦时，液化之吸收100千瓦时电能，这些能必须来自非矿物燃料的能，需要1600千兆瓦电力的非矿物燃料能。

（3）从大气中提取CO₂和电解的氯一起经催化反应形成合成的液态碳氢化合物，可用作燃料。这是一种高能强度的重新循环过程，和光合作用相似，电能量（必须来自非矿物燃料）将高于产品热量的50多，单能源消耗一项每桶液态碳氢化合物将达120美元，总代价十分昂贵。

（4）无CO₂排放的矿物燃料的应用，可从碳氢化合物中提取氢来燃烧，碳在可回收的贮藏容器中处理掉。

从碳氢化合物中分离氢是两步的过程，消耗能可忽略，但氢只能提供天然气原科能的56%，石油的37%，和煤的从煤中分离出氢作燃料发电需要的煤相当于燃煤电厂的4倍。发电的价格和上述第一项相同。

由此结论：这四种技术是行不通的，现在来看发展非矿物燃料。

生物能生物能包括作物，杂草和树木，但树木是最大的资源，24亿公顷的郁闭森林总的蓄积量接近3，000亿立方米H. W. 温特豪斯特（H. W. Windhorst）估计从郁闭林中每年生产干木材量为54亿吨或近似90亿立方米。实际上因病虫害危害、火灾、风暴而有损失。1986年原木生产量32亿立方米，其中半数用作薪材，薪材能源近于4亿油吨当量。薪材生产量可能缓慢增长而持续几十年，但如果森林消亡继续发生的话，其下降是必然的。用糖和玉米转化为用作燃料的乙醇可满足因前世界对初级能源需求的10%，但将用去粮食和饲料作物的1/4。

水电全世界河流的流量是3.9千万立方米/年。平均陆地高度为740米，河流消散的动力约为9兆兆瓦。造闸修水库可发电1350千兆瓦时。可开发的河流消散动力的潜力为15%，比任何其它可更新的能源均高。如果通过收集雨水发电，1万平方米的集水面积，相对高为100米则平均每座设施（2000毫米降水和100%的效率）产生动力为0.6千瓦。

水电的优点是水库可在需要的时候发电，因此对于变化的能源'如风和太阳能是一个理想的后备能源#缺点是完全开发其潜在能需占用世界陆地面积的10%。

太阳能到达地球表面的太阳能为80，000兆兆瓦，即160瓦/米³在热带干旱地区日光超过250瓦/米³理论上太阳能转化为电能的最高效率为53%，认为可达到22%，光电池的理论极值为90%，实际可达20%。

如果太阳能发电厂必须24小时供电而无后备电力供给，则必须有能的贮备和转化系统。氢为干旱地区太阳能电厂唯一可行的贮存系统（超导贮存在长期是可行的，但过于昂贵）。理论上电转化为氢能（电解的）效率为83%，已达到74%。在燃料电池中氢转化为电力的效率为94%，已达到72%。但是在发电厂所用的动力密度过低，假设能克服这一点，贮存和转化的效率接近50%。

在热带干旱地区太阳能电厂，设计提供平均需要100兆瓦电力（Mwe）而无后备源，24小时的需求变化如图2所示，B区所需能由贮存提供，以50%的效率计A区发电应该是B区的2倍。需要的峰值电力为400兆瓦，和发电200兆瓦的矿物燃料，核能或水电厂能提供相同电力并有余地。400兆瓦时的太阳能电厂连有贮存和转换设施其价值要比200兆瓦时的水力和核电厂高得多。因此可结论，太阳能动力只是在有其它动力作补充时才行得通，水电是唯一有此功能的能源，太阳能大致能提供需求的一半，剩下的由水电补足。因此，矿物燃料时代过后可开发的太阳能大约等于热带的水力潜能700千兆瓦电力。

在美国，太阳能电厂的后备能由矿物燃料提供，联邦法规规定其矿物燃料限制在15%。

要24小时供给太阳能电力而不需要贮备能源的话只有用地球轨道同步卫星上的太阳能发电厂（赤道上空35800公里）才能做到。卫星上用光电池发的电能被转化为微波射线到达地面用天线接收然后重新转化为电。1977年作出的可行性研究结论，59个5千兆瓦卫星每个造价为9600亿美元。

风力在沿海和滨外地带风力最大，典型的能密度在海平面上20米高处为2400千瓦时/米²· 年，高100米则加倍。理论上由风力转化为电力的最高效率为69%，实际上在衡定的风速条件下限制在40%，自然的风速范围则为25%。中心高为100米的转翼在海岸边能产生约1300千瓦时电/年。米²（转翼旋转面积），相当于平均0.15千瓦电/米²的动力，全世界范围的潜在实际风能很难估计，需要用其它能源作后备或需贮藏的能。D. O. 霍尔等估计300千兆瓦电力的平均动力是可能的。获得这些动力，需要400，000座中心高100米风扇直径80米的风力涡轮机。

浪能浪能是越过海表面的风力、全世界海岸消散浪能3兆兆瓦，浪传布方向前垂直于浪的平均动力为40千瓦/米。

从浪能发电面临着在恶劣的和受腐蚀的环境下安装设备的问题，其前景未必乐观。技术上可行的潜在浪能大约为开发风力动力的10%，即30千兆瓦电力。

潮汐能全球潮汐能消散率为3.5兆兆瓦，其中5/6是由于月球引力的变化所致，1/6为太阳所造成。潮汐能的利用只是在海湾和江湾处，潮汐达5米或更高才可行，在所有可建潮汐发电厂的地方约有100处，可提供30千兆瓦的电力。

地热能从地球内部流向表面的热流量率为32兆兆瓦平均表面的流量为0.063瓦/米作为能量利用则过于分散。地热能只是在那些钻到3公里深处能获得天然蒸汽或热水的地方才能利用。全部可获得的天然蒸汽转化为电力的量约是60千兆瓦。

不能取得天然蒸汽的地方可钻两眼深井达到适合的深度，把水泵进一个井中从另一井中抽取蒸汽，称此为“干热岩石技术”，它的可行性未被证实。即使这是可行的，必然在那些热递度高于平均值的地方。在平均20°C/公里的梯度处必须钻到11公里深处来获取300°C的蒸汽，然而以30%的效率转化为电力。

海洋热能转换（OTEC）OTEC技术是利用热带海滨外地带的深水和表面水之间22°C—24°C的温差用涡轮机来发电。OTEC技术理论上的最高转换效率为7%，实际限制在3%，技术上可行的潜能估计在350千兆瓦电力，但是否经济值得怀疑。

渗透能在水流到高盐浓度的水中产生渗透能，在海水的渗透压是25个大气压，淡水流入海水中的消散为25米³- 大气压/米³，是0.7千瓦时/米³，相当于理论上从海水中萃取淡水需要的最低能。河流的年流量为39，000米³，渗透能消散率为3兆兆瓦，用于水蒸发和降水循环的太阳能为40，000兆兆瓦。

河流流入海洋的渗透能是那样的分散以致其利用是不可能的。在那些河流流入高盐咸湖的地方也许是可能的，如约旦河流入死海只产生0.1千兆瓦的电力，

核裂变铀235，钚239和铀233厚子在中子碰击时发生裂变释放热能，每公斤裂变材料释放热能2000油吨当量，热反应堆每公斤天然的铀产生12油吨当量的热能，这时因为天然的铀只含有0.7%的铀235。其热能转化为电能的效率为32%。

西方国家经济上允许开采的铀储藏为6百万吨，全世界可能为8百万吨，每年的最高产量不可能超过15万吨，一个热反应堆每年消耗200吨天然铀，动力产量为750千兆瓦电力。

快速反应堆每公斤天然铀能产生热反应堆60倍的热能。铀238转化为裂变的同位素钚238。快速反应堆较低消耗天然铀使得从低品位矿提取铀成为经济的，因此可增加资源到2千万吨或更多，足够产生10，000千兆瓦电能，能量达1000多年。

快速反应堆的造价高于热反应堆，因此不可能和后者竞争，直到天然铀的价格大大高于现在的水准才有可能改变，如果直到铀价格发生实质性的上升，即直到铀储藏的资源接近耗尽，才开始部署快速反应堆那么热反应堆会比能替代它们的速度更快的速度遭淘汰。初期每发电1千兆瓦要用4吨钚充填限制了快速反应堆的部署，至少要15年才能从快速反应堆中获得足够的钚来发动另一座相同发电能力的反应堆。然而用铀235代替钚239能减少一半时间。

核聚变有几种类型核聚变反应在理论上是可达到的，但认为锂和氘聚合为氦的反应最不困难，每公斤聚合物质（75%锂和25%氘）释放热能6，500油吨当量。聚变能的优点是最终会无限止地提供燃料并且产生的副产品相对无毒害，但是经40年的研究和实验证明不可能从核聚合反应获得净能，什么时候或是否能获得仍然是未知的问题。

即使不能从反应本身获得净能，核聚变也能够为能源生产出一份力。用铀238或钍 - 232的套管围绕聚合反应堆可获得裂变的材料。由聚合反应放出的中子将铀转化成钚239，钍转化为铀233，这些裂变同位素能用作热反应的燃料。由此聚合反应作为裂变材料的生产者将代替快速反应堆或与之竞争。

因为在近期不可能把裂变 - 聚合作用一起应用。提出裂变材料能通过爆炸小型核弹来产生，包装在铀和钍中在地下200米直径的爆炸室中于充满500°C的蒸汽及在200个大气压条件下爆炸，包装中的大部分材料会转化成裂变同位素，其从蒸汽中提取，此反应也产生足够的重水来维持核弹的提供。然而，找一个合适的用作爆炸室的地点也许是一个难以克服的问题

结论

H. G.戈勒和A. M. 温伯格设想了一个稳定的情况；100亿人口和消费75，000千兆瓦热动力。他们认为15，000个快速反应堆，每个为5千兆瓦热能（2千兆瓦电力）可能满足它。我们设想100年电力产量为6，600千兆瓦电力可更新的资源可提供2，800千兆瓦电，虽然不可能全部达到，除非在不久的将来核聚合技术能取得突破性的进展，否则大部分动力必须由矿物燃料和快速反应堆来满足，当矿物燃料不可避免地开始减少，快速反应堆将是唯一维持动力产量的方法。除了电力外我们也设想每年有6亿油吨当量的热能消耗，生物燃料只能提供一小部分，其今部分将由矿物燃料和核能来提供。

[Endeavour，New Series Vol 14（2）1990年]