第一节 世界能源
地球上蕴藏着丰富多样的能源资源，这些能源资源的地理和国别分布很不平衡。世界上既有能源资源富集地带，也有能源资源贫乏地带，既有能源资源丰富的国家，也有能源资源贫乏的国家。能源资源的开发利用同样不平衡，由于经济和技术条件的制约，目前只有传统能源得到了大规模开发利用，新能源在总能源消费中所占比例仍然较小。随着化石能源的日渐耗竭，气候变化和环境问题的约束，世界能源消费结构正在重构，人类社会正处于从传统能源向新能源变革的转型时期。
一、能源的形成及其运动
凡是可以直接或通过转换提供人类所需的有用能的资源统称为能源。赋存于地球环境中的能源总量惊人，不仅化石能源储量巨大，还有通过大气、水界、地表基岩以及生物圈不断涌现的各种能流。总体来说，地球能源有三个初始来源，即太阳能、内生能和重力能。
（一）太阳能
太阳能是地球上支配性能源的初始来源。地球上绝大多数能源来自于太阳的核裂变、核聚变和放射性源。地球每年所截获的阳光总能流达17．8万太瓦年[1]，其中约31．8%的太阳能通过短波辐射直接反射回宇宙空间，约68．2%被地球吸收。地球上的太阳能可以通过太阳常数乘以地球表面积计算。地球从太阳得到的能量相当于地球上引力能和内生能（核聚变和核裂变）的1 000倍。在地球吸收的辐射能中，约43．5%直接形成空气和水的显热，约24．6%则转化为海洋和潮湿地球表面的潜热，被吸收的太阳能最终通过长波辐射返回宇宙空间。只有0．1%通过植物光合作用储存于地表和地壳之内。
化石能源是全世界最倚重、利用最多的能源资源。已经或可以从天然矿物源开采的含有能量的原材料，它们所含的能量可通过化学或物理反应释放出来，通常称之为化石燃料。煤炭、石油和天然气生成于植物的残骸，它们间接地来自于太阳能。煤炭是古代植物遗体在覆盖地层下压实，经过复杂的生物化学、物理化学和地球化学作用下转化而成的固体有机可燃沉积岩。世界煤炭资源中有95%以上为腐殖煤，其原始成煤物质为高等植物中的纤维素、木质素等在植物死亡后逐渐形成的。
石油和天然气形成于两次剧烈的全球变暖周期，即大约1．5亿年前到9 000万年前由地下埋藏的有机物转化而成。大量原始生物层层堆积，沉积于古海岸和河道三角洲，随着重量和深度的增加，气压和温度条件逐渐具备，有机物开始转化为油气资源。这一转化过程发生在一种蕴藏着生物质和其他沉积物的“烃源岩”中。根据烃源岩存在时埋藏的不同深度，里面的生物质会形成石油或生成天然气。油气的主要成分是碳和氢，因而统称“碳氢化合物”（hydrocarbons）。如果烃源岩被掩埋在温度约为80℃的2 500—5 000米的地下，经过长时间演化，碳氢化合物分子链断裂，就会生成石油。一般来说超过5 000米深处不会形成石油，如果在该深处温度达到145℃左右，经过若干地质年代，所有碳—氢键断裂，则形成天然气（甲烷）。但是，现代开采油气的地层与当初它们赖以形成的烃源岩并不处于同一位置。这是因为，烃类一旦从烃源岩中释放，就会上移形成浅层的油田和气田，被称为“储集池”。[2]因此，油层富集于相对较浅的地层中，一般情况下深度为1 000米，深度6 000米及其以下则生成天然气，在两者的中间地带，石油和天然气混合共存，多数油藏正好富集于中间地带。
除化石能源之外，还有其他多种能源来源于太阳散射的光及其热效应。例如，生物质能就是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存于生物质内部的能量。
（二）内生能
第二种初始来源是地球内部形成的内生能。核能来源于铀和钍的核聚变和核裂变，属于地球的内生能。地球上铀矿资源蕴藏量丰富，相关资料证实，世界上铀矿床主要分布于两条跨大洲的巨型铀成矿带，即近东西向欧亚巨型铀成矿带以及环太平洋巨型铀成矿带。根据国际原子能机构的统计，全球铀矿资源总量约为1 238万吨，其中已查明资源量约547万吨，待查明资源量约791万吨。此外，开采难度大、经济价值较低或不具经济价值的非常规铀矿资源量，可能高达近3 000万吨。[3]从区域来看，亚洲和大洋洲的铀矿资源最丰富，北美洲和非洲也有可观的储量。从国别来看，澳大利亚铀矿资源最丰富，约64．6万吨，占世界总储量的41%。加拿大约26．5万吨，占17%。哈萨克斯坦约23．2万吨，占15%。南非约11．8万吨，占8%。全球约80%的铀储藏量集中分布在这四个国家，巴西和乌克兰是紧随其后的铀矿资源大国。目前，澳大利亚、哈萨克斯坦、俄罗斯、美国、加拿大等国是世界上主要的铀矿生产国和供应国。中国的铀矿资源储量大约10万吨，虽然位列世界第10位，但仍然属于铀矿资源贫乏的国家。截至2005年，中国已探明的铀矿资源仅为7万吨，难以满足我国长远经济发展的需求。但是，据科学证实，地球上两条巨型铀成矿带均横穿中国，因而中国的铀成矿地质背景总体上还是有利的。
地热能是来自地球深处的可再生热能，主要来自于地球内部的放射性衰变。地球内部温度高达7 000℃，越靠近地表温度越低，在80—100英里的深度，温度会降至650℃至1 200℃。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳，热量得以被传送至较接近地面的地方，其储量比目前人们所利用能量的总和还要多，据1973年罗伯茨（Roberts）的估计，来自地层内部的热能相当于32×1012瓦特。其中，通过火山和温泉散发的热能仅有0．3×1012瓦特。[4]这种热能集中分布于地质构造板块边缘地带。
（三）重力能
第三种初始能源是太阳系行星的运行而产生的能流，属于重力能。太阳系的行星运动形成了洋流，据估计，海洋洋流的潜能相当于3×1012瓦特。潮汐能主要是由月球引力的变化而引起的，潮汐导致海水周期性地升降，因海水涨落及潮水流动而产生的能量。潮汐能是以势能形态出现的海洋能，是一种不消耗燃料，没有污染，不受洪水或枯水影响，取之不尽用之不竭的可再生能源。海洋学家估计，世界上潮汐能发电总量可在1TW（10的12次方瓦特）以上。虽然风能、水能、海流能属于重力能，但它们也是由太阳的热效应引起的。在大地、大气和海洋之间的界面上产生的风能、波浪能和洋流的动能，每年相当于370太瓦年。
图1-1 地球能源的形成及其运动
二、能源的主要类型
能源可按其形状、特性或转换利用层次进行分类。但是，不同机构对能源分类的要求是不同的，因而常常形成了各种各样的划分方法。一般来说，所有能源都可划分为两大类型：传统能源和新能源，或可再生能源和不可再生能源。从自然属性来划分，世界能源共有10种类型：薪柴、化石能源（煤炭、石油和天然气）、核能、水能、风能、太阳能、海洋能、地热能、氢能和生物质能。
在工业利用中，能源还经常被分为一次能源和二次能源。所谓一次能源，就是开采生产或进口后的初始形态能源。凡从自然界取得，未经任何改变或转换的能源都是一次能源，如薪柴、煤炭、石油、天然气和铀矿等。一次能源通过加工和转换得到的能源被称为二次能源。例如电力、焦炭、煤气、各种用作燃料的石油制品、热能和氢能等，二次能源不仅具有更高的终端利用效率，而且更加清洁和便利。
但是，人类现在能够大规模利用的商业能源，从数据统计与分析的角度来看，基本上集中于4种类型，即化石能源、核能、水电和可再生能源。
第一类，化石能源。全世界广泛利用的石油、天然气和煤炭具有不可再生的特点，属于传统能源。大约经过几代人的开发和利用，所有化石能源将在未来100年内耗竭，在世界一次能源构成中，石油是最重要的能源，预计到2030年石油在总能源消费中所占比例仍高达35%。石油在一次能源结构中所占比例最大，占能源消费的三分之一以上。石油是一种普遍利用的能源，因为石油运输方便，运费低廉。石油利用具有灵活性，包括：石油可用于发电产业、供热产业、运输业和燃料工业。石油在这些功能上可替代其他能源。但是，当前的运输模式是从20世纪发展而来的，当时石油资源丰富而便宜。例如，从纽约到伦敦的商业性航班的飞行时间50年来没有变化，在运输部门，除非商品和旅客运输模式发生根本性变化，否则石油的地位仍是其他任何能源所无法取代的。天然气需求呈持续增长趋势，预计2030年天然气将超过煤炭成为世界第二大能源，在总能源消费中的比例达到25%。世界煤炭消费仍将稳步小幅增长，2030年世界煤炭需求量约70亿吨，在全球能源总消费中所占比例退居第三位。(https://www.daowen.com)
第二类，核能。第二次世界大战后，人类和平利用核能取得了长足的进步，核电已成为世界各国广泛利用的清洁能源。随着未来核聚变技术的成熟，核能资源的利用还可延续数百年之久。
第三类，可再生能源。可再生能源具有不可耗竭的特点，可以连续再生，永续利用，又称为新能源。包括风能、氢能、地热能、海洋能、太阳能和生物质能，等等。由于经济和技术条件的限制，可再生能源在当前尚未普遍利用，但前景十分广阔。可再生能源作为未来社会的主要能源，不仅是未来世界持久能源体系的基础，而且承载着人类社会和世界经济可持续发展的重托。在可再生能源中，由于水电已经十分发达，因而通常被划入传统能源的范围。开发水电往往受制于河流的自然条件，例如落差。水电可满足山地国家相当部分的能源需求，但是平原国家（如丹麦）缺乏发展水电的自然条件。从世界范围看，水电大约可以满足全球十分之一的能源需求。
由于环境问题和气候变化，世界主要能源消费国在可再生能源领域增加了投资，可再生能源的年增长率快于任何其他能源。尽管如此，可再生能源在世界能源需求中的比例仍然偏低，预计2030年仍只能满足全球能源需求的极小部分。
能源还可以分为商业化能源和非商业化能源两种类型。商业化能源是指作为商品流通环节大量消费的能源。目前，商业化能源主要有化石能源、水电、核能等。非商业化能源则指薪柴、秸秆等农业废料、人畜粪便等就地利用的能源。虽然这些能源具有可再生的特点，但属于原始能源的范畴，在工业化世界不具有重要的利用价值，也不具备商业化开发的条件。在最不发达国家中，非商业化能源在农村地区占有很大比重。畜力、薪柴等能源，占到全部能源需求的半数以上。
迄今为止，非商业化能源的统计仍然是一个难题，所有可能收集起来的能源数据，几乎全部只涉及商业化能源，因此准确地说明非商业化能源的利用及其变化情况是非常困难的。但是，非商业化能源并非不重要，薪柴在最不发达国家的社会生活中仍然起着重要的作用，在这些国家，因为薪柴短缺而发生能源危机的可能性是确实存在的。
三、世界能源储量
世界上只有三种主要的能源资源，即化石能源、核能和可再生能源。这就是说，人类所有能源消费装置，从家用炉灶到汽车飞机，其能源转换最终可以还原成这三种主要能源之一。由于全世界可再生能源在实际利用中所占比例非常之小，实际上只有化石能源和核能才是主要能源，而核能发电也仅满足世界电力需求的很小部分，所以化石能源才真正是全球最主要的能源。化石能源可以分为三类：煤炭、石油和天然气，煤炭和天然气是发电站的主要能源，而石油则是交通运输体系的主要能源。[5]
化石能源的可持续供应是世界能源安全面临的紧迫问题之一，全球经济增长意味着能源需求的持续增长，能源需求增长最终取决于世界能源储量和能源投资。化石能源在全球能源消费中居支配地位，目前在世界一次能源消费中所占比例高达85%，未来20年内任何其他能源都难以撼动这一支配地位。但是，地球上蕴藏的化石能源资源总量是有限的，化石能源具有可耗竭的特点，因此化石能源储量对于世界经济的增长与安全可持续发展具有特别重要的意义。
在1980年第11届世界能源大会上，多数专家认为地球上还有2 600亿吨（相当于18 200亿桶）石油。美国地质调查局（USGS）是目前估算全球常规石油最终可采资源量的权威机构。根据USGS的估算，1996年全球常规石油资源量（含天然气）为33 450亿桶，剩余可采资源量为26 280亿桶。[6]也就是说，全球常规石油资源的21%已被开采利用，剩余可采资源量约占79%。根据BP的数据，2003年底全球石油探明储量为11 480亿桶，全球剩余储量的可采年数（R／P）为41年。《世界石油》杂志的估值为10 510亿桶（不含天然气和油砂），全球剩余储量的可采年数为36年。美国《油气杂志》认为，全球石油探明储量为12 660亿桶，可采年数为44年。[7]其他机构的储量估算值则介于10 510亿桶和12 660亿桶之间。根据BP发布的统计数据，2015年全球探明石油储量为16 970亿桶，尚可开采50年左右。[8]
除常规石油以外，地球上非常规石油资源蕴藏量相当惊人。IEA的估算数据是1万亿吨，约合7万亿桶。与当前世界每年40亿吨的消耗量相比，足够人类持续使用250年。在非常规石油中，页岩油占38%，超重油和油砂占23%，沥青占39%。从地区和国别分布来看，加拿大占36%，美国占32%，委内瑞拉占19%，前苏联地区占7%，非洲占3%，中东占1%，其他国家占2%。[9]据统计，加拿大拥有2 500亿桶油砂，美国拥有2 100亿桶页岩油，委内瑞拉拥有1 900亿桶超重油。
全球天然气蕴藏量极为丰富，而且探明储量增长很快。1950年探明储量约为5．1万亿立方米，1984年探明储量已增加到96万亿立方米，相当于1950年的18．9倍。[10]按照国际天然气信息中心的估算，2004年世界天然气储量180万亿立方米，相当于20年前的2倍。近年来全球天然气探明储量还在增长。根据BP的统计数据，2005年总储量为157万亿立方米，2015年增长到186万亿立方米。储量增长主要来源于两个方面：一是世界许多地区都在持续开展勘探和评价活动，二是技术进步使现有储量得以增加。[11]但是，同储量增长相比，产量增速更快，2015年全球天然气开采年限为52．8年，同比2009年减少了10年。
地球上蕴藏着丰富的煤炭资源，但科学家一直未能提供可靠的储量数据。1913年，第二届世界地质会议首次对世界煤炭地质储量进行了系统的估算，认为地球上埋藏深度在1 800米以内、煤层厚度0．3米以上的煤炭地质储量约为7 830亿吨。1976年，国际应用系统分析机构预测为9 000亿吨，经济可采储量5 600亿吨。1980年世界煤炭研究所估算约为1万亿吨，经济可采储量为8 988亿吨。2004年，国际能源署估算，世界煤炭总探明储量为9 070亿吨，按目前产量计算尚可开采200年。但是，随着国际石油价格的震荡，世界主要的能源消费国都加大了煤炭的生产和利用，导致煤炭储产比大幅下降。根据BP的统计，2010年，世界煤炭总探明储量约合8 609亿吨，按当年产量可开采118年。2015年探明储量略有增长，达到8 915亿吨，按当年产量仅可开采114年。总起来说，煤炭资源是地球上蕴藏量最丰富的化石能源，其探明储量远远超过石油和天然气。
四、全球能源的地理分布
由于古地理环境的关系，油气资源主要集中分布于北半球的两个重要弧形地带，即东半球从北非、中东、中亚里海直达东西伯利亚的弧形地带；西半球从委内瑞拉、墨西哥湾沿岸、美国中部向北贯通加拿大西部和阿拉斯加北部的弧形地带。根据美国《油气杂志》1985年估算的数据，北半球石油探明储量占世界探明储量的96．8%，天然气占世界探明储量的97%。从东西半球来看，全球80%以上的常规石油和天然气资源集中于东半球，90%以上的非常规油气资源主要分布于西半球，并且高度集中于委内瑞拉的奥里诺科和加拿大的阿尔伯塔两大地区。
中东地区的石油资源量占绝对优势，北美、北非、俄罗斯、北欧和亚太地区紧随其后。统计表明，世界上发现的石油储量超过10亿吨的特大油田约有40个，其石油储量占世界石油储量的将近一半，其中波斯湾盆地就占了二分之一，西西伯利亚盆地占四分之一。沙特阿拉伯的加瓦尔油田和科威特的布尔甘油田储量都在100亿吨左右，仅这两个油田的储量就占目前世界石油总储量的20%以上。世界上石油储量大于2亿吨的油田有84个，分布于20个国家或地区的20个盆地内，总储量达800亿吨，占世界石油探明剩余可采储量的55%左右。[12]
同样，世界煤炭资源的地理分布广泛，遍及各大洲的所有地区，但具有高度不均衡的特点。煤炭主要分布于北半球，特别集中于美国的东中部和北部、中国西北部和俄罗斯东部地区。世界上92%的煤炭地质储量和89%的经济可采储量都集中于北半球，特别是北纬30—70度之间是地球上最重要的含煤带，这一带占世界煤炭地质储量70%以上。[13]其中，亚太地区的煤炭资源量占世界的32%以上，欧洲及欧亚地区占世界的31．58%，北美洲占世界的27%以上，非洲与中东地区约占世界的5．58%，大洋洲占5．1%，南美洲最少，仅占世界的2．19%。全世界约有80个国家和地区拥有煤炭资源，美国、俄罗斯、中国是世界煤炭资源大国，印度、波兰、德国和英国的煤炭储量也相当可观。南半球的煤炭资源量相对较少，主要集中于澳大利亚东部、非洲南部和南美洲亚马逊河上游地区。澳大利亚、南非和巴西拥有南半球最丰富的煤炭资源。
世界上降水和坡降条件有利的大河流域是水力资源最丰富的地区，如非洲刚果河流域和扎伊尔河流域、南美巴拉那河和亚马孙河中上游、中国长江中上游地区、北美哥伦比亚河、俄罗斯安加拉—叶尼塞河流域。除水力发电外，可作发电的还有高温地热资源，一般都位于现代板块构造学说所说的地壳板块之间的分界线附近，即沿太平洋海岸、新西兰、印度尼西亚南部、南欧、加勒比海东部、大西洋中脊的岛屿、叙利亚到马拉维的亚非巨型裂谷带等。此外，核能资源大多集中分布于澳大利亚、加拿大、南非、哈萨克斯坦、俄罗斯、巴西和美国西部高原等地区。
虽然化石能源在地理上分布极不均衡，但地球上各种能源资源总体上呈现出有利的空间结合态势。人类利用最为广泛的三大主要能源，即油气、煤炭和水力资源，在空间分布上具有互补余缺的特征。欧洲的石油和天然气储量严重不足，但拥有可观的煤炭资源。英国最初拥有的煤炭资源比沙特阿拉伯拥有的石油资源还要多，波兰和德国也拥有丰富的煤炭资源，波兰是世界第七大煤炭生产国，烟煤和无烟煤总储量估计为600亿吨，褐煤储量为140亿吨。德国的可采煤炭储量估计有230亿吨。[14]中东地区水力资源和煤炭资源贫乏，但蕴藏着世界上最大的石油和天然气储量，该地区石油探明储量占全球探明储量的三分之二以上，伊朗和卡塔尔拥有全球最丰富的天然气资源。中亚地区，哈萨克斯坦、土库曼斯坦和乌兹别克斯坦拥有丰富的石油和天然气，而塔吉克斯坦和吉尔吉斯斯坦则位于中亚跨国河流的上游，河流落差大，水能资源丰富，中亚水能资源总量为5 540亿千瓦时，其中大部分在塔吉克斯坦境内。在非洲，能源资源的地理分布同样具有天然合理性，北非地区油气资源丰富，煤炭和水力资源匮乏；非洲南部是世界贫油区，但地下蕴藏着丰富的煤炭和铀矿资源，南非是世界第六大煤炭生产国和重要的煤炭出口国，根据2006年的数据，南非的煤炭储量是487．5亿吨，约占世界的5．5%，全部由无烟煤组成，年产量达到2．44亿吨，其中三分之一出口到其他国家，其中八成以上出口到欧洲；中部非洲缺少煤炭、石油和天然气，但赤道横贯非洲中部，南北纬10°之间雨量丰沛，70%的非洲水能资源蕴藏于此。其中，刚果河流经赤道两侧，获得南北两半球丰富降水的交替补给，其水能理论蕴藏量高达3．9亿千瓦，居世界大河之冠。拉美的能源分布情况大抵如此，北部油气资源丰富，墨西哥和委内瑞拉是拉美油气资源大国和生产大国，而南部地区蕴藏着丰富的煤炭和水力资源，而生物质能的发展条件更是得天独厚，前景十分可观。在北美，美国是世界能源的资源大国、生产大国和消费大国，其能源资源的地理分布具有同样的特点，缺少煤炭、水力资源的南部地区，特别是墨西哥湾沿岸，拥有丰富的石油和天然气储量，落基山脉以西的高原地区，油气资源贫乏，水力、地热、铀矿资源极为丰富，中东部地区，油气和水力资源蕴藏不足，却拥有非常丰富的煤炭资源。各种能源资源在空间上的交叉离散分布，有利于各地区工业生产和经济发展的均衡布局，同时还可以减少国内能源贸易流量和运输压力。但是，从全球范围来看，由于能源生产国和消费国的空间分离，化石能源的国际贸易量巨大，特别是石油和天然气的国际贸易规模仍将持续扩大。石油早已成为国际贸易中流量最大的大宗商品，2010年国际石油贸易量高达5 351万桶／日，同比2009年增长了2．2%。虽然天然气的本地消费目前仍占相当比重，但随着全球对天然气需求的不断升高，国际天然气贸易也进入了快速增长阶段。2010年世界管道天然气和LNG贸易量为9 752．2亿立方米，2015年达到10 424亿立方米。
如同石油和天然气，电力的国际贸易正在蓬勃发展。随着地区一体化与能源合作的深化发展，许多国家正积极建设跨国输电网，未来电力的国际贸易量也将随之增加。例如，根据中美洲电力框架条约，美洲开发银行正在准备建设中美洲电力连线系统（SIEPAC），在危地马拉、洪都拉斯、萨尔瓦多、尼加拉瓜、哥斯达黎加和巴拿马建设一条1 830公里长的230千伏电力联网线，该线与每个国家的变电站都有连接。[15]在中亚，充分挖掘水电潜力已成为塔吉克斯坦能源政策的核心目标，水电不仅可以确保本国的能源安全，而且还可通过电力出口获取外汇收入。目前，塔吉克斯坦正在加强同南部邻国阿富汗、巴基斯坦的合作，建立跨境输电线路。2011年，塔吉克斯坦和阿富汗两国电力公司结束谈判达成协议，连接两国电力系统的220千瓦跨境输电线路投入使用，塔吉克斯坦每年向阿富汗出口大量电力。塔吉克斯坦还同伊朗签订了电力出口协议。在东北亚地区，中俄能源合作取得了重大突破，历经10年谈判，2014年俄罗斯天然气工业公司与中国石油天然气集团有限公司签订了具有里程碑意义的《中俄天然气供应协议》。根据该协议，自2018年起，俄罗斯将通过其境内的“西伯利亚力量”（Power of Siberia）管道向中国东北地区每年输送380亿立方米天然气。同年11月，中俄两大能源巨头再次就建设西线管道达成一致，双方签订了《关于沿西线管道从俄罗斯向中国供应天然气的框架协议》，该协议拟将俄罗斯西西伯利亚开采的天然气通过西线管道输送到中国新疆，年供应量高达300亿立方米。