互动科普

太阳能电池、风力发电机和生物燃料等有望成为独当一面的重要能源。在新政策支持下，这一能源变革的步伐将大大加快。

任何旨在大规模减少温室气体排放量的计划，不论制定得多么周密，如果单纯依靠提高能源效率这一招的话，是不可能成功的。由于经济增长迅速，能源需求量节节攀升：新建的工厂需要更多的煤炭来提供电力；新上路的汽车需要更多的石油来作为燃料；新修的房屋需要更多的天然气来供暖等等。因此，尽管新型汽车、房屋和各种器具的节能效率已经大有改观，但二氧化碳的排放量仍将与日俱增。如果任由全球气温持续升高，毁灭性的灾难将不可避免。为了有效遏制这种趋势，世界各国必须痛下决心，大力开发几乎不产生或根本不产生二氧化碳的新型可再生能源。

上世纪70年代，中东各产油国祭起“石油禁运”这个法宝，作为对抗以色列及其西方盟国的武器。在这种情况下，可再生能源技术在一夜间风靡世界。然而好景不长，随着石油危机的过去，人们对可再生能源的热情也烟消云散。不过，近年来太阳能电池、风力发电机和生物燃料（即植物产生的乙醇和其他燃料）等可再生能源技术，在改善性能和降低成本这两方面都取得了长足的进步，为这些技术的产业化和市场化铺平了道路。可再生能源不仅利于环保，还能减少各国对进口化石燃料的依赖，从而使能源供应更加安全可靠。此外，石油与天然气价格一路飙升，也使可再生能源更具吸引力。

现在，可再生能源面临着前所未有的发展机遇。把握这个最佳时机，大力推进洁净能源技术的开发，将使我们在今后数十年中受益匪浅。但这是一项巨大的工程，它需要科研、经济和政策资源的长期投入。在这一方面，上至决策领导，下至普通百姓，整个社会都必须行动起来，相互激励、相互督促，加快传统能源向可再生能源过渡的步伐。

太阳能电池遍全球

太阳能电池，又称光电池，可以利用半导体材料把太阳能转变为电流。就目前而言，太阳能电池提供的电力可谓微不足道，即使把世界上所有的太阳能电源加起来，也只有5,000兆瓦，仅占全球总发电能力的0.15%。但是从理论上说，阳光提供给我们的能量，可以达到当前世界总耗电量的5,000倍！随着技术的不断改进、成本的迅速降低以及世界各国的优惠政策纷纷出台，在过去10年中，太阳能发电系统的总发电量以超过每年25%的速率猛增，2005年，增长率更是达到了45%！这是一个惊人的数据。去年，世界各国生产的太阳能电池使全世界新增了1,727兆瓦的发电能力，其中日本占833兆瓦，德国占353兆瓦，而美国则为153兆瓦。

太阳能电池可以用多种材料来制造，包括传统的多晶硅片、非晶硅薄膜电池以及由塑料或有机半导体制成的器件等。不过，多晶硅片制造的太阳能电池仍在市场上占据着主导地位。薄膜太阳能电池的生产成本低于硅晶电池，但它把阳光转换成电能的效率同样低于后者。在实验室测试中，硅晶电池的能量转换效率达到了30%，甚至更高，而市场上现有的硅晶太阳能电池的转换效率，则在15%到20%之间。近年来，所有类型太阳能电池的能量转换效率均有了一定的改善，由此我们可以预测，加强太阳能电池的研发工作必将进一步提高太阳能电池的性能。

太阳能电池使用起来特别方便，安装起来也能随心所欲：可以安装在住宅或办公楼的屋顶或外墙上；可以放置在广阔平坦的沙漠上，构成巨大的太阳能电池阵列；甚至可以缝进衣服里，为随身携带的电子产品提供电力。在全球追捧太阳能电池的热潮中，日本与德国一马当先，美国也不甘落后，形成了三足鼎立之势。美国加利福尼亚州开展了“百万太阳能屋顶”活动，目标是到2018年，使该州新增3,000兆瓦的太阳能发电能力。我所在的研究机构——加利福尼亚大学伯克利分校可再生与实用能源实验室，对太阳能发电的现状进行调查后指出，如果按目前这种势头发展下去，只需20年的时间，单单是在美国，每年的太阳能发电能力便可轻而易举地达到1万兆瓦。

太阳能发电事业面临的最大挑战，便是大幅度降低太阳能电池的造价。目前，这种电池的制造成本还远谈不上低廉。硅晶太阳能电池的总发电成本为每度20美分到25美分，远远高于其他发电方式——燃煤电厂的发电成本为每度4美分到6美分，天然气发电的成本为每度5美分到7美分，生物质电站则为每度6美分到9美分（核电的成本较难确定，因为对于哪些费用应纳入核电的成本分析，专家们尚未形成一致意见。一般的估计是，核电成本在每度2美分到12美分之间）。不过幸运的是，过去10年来太阳能电池的价格在持续下降，这主要归功于太阳能电池制造技术的不断进步。2005年，日本新增的太阳能电池发电能力为290兆瓦。同年，日本出口到国外的太阳能设备的发电能力超过了这一数字。与此同时，这些太阳能电池的成本也以每年8%的速度下降。2005年，加利福尼亚州安装了总容量为50兆瓦的太阳能发电装置，太阳能发电的成本每年降低5%。

大概谁都想不到，肯尼亚这个东非小国，居然是全球人均占有太阳能发电系统最多的地方（并不是新增太阳能发电能力最多的国家）。在肯尼亚的太阳能设备市场上，每年要卖出3万多套小容量的太阳能电池板，每套的发电量为12瓦到30瓦。这种太阳能电池板及其配套电路的价格最低的只有100美元，可以用来给汽车蓄电池充电。充满了电的蓄电池，足够供一盏日光灯或一台小型黑白电视机每天使用几个钟头。在肯尼亚，每年使用这种太阳能电源的人比接入电力公司电网的人还多。这些太阳能电池板通常由非晶硅薄膜电池制成，虽然它的能量转换效率仅为硅晶电池的一半，但成本却要低廉不少（仅相当于后者的1/4甚至更低）。对于全世界目前还无电可用的20亿人来说，非晶硅太阳能电池不失为一个经济实用的选择。除肯尼亚以外，在其他一些非洲国家，小型太阳能供电系统的销售也异常火爆。低成本太阳能电池制造技术的进步，可能会促进太阳能电源的普及。

还应该指出，太阳能电池并不是唯一一种正在飞速发展的太阳能利用方式。目前，通过收集阳光来产生热量的太阳能加热系统，也大有卷土重来之势。很早以前，人们就开始用这类系统为家庭和单位供应热水，但现在技术更为先进，可以用它们发电，这样我们就可以告别价格昂贵的太阳能电池了。一项利用太阳能加热系统来发电的设计方案，是利用反射镜将阳光聚集在斯特林发动机上。这是一种高效率发动机，内含一种工作流体，会在热室和冷室之间不停地循环流动。受到阳光加热后，流体就会膨胀，膨胀产生的压力推动活塞，活塞再驱动涡轮机组发电。

2005年秋，美国菲尼克斯市的斯特林能源系统公司对外宣布，打算在加利福尼亚州南部建造两座太阳能加热发电站。该公司与南加利福尼亚州的爱迪生公司签订了一项为期20年的购电协议。根据此协议，爱迪生公司将买下计划在莫哈维沙漠中建造的一座500兆瓦太阳能电站所发出的电力。这座电站占地达4,500英亩（1英亩约为4047平方米），由2万块碟形聚光镜组成，每块聚光镜将阳光聚集到一台油桶大小的斯特林发动机上。预计该电站将于2009年建成投产，此后其发电能力可能会增至850兆瓦。斯特林能源系统公司还与圣迭戈天然气电力公司签订了一份为期20年的合同，将在帝王谷建造一座发电能力为300兆瓦，拥有1.2万块碟形聚光镜的电站。该电站最终可能升级到900兆瓦。

加利福尼亚州的这两项太阳能发电工程的财务分析细节尚未披露，但现有的太阳能加热技术所发出的电力成本在每度5美分到13美分之间，而碟形聚光镜发电系统则属于其中较高的一类。不过，由于这两座电站将采用非常成熟的技术，并且发电量相当大，因此预计它们的发电成本最终会降至每度4美分到6美分，这样就足以同现有的燃煤电厂竞争了。

风力发电有潜能

近年来，风力发电迅速崛起，发展速度与太阳能发电行业不相上下。过去10年，全球风力发电机的总发电能力以每年超过25%的速度递增，2005年已达到6万兆瓦的水平。在欧洲，风力发电更是经历了爆炸式的飞速增长——从1994年到2005年，欧盟各国风力发电的装机容量从1,700兆瓦陡增到4万兆瓦。仅在德国，由于大力推行风力发电站的建设，目前风力发电装机容量已超过1.8万兆瓦。德国北部的石勒苏益格-赫尔斯泰因州安装了2,400多台风力发电机，发电能力可以满足该州每年所需电力的1/4，而在某些月份，风力所发的电量更是占到该州总发电量的一半以上。除德国外，欧盟其他国家的风电发展也日新月异，目前，西班牙的风电装机容量已达1万兆瓦，丹麦有3,000兆瓦，英国、荷兰及葡萄牙也都在1,000兆瓦以上。

过去5年，美国的风力发电事业发展迅猛。2005年，美国的风力发电总装机容量增加了36%，达到9,100兆瓦。虽然风力发电机发出的电力目前仅占美国总发电量的0.5%，但潜力却不可限量，特别是处于多风大平原的各州，例如北达科他州，所拥有的风能资源比整个德国还多，但风力发电装机容量却只有区区98兆瓦，不及德国的百分之一。如果风力发电在美国遍地开花，风能资源得到充分利用，那么每年可以生产多达110亿度的电力，超过2005年美国所有能源发出的电力总量3倍多。风能行业已经开发出了容量越来越大，效率越来越高的风力发电机，每台能够发出4兆瓦到6兆瓦的电力。在很多地方，风电是各种新型电能中价格最低廉的一种，其成本在每度4美分到7美分之间。

美国风电行业的发展，同政府的税收优惠政策的扶持是分不开的。美国政府减免风能发电的生产税，相当于为风能发电提供每度1.9美分的小额补贴，这就使风力发电的成本能够同燃煤电厂竞争，从而大大刺激了开发商建造风能发电厂的热情。遗憾的是，不知什么原因，美国国会多次扬言要取消这一税收补贴。目前美国并没有对风能发电安排长期补贴，美国国会每年都要对下一年是否继续实行补贴进行审议。投资者对这一政策能够实行多久心中没底，这就挫伤了他们投资风电项目的积极性。例如，2004年生产税减免政策即将到期，美国风力发电机组安装量一度出现了明显下降，后来国会决定延长该项优惠政策的有效期，开发商们对风力发电的兴趣才被再次点燃。但现在美国国会又声称，要出手阻挠一项在马萨诸塞州海岸外建造风力发电场的计划，该发电场将由130台风力发电机组成，总发电能力为468兆瓦，可以满足科德角、马撒葡萄园岛以及楠塔基特大部分地区的电力需求。

风力发电所面临的阻力，一部分来自于一贯抵制新技术的电力公司，另一部分则来自于所谓“邻避”现象 (NIMBY-ism，系‘Not in My Backyard’的缩写，指公众中存在的一种‘眼不见为净’的心态，即反对政府以自己的家园作为政策规划目标的非理性环保抗争情绪)。普通老百姓担心，在原本一望无垠的田野上竖起无数高大的风力发电塔，会破坏当地景观。这种担心确实也不无道理，但我们更应该考虑到其他发电方式所带来的高昂的社会成本。整个社会对能源需求的增长势头不可遏制，因此抵制风力发电常常就意味着必须新建或扩建化石燃料发电厂，以满足社会对电力的需求，而这类发电设施对环境的破坏，就远不是风景不协调那么简单了。

生物燃料成新宠

目前研究人员也在大力开发所谓的生物燃料，这类燃料有望至少部分取代现在所使用的汽车燃油。美国最常见的生物燃料是乙醇，它一般以玉米为原料进行生产，并且能与汽油混合使用。乙醇生产厂商享受着相当优惠的税收减免待遇：2005年，政府为乙醇生产厂商提供的补贴高达20亿美元，这使他们得以售出超过160亿升的乙醇（占美国当年汽车耗用燃料体积总量的3%）。预计到2007年，乙醇的年产量还将增加50%。部分决策层人士质疑是否有必要对乙醇实行这类优惠政策，他们指出，相关研究表明，种植玉米并以玉米为原料生产乙醇，这个过程所耗费的能量，比生产出来的乙醇所能提供给内燃机的能量还要多。然而，最近我和同事就这个问题进行了分析，发现其中一些研究没有把乙醇生产过程中的副产品所含的能量考虑进去。如果我们把同乙醇生产相关的所有投入与产出数据全部正确地计算进去，那么就可以发现，以乙醇为燃料其实是有赚头的。扣除投入的能量后，每升乙醇可以为我们提供5兆焦耳的净能量。

不过我们也发现，乙醇对温室气体的排放究竟有何影响，是一个更加不容易弄清的问题。最乐观的估计是，用玉米型乙醇取代汽油将使温室气体的排放量减少18%，但是这一数据却受到农业生产中多种不确定因素的干扰，例如，化肥和农业机械的环境成本就是一个相当大的未知数。如果全面考虑所有因素的话，那么使用玉米型乙醇，最高可使温室气体的排放量降低36%，也有可能令排放量不降反升，升幅最高可达29%。推广用玉米生产的乙醇，或许可以帮助美国减少对进口石油的依赖，但对于遏制全球变暖可能就起不到多大的作用了。

然而，如果生产乙醇的原料是纤维素（柳枝稷或白杨之类的木质植物）的话，那么计算结果将大不相同。以玉米为原料生产的乙醇，发酵过程需要用化石燃料来加热，而在生产以纤维素为原料的乙醇时，加热植物糖所用的燃料则是转化过程的副产物——木质素。以木质素为燃料不会使大气中温室气体的含量有任何增加，原因在于，虽然这一燃烧过程会产生二氧化碳，但用来生产乙醇的木质植物在其生长过程中，也会吸收大量的二氧化碳，这样一出一进，两者相抵，大气中二氧化碳含量并未增加。因此，用纤维型乙醇来代替汽油，可以使温室气体排放量减少90%，甚至更多。

另一种很有发展前途的生物燃料，是所谓的绿色柴油。研究人员已经生产出了这种燃料，方法是先将生物质气化（把有机物质加热到足够高的温度，以释放出氢和一氧化碳），然后再运用费-托合成法，将氢和一氧化碳等转化为长链烃(第二次世界大战期间，德国工程师曾通过这类化学反应，以煤为原料生产合成燃油)。最终结果是，得到一种极具市场竞争力的车用液体燃料，这种燃料不会向大气中排放任何温室气体。业界大鳄荷兰壳牌石油公司目前正在仔细考察这项技术。

研究开发是关键

当前，这些可再生能源行业的发展，已经进入或即将进入一个关键阶段。虽然可再生能源有许多别具魅力的优势，但总的说来，它们现在还只是全球能源供应体系中一些无足轻重的小角色。因此，如何加大投资与革新的力度，并加快进入市场的步伐，使它们迅速成长为地区与全球能源供应的主力军，就成为摆在世界各国面前的一个重要课题。眼下，许多国家纷纷在地方和中央一级出台各种优惠政策，积极帮助可再生能源打开市场。政府推行这些优惠政策有着各种各样的理由，比如为了推进能源供应市场的多样化、增强能源供应的安全性、促进行业的发展、扩大就业机遇以及保护当地和全球的环境等。美国已经有20多个州制定了相关标准，规定了用可再生能源发出的电力在电力供应总量中所占比例的底线。德国打算在今后20年中把化石燃料的耗用量削减20%，瑞典则明确表态，以后要彻底弃用化石燃料。

就连美国总统布什，在2006年1月向国会提交的那份著名的国情咨文中也承认，美国人已经患上了“油瘾”综合症。虽然布什没有明确提到全球变暖与过量耗用石油有关，但几乎所有的科学家都一致认为，人类过分沉迷于化石燃料的行为，已经严重影响了地球的气候。现在是采取行动的时候了，而我们期盼已久的解决方案也终于发展到了比较成熟的水平，能够有效地帮助我们改变传统的能源生产和消费模式，做到发展经济和保护环境两不误。然而，在过去25年中，政府和私营企业对能源研究开发领域的投入却日渐萎缩。从1980年到2005年，在美国科研经费总额中，用于能源研究的经费所占的比例从10%猛降到2%。政府每年投入能源研究开发的拨款从80亿美元减少到30亿美元（按2002年美元计），而私营企业用于能源研究的经费也从40亿美元降到10亿美元。

风力发电有潜能

近年来，风力发电迅速崛起，发展速度与太阳能发电行业不相上下。过去10年，全球风力发电机的总发电能力以每年超过25%的速度递增，2005年已达到6万兆瓦的水平。在欧洲，风力发电更是经历了爆炸式的飞速增长——从1994年到2005年，欧盟各国风力发电的装机容量从1,700兆瓦陡增到4万兆瓦。仅在德国，由于大力推行风力发电站的建设，目前风力发电装机容量已超过1.8万兆瓦。德国北部的石勒苏益格-赫尔斯泰因州安装了2,400多台风力发电机，发电能力可以满足该州每年所需电力的1/4，而在某些月份，风力所发的电量更是占到该州总发电量的一半以上。除德国外，欧盟其他国家的风电发展也日新月异，目前，西班牙的风电装机容量已达1万兆瓦，丹麦有3,000兆瓦，英国、荷兰及葡萄牙也都在1,000兆瓦以上。

过去5年，美国的风力发电事业发展迅猛。2005年，美国的风力发电总装机容量增加了36%，达到9,100兆瓦。虽然风力发电机发出的电力目前仅占美国总发电量的0.5%，但潜力却不可限量，特别是处于多风大平原的各州，例如北达科他州，所拥有的风能资源比整个德国还多，但风力发电装机容量却只有区区98兆瓦，不及德国的百分之一。如果风力发电在美国遍地开花，风能资源得到充分利用，那么每年可以生产多达110亿度的电力，超过2005年美国所有能源发出的电力总量3倍多。风能行业已经开发出了容量越来越大，效率越来越高的风力发电机，每台能够发出4兆瓦到6兆瓦的电力。在很多地方，风电是各种新型电能中价格最低廉的一种，其成本在每度4美分到7美分之间。

美国风电行业的发展，同政府的税收优惠政策的扶持是分不开的。美国政府减免风能发电的生产税，相当于为风能发电提供每度1.9美分的小额补贴，这就使风力发电的成本能够同燃煤电厂竞争，从而大大刺激了开发商建造风能发电厂的热情。遗憾的是，不知什么原因，美国国会多次扬言要取消这一税收补贴。目前美国并没有对风能发电安排长期补贴，美国国会每年都要对下一年是否继续实行补贴进行审议。投资者对这一政策能够实行多久心中没底，这就挫伤了他们投资风电项目的积极性。例如，2004年生产税减免政策即将到期，美国风力发电机组安装量一度出现了明显下降，后来国会决定延长该项优惠政策的有效期，开发商们对风力发电的兴趣才被再次点燃。但现在美国国会又声称，要出手阻挠一项在马萨诸塞州海岸外建造风力发电场的计划，该发电场将由130台风力发电机组成，总发电能力为468兆瓦，可以满足科德角、马撒葡萄园岛以及楠塔基特大部分地区的电力需求。

风力发电所面临的阻力，一部分来自于一贯抵制新技术的电力公司，另一部分则来自于所谓“邻避”现象 (NIMBY-ism，系‘Not in My Backyard’的缩写，指公众中存在的一种‘眼不见为净’的心态，即反对政府以自己的家园作为政策规划目标的非理性环保抗争情绪)。普通老百姓担心，在原本一望无垠的田野上竖起无数高大的风力发电塔，会破坏当地景观。这种担心确实也不无道理，但我们更应该考虑到其他发电方式所带来的高昂的社会成本。整个社会对能源需求的增长势头不可遏制，因此抵制风力发电常常就意味着必须新建或扩建化石燃料发电厂，以满足社会对电力的需求，而这类发电设施对环境的破坏，就远不是风景不协调那么简单了。

生物燃料成新宠

目前研究人员也在大力开发所谓的生物燃料，这类燃料有望至少部分取代现在所使用的汽车燃油。美国最常见的生物燃料是乙醇，它一般以玉米为原料进行生产，并且能与汽油混合使用。乙醇生产厂商享受着相当优惠的税收减免待遇：2005年，政府为乙醇生产厂商提供的补贴高达20亿美元，这使他们得以售出超过160亿升的乙醇（占美国当年汽车耗用燃料体积总量的3%）。预计到2007年，乙醇的年产量还将增加50%。部分决策层人士质疑是否有必要对乙醇实行这类优惠政策，他们指出，相关研究表明，种植玉米并以玉米为原料生产乙醇，这个过程所耗费的能量，比生产出来的乙醇所能提供给内燃机的能量还要多。然而，最近我和同事就这个问题进行了分析，发现其中一些研究没有把乙醇生产过程中的副产品所含的能量考虑进去。如果我们把同乙醇生产相关的所有投入与产出数据全部正确地计算进去，那么就可以发现，以乙醇为燃料其实是有赚头的。扣除投入的能量后，每升乙醇可以为我们提供5兆焦耳的净能量。

不过我们也发现，乙醇对温室气体的排放究竟有何影响，是一个更加不容易弄清的问题。最乐观的估计是，用玉米型乙醇取代汽油将使温室气体的排放量减少18%，但是这一数据却受到农业生产中多种不确定因素的干扰，例如，化肥和农业机械的环境成本就是一个相当大的未知数。如果全面考虑所有因素的话，那么使用玉米型乙醇，最高可使温室气体的排放量降低36%，也有可能令排放量不降反升，升幅最高可达29%。推广用玉米生产的乙醇，或许可以帮助美国减少对进口石油的依赖，但对于遏制全球变暖可能就起不到多大的作用了。

然而，如果生产乙醇的原料是纤维素（柳枝稷或白杨之类的木质植物）的话，那么计算结果将大不相同。以玉米为原料生产的乙醇，发酵过程需要用化石燃料来加热，而在生产以纤维素为原料的乙醇时，加热植物糖所用的燃料则是转化过程的副产物——木质素。以木质素为燃料不会使大气中温室气体的含量有任何增加，原因在于，虽然这一燃烧过程会产生二氧化碳，但用来生产乙醇的木质植物在其生长过程中，也会吸收大量的二氧化碳，这样一出一进，两者相抵，大气中二氧化碳含量并未增加。因此，用纤维型乙醇来代替汽油，可以使温室气体排放量减少90%，甚至更多。

另一种很有发展前途的生物燃料，是所谓的绿色柴油。研究人员已经生产出了这种燃料，方法是先将生物质气化（把有机物质加热到足够高的温度，以释放出氢和一氧化碳），然后再运用费-托合成法，将氢和一氧化碳等转化为长链烃(第二次世界大战期间，德国工程师曾通过这类化学反应，以煤为原料生产合成燃油)。最终结果是，得到一种极具市场竞争力的车用液体燃料，这种燃料不会向大气中排放任何温室气体。业界大鳄荷兰壳牌石油公司目前正在仔细考察这项技术。

研究开发是关键

当前，这些可再生能源行业的发展，已经进入或即将进入一个关键阶段。虽然可再生能源有许多别具魅力的优势，但总的说来，它们现在还只是全球能源供应体系中一些无足轻重的小角色。因此，如何加大投资与革新的力度，并加快进入市场的步伐，使它们迅速成长为地区与全球能源供应的主力军，就成为摆在世界各国面前的一个重要课题。眼下，许多国家纷纷在地方和中央一级出台各种优惠政策，积极帮助可再生能源打开市场。政府推行这些优惠政策有着各种各样的理由，比如为了推进能源供应市场的多样化、增强能源供应的安全性、促进行业的发展、扩大就业机遇以及保护当地和全球的环境等。美国已经有20多个州制定了相关标准，规定了用可再生能源发出的电力在电力供应总量中所占比例的底线。德国打算在今后20年中把化石燃料的耗用量削减20%，瑞典则明确表态，以后要彻底弃用化石燃料。

就连美国总统布什，在2006年1月向国会提交的那份著名的国情咨文中也承认，美国人已经患上了“油瘾”综合症。虽然布什没有明确提到全球变暖与过量耗用石油有关，但几乎所有的科学家都一致认为，人类过分沉迷于化石燃料的行为，已经严重影响了地球的气候。现在是采取行动的时候了，而我们期盼已久的解决方案也终于发展到了比较成熟的水平，能够有效地帮助我们改变传统的能源生产和消费模式，做到发展经济和保护环境两不误。然而，在过去25年中，政府和私营企业对能源研究开发领域的投入却日渐萎缩。从1980年到2005年，在美国科研经费总额中，用于能源研究的经费所占的比例从10%猛降到2%。政府每年投入能源研究开发的拨款从80亿美元减少到30亿美元（按2002年美元计），而私营企业用于能源研究的经费也从40亿美元降到10亿美元。

换个角度来分析，可以让我们对美国能源研究所遇到的窘境有了更全面的认识。在上世纪80年代初，能源企业投入的研发经费超过了制药公司，而现在的情况则颠倒了过来，能源行业的研发经费与制药行业相比，足足低了一个数量级。在整个能源行业中，私营公司投入的研发经费，还比不上一家大型生物技术公司投入的科研费用。例如，在2005年，单是安进公司投入的研发经费就达到了23亿美元。研发资金的缩减导致能源行业的革新成果越来越少。以太阳能发电和风力发电为例，这两个领域的研发经费在过去20多年间一降再降，获得批准的专利申请也跟着逐年减少。由于忽视长远研究和规划，过分偏重能迅速赚钱的短期项目，美国应对气候变化和能源危机等重大挑战的能力已经遭到了严重削弱。

从学术界到产业界，从政府高层到媒体舆论，重振美国能源研发能力的呼声日益高涨。美国总统科技顾问委员会1997年的一项调查和全国能源政策委员会2004年的一份报告，均建议联邦政府把投入能源研究开发的资金翻一番。但是研究经费增加一倍是否就够了呢?恐怕还不够。先前已有若干项研究评估了使大气层中的二氧化碳含量趋于稳定所需的成本，还有一些专家考察了能源研发项目所取得的成就以及它们带来的多项新技术所节省的费用。基于这些结果，我的研究小组通过计算确定，美国政府每年需要向能源研发项目投入150亿到300亿美元的资金，相当于现有投资水平的5倍到10倍。

我和我们实验室里的一位博士生格雷格·F·内梅特（Greg F. Nemet）发现，如果投入经费达到我们确定的额度，美国能源领域的研发投资额，将与政府先前组织的一些重大研发项目的投资水平旗鼓相当，如研制原子弹的曼哈顿计划以及阿波罗登月计划等。而这些科研工程除了完成它们自身的既定目标外，还带来了显著的经济效益。美国私营能源公司也完全有能力把它们的研发经费增加10倍，即使如此，能源行业的研发投资也依然低于整个工业界的平均水平。在新兴技术问世之初，政府通过资金投入对新兴技术加以扶持是非常必要的，但新兴技术持续发展的关键，却在于私营企业加强研究开发，只有这样才最有希望发掘出一流的创意，并克服新技术产业化的障碍。

但是，要使洁净能源成为举国关心的重点工程，需要多管齐下，做好各方面的工作，并不只是增加科研投入就万事大吉了。从幼儿园到大专院校，各级学校都应该教育学生了解能源的使用和生产，对社会和自然环境有什么影响，以提高公众对可再生能源的关注度。非赢利机构可以组织各种各样的擂台赛和挑战赛，设定一个具有相当难度的能源目标，例如设计并建造可以实现电力自给自足的房屋，或研制一种仅用1加仑（约为4.55升）燃油便可行驶200英里（1英里约为1.61公里）的汽车，对于最先实现这一目标的公司当予以重奖。这种海选最佳方案的攻关竞赛，可以仿照阿苏加社会改革奖或安萨里X奖的模式来组织。科技界和实业界也应当关注第三世界的可再生能源问题，帮助发展中国家寻找各种清洁而廉价的方式来满足它们的能源需求。例如，在不久前，我和同事曾详细分析了非洲国家改进炉灶所带来的环境效益。

然而，为了打造一个可持续发展的能源经济，最重要的一环或许是建立合理的市场机制，使化石燃料的价格能够真正反映这类燃料所带来的高昂的社会成本。煤、石油和天然气等化石燃料的过度使用，会使整个社会付出异常沉重的代价：空气污染所造成的多种疾病给社会带来沉重的医疗费用负担；确保进口石油供应的稳定需要部署耗资甚巨的军事力量；化石燃料的勘探开采对环境造成极大的破坏；全球变暖则可能对经济造成毁灭性的打击。征收碳税堪称是一种简单方便、合情合理而又透明可行的解决方案，它将鼓励可再生能源的发展，而对那些妨碍经济、破坏环境的能源，碳税可在一定程度上起到抑制的作用。开征碳税所获得的收入，可用来弥补碳排放所带来的某些社会成本，一部分收入还可以用来设立补贴基金，为开征碳税后受影响较大的低收入驾驶员、采煤行业等群体提供补贴。此外，碳税可以和限额交易政策结合起来，清洁能源的供应商可以依据限额交易政策，向他们那些污染严重的竞争对手出售排碳指标。通过采用此类以市场手段为基础的措施，在减少其他污染物排放量的尝试上，美国政府已取得了显著的成效。美国北部的几个州目前正在对温室气体排放交易制度进行试点。

最重要的是，通过经济杠杆的作用，这些措施和政策将极大地调动能源企业开发可再生能源，并推进其产业化的积极性。实际上，美国现在面临着打造一个全新产业的大好机遇。气候变化的巨大威胁，将唤醒沉迷在石油中几乎难以自拔的美国人，促使他们投入到一场大规模的清洁能源技术革命中。这场革命势必将进一步巩固并加强美国的制造业基础，为成千上万的美国人创造新的就业机会，而且还有助于减少美国的国际贸易赤字（因为美国不再需要花费巨额资金进口大量石油，却可以通过出口高效汽车、设备、风力发电机和太阳能电池等产品而赚取大把钞票）。这一变革将使美国能源行业的现状彻底改善，成为推动经济可持续发展的动力源泉，同时又不会危害地球的生态环境。几代人梦寐以求、但又被认为是遥不可及的梦想，终于有希望成为现实了。

充电式复合动力车

可再生的生物燃料如果是用来驱动充电式复合动力车（PHEV），那么它将发挥更为显著的环境效益。PHEV式轿车和货车既装有内燃机，又装有电动机，双剑合璧，可以最大限度地利用燃料中所含的能量，在这一方面，它们与档次较低的汽油-电动车相仿。但与后者不同的是，它们的蓄电池较大，可以插在外部电源插座上充电。PHEV型汽车单靠电力可以行驶一段比较短的距离；如要行驶较长的路程，那么当蓄电池电力不足时，内燃机将接替蓄电池来为汽车提供动力。内燃机与电动机双管齐下，互相配合，可以大大降低汽车的耗油量。现今普通小汽车的燃油效率为每加仑30英里左右(mpg)，非充电式复合动力车(如丰田普锐斯)为50mpg左右，而PHEV则为80mpg到160mpg。如果PHEV的内燃机以掺了汽油的生物燃料（如E85号油）为动力，那么汽油耗量还可以进一步下降。（E85是汽油占15%，乙醇占85%的混合燃油。）

如果美国的所有汽车在一夜间全都换成PHEV，那么美国的石油消耗量将骤降70%以上，从而无须从国外进口石油。从传统汽车过渡到PHEV，就不会再有从车尾不断冒出的滚滚浓烟，因此对于保护地球日益脆弱的气候具有同样深远的意义。由于PHEV所耗用的能量绝大部分来自电网而不是油箱，因此它对环境的影响只限于几千座固定的电厂所排放的污染物，从而改变几亿甚至几十亿辆汽车到处排放废气而造成大面积污染的局面。这种变化将使保护地球气候的艰巨任务，完全集中在减少发电过程中温室气体排放量这个问题上。

PHEV也可能是风雨飘摇的美国汽车行业的一根救命稻草。美国汽车厂商可以对他们的汽车生产线进行升级改造，以生产最新式的充电式复合动力车。由于这类汽车的燃油效率远远高于日本公司目前销售的非充电式复合动力车，美国汽车行业将以此为契机，重新激发竞争活力，从而扭转在外国汽车公司（主要是日本公司）大举进攻下节节败退的局面。从传统汽车过渡到PHEV也将使电力公司获益匪浅，因为绝大多数充电式汽车都将在电费最便宜的夜间充电，这样就有助于缓解用电高峰期和低谷期电力需求量相差太大的矛盾。例如，如果把加利福尼亚州的2,000万辆传统汽车全部改为PHEV，那么夜间电力需求量将会与白天电力需求量相差无几，从而使该州电网得到更合理利用，同时，许多电厂原本一到夜间就因为电力需求量下降而停机，现在也将有用武之地。此外，白天不用的电动汽车，可以在电网负荷吃紧时向当地配电网路供电，以缓解电网所承受的压力。PHEV给供电公司带来的好处实在是太诱人了，因此电力公司说不定会对汽车蓄电池充电开出优惠电价，以便为PHEV的推广助一臂之力。

最重要的是，PHEV并不是只有等到遥远未来才有可能实现的异类汽车。实际上，业界巨头戴姆勒-克莱斯勒公司已经推出了一款PHEV样车，即采用充电式复合动力车设计的梅赛德斯-奔驰凌特车。它的耗油量比采用传统动力装置的同型车低40%。不断涌现的新技术将使蓄电池的能量密度逐步提高，从而大大改进PHEV的效率，使它单靠电力就能行驶更长的路程 [详见《环球科学》2006年第5期《复合动力车加速跑》] 。