互动科普

本月，各国领导人将齐聚丹麦哥本哈根，希望能就减少未来十年内温室气体的排放量达成共识。使用清洁的可再生能源替代化石燃料，是如今实现这一目标最有效的方法。如果各国领导人有信心完成这个资源使用上的转换，他们将签下历史性的协议。我们相信他们会这样做。

一年前，美国前副总统阿尔·戈尔（Al Gore）提出了一项挑战：十年内，美国的电力百分之百替换成无碳电力。当开始评估这种转变的可行性时，我们发现自己面临着一个更大的挑战，也就是找出一种途径，使全球任何形式的能耗能够在2030年前，百分之百地由风能、水能和太阳能来提供。我们的计划会在下文中陈述。

为了构建这一宏图，科学家至少花了十年时间分析各种各样的挑战。最近的要数2009年美国斯坦福大学的一项研究成果，他们按照能源系统对温室效应、环境污染、用水量、土地利用率和对野生生物的影响，以及其他一些受关注的问题，把能源系统的好坏进行了排位。该研究显示，最佳的能源选择是风能、太阳能、地热能、潮汐能以及水力发电——所有这些都是用风、水或太阳光（简称WWS）来发电。核能、施加碳捕集的煤炭和乙醇都是次等的选择，此外还有石油和天然气。该研究还发现，利用WWS充电的蓄电池汽车及氢燃料电池车能大幅消除运输行业带来的污染。

在我们的计划中，需要数以百万计的风力发电机、水力发电机及太阳能发电装置。这个数目虽然很庞大，但也并非无法实现；况且在此之前，这个社会已经成功经历过很多次大规模转型了。二战期间，美国曾改造汽车工厂的设备，生产了30万架飞机，其他国家也生产了48.6万架飞机。1956年，美国又开始建造洲际高速公路系统，35年后高速公路总长达7.56万千米，由此改变了商业与社会的面貌。

全球能源系统转型到底是否可行，能在20年内完成吗？答案取决于我们对技术的选择、关键材料的实用性，以及一些经济和政治因素。

洁净技术“垄断”能源系统

可再生能源有以下几个诱人的来源：一是风，它同时也可以带动水波发电；二是水，包括水力发电、潮汐能和地热能（被地下岩浆加热的水所含有的能量）；三是太阳，包括光伏发电和利用聚焦阳光加热液体驱动涡轮机发电的太阳能热发电。我们的计划是切合实际的，采用的技术多是现在已有的成熟技术，或者是即将成熟而且能够大规模应用的技术，而不是那些只能在二三十年后才能实现的技术。

为了保证能源系统的清洁，我们只考虑能在包括建设、运营和拆除的全生命周期内实现温室气体和空气污染物接近零排放的技术。如果交通工具中燃烧生物质乙醇燃料，即使这种生物燃料的制造过程符合生态要求，燃烧产生的空气污染也与汽油燃烧产生的污染相近。而核能如果考虑建造反应堆、铀提炼以及运输的全过程，碳排放量将是风能的25倍。虽然碳捕集和封存技术可以降低燃煤发电厂的二氧化碳排放量，但它会加剧空气污染以及煤矿开采、运输和加工过程带来的其他有害影响，因为这些过程要燃烧更多的碳，以便为二氧化碳的捕集与储存供能。考虑到这些，我们只会选择采用那些不会产生过多污染物排放以及不受恐怖威胁的能源技术。

在我们的计划中，洁净技术WWS可以为供暖及运输提供电力——只要全球变暖的大趋势还有一线缓解的希望，这些耗能的工业就必须进行相应变革。我们认为，大多数汽油燃料加热系统（包括火炉和烤箱）可以被电力系统代替；大多数化石燃料交通工具也可以被电池和燃料电池交通工具所取替。由WWS电力电解水产生的氢，则可用于驱动燃料电池，为飞机和工业提供燃料。

充足的能源供给

美国能源情报署（U.S. Energy Infor-mation Administration）调查显示，全球能源消耗峰值已达12.5太瓦（TW，万亿瓦）。该机构预计，随着全球人口数量的增加及生活水平的提高，2030年全球能源需求将达16.9太瓦，其中美国需要大约2.8太瓦。与现在的情况非常相似，依然严重依赖化石燃料。然而，如果整个星球都由WWS驱动，没有化石燃料或生物质燃烧，可以节省可观的能源。如果这样的话，全球电力需求就只需11.5太瓦，美国的需求将只有1.8太瓦。出现这种下降的原因在于，在大多数情况下电气化能源使用效率更高。汽油只有17%～20%的能量被用来驱动车辆（其余的转化成为热能而被浪费），而电流将有75%～86%转换成电力，来驱动电动汽车。

即使需求的确达到了16.9太瓦，WWS仍可提供更多能量。综合我们和其他人的研究，全球风能资源达1,700太瓦，太阳能资源达6,500太瓦。当然，跨越公海、高山和保护区的风能和太阳能资源不能被开发利用。如果把这些地域及低风速带除去，我们仍可开发40太瓦~85太瓦风能以及580太瓦太阳能，其中任何一种都远远超过未来人类所需的能源总量。然而迄今为止，我们只转化了0.02太瓦风能以及0.008太瓦太阳能。这些能量来源具有难以置信的潜在储备量。

WWS的其他技术将有助于提供灵活多样的能源选择。尽管所有资源都可以深入开发，但由于实际原因，波浪能只能在沿海区域开发；许多地热能由于储存过深导致开采费用过高；虽然水力发电的运用已超过了其他所有WWS的能量供应，但目前大部分合适的大型水力资源都已经投入使用了。

计划：必需的发电厂

显然，现在地球仍然蕴藏着足够的可再生能源。然而，我们应该怎样过渡到一个新的基础设施建设阶段，从而为全球提供11.5太瓦的电力？我们已经选择了一系列技术组合，以风能与太阳能的混合利用为主，辅以9%的成熟水电供应。（当然风能和太阳能的其他组合运用也可能会很成功。）

风将通过380万台大型风力发电机（每台的额定发电功率为5兆瓦）提供全球51%的电力需求。虽然这个数量听起来很庞大，但全球每年制造的轿车和轻型卡车就达7,300万辆。另外40%的电力来自光伏发电和集中的太阳能热发电厂，其中又有约30%由家庭住宅及商业楼宇的屋顶光伏发电装置提供。由此计算，需要建立约89,000个光伏发电厂和太阳能聚光热发电厂，这些电厂的平均发电功率为300兆瓦。我们的组合能源系统还需要在全球建立900个水电站，其中70%已经到位。

但是，如今只有0.8%的风力发电站已经建成。把全世界380万架的风力发电机聚集起来，它们的占地也超不过50平方千米 （不到上海浦东新区的1/10）。倘若我们把它们必需的间距也算上，它们将占全球土地面积的1%，但我们可以把风力涡轮机间的空闲区域用于农业以及放牧，或作为开放的陆地以及海洋。非屋顶的光伏发电站及太阳能聚光热发电厂需要占据全球约0.33%的土地，构建这样一个大面积的基础设施需要相当长的时间。但是，现在的发电厂网络曾经亦是如此。要记住，如果我们仍旧坚持使用化石燃料，等到2030年电力需求上升到16.9太瓦，需要新增约1.3万个大型燃煤发电厂时，为了支持这些电厂而进行的矿藏开采本身就需要占据更多的土地资源。

原料获取的障碍

WWS的基础设施建设并不是一个障碍，然而建设所需的一些材料的稀缺，或许会造成价格倍增。

现在我们有足够的混凝土和钢材投入百万个风力发电机的建造，而且两种材质都可以充分循环利用。但最难获得的材料可能是稀土金属，例如被用在发电机变速箱内的钕（neodymium）。虽然这类金属并不短缺，但廉价来源主要都集中在中国，所以像美国这样的国家，为了摆脱石油方面对中东的依赖，就不得不在稀土金属方面依赖于远东国家。不过，制造商正在开发无齿轮发电机，因此材料方面的这一障碍或许可以被跨越。

光伏电池依靠的是多晶硅、单晶硅、碲化镉（cadmium telluride）、铜铟硒（copper indium selenide）和硫化物（sulfide）。碲、铟短缺可能会影响某几类太阳能薄膜电池的发展前景，不过不会影响所有薄膜电池；其他类型的电池可以弥补这一不足。大规模生产可能会由于电池中银的需求而受限，但如果找到减少银用量的办法，就仍能轻松地迈过这道坎。从旧电池中回收部分材料也可以减缓原料获取的困境。

而在生产数百万辆电动车时，又有三个部件可能会对批量生产电动车提出挑战，它们是电动机所需的稀土金属、锂离子电池所需的锂和燃料电池所需的铂。全世界半数以上的锂储量都在玻利维亚和智利。这种集中和迅速增长的需求会显著提高其价格。更令人头疼的是，莫瑞迪安国际研究中心（Meridian International Research）声称：现在能够经济划算地开采的锂，不足以生产全球电动车大致所需的电池数量。循环使用可以改变现状，但循环使用的经济性，部分取决于生产电池时是否考虑了可回收性（电池行业已意识到了这个问题）。铂的长期利用也取决于材料回收，如果要满足每年2,000万辆燃料电池车以及现有工业使用的需求，当前可用的铂储备只能维持不到100年。

智能组合保障电力安全

新的基础设施至少必须拥有和现有设施一样的可靠性。WWS技术的停机时间通常会比传统技术更少。美国的火力发电厂平均每年有12.5%时间用于定期或不定期的维修。目前的风力发电机在陆地上只有不到2%的停机时间，在海上也少于5%，光伏发电系统同样低于2%。不仅如此，如果其中的单独一台风力、太阳能、或波浪能发电装置受到损坏，只会有小部分的电力生产受到影响。但如果一个燃煤、核能或天然气发电厂停止供电，就会产生大面积区域供电受限。

WWS最主要的问题在于，风不可能一直吹，阳光也不可能一直明媚。这种能量来源间歇性中断的问题，可以通过不同电力资源之间的平衡配置来缓解，例如用稳定的地热能和潮汐能作为基本电力来源，夜间依靠风力发电（风一般夜间比较强），白天利用太阳能发电，再转化成比较可靠的能源。比如，我们可以根据供电峰谷调整电力供应的水电蓄能电站，从而保障供电稳定。地理上分散但又互连的能量系统也对我们有所帮助，它们可以互相支持、互为补充。举个例子来说，间隔150~300千米并相互连接的风电场，哪怕其中一处一连几个小时都没有风吹过发不了电，其他地方的风电仍能维持并弥补这种零功率状态。在各家各户安装智能仪表自动在用电低峰时为电动车充电，通过建造设施储存能源以备不时之需，也可以起到一定的作用。

由于强风（特别是暴风）天气里一般阳光很少，阳光明媚的日子中风又很弱，因此风能与太阳能的结合使用可以满足长远的需求，特别是那些有地热发电作为稳定基础、又有水力发电提供及时电力补救作为后盾的地区。

如煤电般低廉

在我们的计划里，WWS的混合能源系统能够可靠提供居住、商业、工业以及交通用电。按照逻辑关系来说，下一个问题是，使用者能否负担得起这些能耗的费用。对于每一项技术，我们都要计算生产和输送能量过程中会耗费多少成本，还会总体结算年度的资产、土地、运营、维护费用，以及为防止供应和输送能源间断而进行的能源贮藏的成本。现在，风能、地热能、水能发电的成本都低于每千瓦时7美分，潮汐能和太阳能的成本会略高。但到2020年以后，水能和潮汐能的价格会比风能更便宜，达到每千瓦时4美分。

作为比较，2007年美国常规能源的发电和传输成本约为每千瓦时7美分，预计2020年这个数字将变成8美分。风能发电的成本已经与火力发电或天然气发电的成本相仿，甚至更低。预计在未来，风能将变成运营成本最低的能源。风能的低成本带来的强大竞争力，已经使它成为过去三年美国新建发电厂数量中仅次于天然气，超过了处于第三位的煤炭。

目前太阳能还比较昂贵，但是到2020年前后，它就将具有强大的竞争力。美国布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的瓦西利斯·福塞纳基斯（Vasilis Fthenakis）分析指出，未来十年内，光伏发电系统的成本会降至大约每千瓦时10美分，其中已经包含了长距离能量运输的费用，以及为了能在夜晚供能而安装的压缩空气式能量储存装置的成本。同一份分析报告还指出，装配有足够多储热器的集中式太阳能热发电系统，能在春、夏和秋季全天候提供成本不高于每千瓦时10美分的电能。

在WWS供能的世界里，交通工具将由普通电池或燃料电池驱动，所以我们有必要比较这些电动车与内燃机引擎汽车的经济性。本文作者之一（德卢基）和加利福尼亚大学伯克利分校的蒂姆·李普曼（Tim Lipman）指出，当汽油价格超过每加仑2美元（约每升0.53美元）时，使用批量生产的、配有先进锂离子或镍氢电池的电动汽车的行驶成本（包含电池更换的成本） 便可以和汽油车竞争。

如果把化石燃料发电时所谓的外部成本（对人类健康、环境和气候造成损害的货币价值）也纳入考虑的范围，WWS技术就更具有成本竞争力。

20年间，全球WWS能源系统的总体造价在100万亿美元左右，这还不包括传输成本。但是并不需要政府或消费者出钱，这些投资只需要电力和能源销售就能返还。同样，将传统能源产量从12.5万亿瓦提高至16.9万亿瓦，需要新建成千上万个传统发电厂，也要耗资约10万亿美元，这还不包括花在健康、环境和安全保障方面的几十万亿美元。WWS计划将给世界一个新的、干净的高效能源系统，而不是一个古板的、脏乱的低效率能源系统。

政治意向

我们的分析有力地表明，WWS能源的成本将能够与传统能源竞争。但在过渡时期，WWS能源系统的花费毫无疑问会比化石能源更大。因此在一段时间内，对WWS的联合补助以及对二氧化碳排放收取碳税将非常必要。填补生产成本和电力售价之间差额的上网电价优惠政策（feed-in tariff，FIT）对于推广新技术特别有效。将上网电价优惠政策与所谓的价格递减式拍卖（declining clock auction）相结合，即通过网上竞价将电力卖给电网，可以刺激WWS的开发者不断争取更低的成本。一旦这种方式步入正轨，上网电价优惠政策便可逐渐淘汰。上网电价优惠政策已经在许多欧洲国家和美国的部分州实施，并且在德国为发展太阳能产业做出了卓著的贡献。

出于环境危害而对化石燃料及其使用征税也有作用。至少，现在对化石燃料勘探和开采的税收优惠政策应该取消，以恢复公平竞争的局面。对一些前景不如WWS的替代能源进行不合理的政策鼓励，诸如为了支持生物能源而发放的农业生产税等，也应该尽早结束，因为它将大大延缓更清洁能源系统的建立。从立法者的角度来说，必须设法抵抗传统能源行业的游说。

最后，每个国家都需要自觉地建立一个输电系统，能够从极其偏远的地方（在美国通常是大平原那种风能特别充足或是西南部沙漠那种太阳能特别充足的地方）把WWS能源长距离地稳定运输到能耗中心（通常是消费聚集的地方，最典型的例子就是城市）。减少高峰期消费者的用电需求也需要一个智能化的供电网络，让消费者和发电厂对每小时的用电量施加更严格的控制。

一个大规模的风能、水能和太阳能系统可以给全球需求提供可靠保障，并给气候、空气质量、水质量、生态和能源安全带来显著益处。就像我们已经谈到的，现在我们面临的最主要障碍不在于技术，而在于政治。上网电价优惠政策和鼓励供应商削减成本政策的结合，加上取消化石燃料补贴和合理扩大供电网络，足以确保WWS能源系统的快速推广。当然，要改变和调整现实世界的能源和运输行业，我们就不得不考虑现有基础设施中的原始投资成本及未来的增量收益。但如果有明智的政策，各国就可以确定目标，让WWS能源在10至15年内占到该国新能源的25%，在20至30年内占到几乎100%。在最激进的政策支持下，所有现有的化石燃料发电设备理论上可以在同一时期内取缔使用并完成能源替换，采用最温和的政策的话，这一替代过程则需要40至50年。不管选择哪一条路，都需要有英明领导，否则就会继续沿用产业界支持的技术，而不会去尝试科学家选择的技术。

10年前，我们还不清楚一个全球WWS系统在技术上或经济上是否可行。现在我们已经证明它是可行的，我们希望全世界的领导人也能共同解决WWS系统在政治上的可行性。作为第一步，他们可以针对气候环境和可再生能源制定一个切实可行的目标。