.gif)
12 月，来自世界各地的领导人将齐聚哥本哈根，试图就未来几十年削减温室气体排放达成一致。实施该目标最有效的步骤将是从化石燃料大规模转向清洁、可再生能源。如果领导人确信这种转变是可能的，他们可能会承诺达成一项历史性协议。我们认为他们可以。
一年前，美国前副总统戈尔发起了挑战：在 10 年内用 100% 无碳电力为美国重新供电。当我们两人开始评估这种改变的可行性时，我们接受了更大的挑战：确定到 2030 年，如何通过风能、水能和太阳能资源为世界 所有 用途提供 100% 的能源。我们的计划在此 प्रस्तुत。
科学家们至少在过去十年中一直在为此刻做准备，分析挑战的各个方面。最近，2009 年斯坦福大学的一项研究根据能源系统对全球变暖、污染、供水、土地利用、野生动物和其他问题的影响对其进行了排名。最佳选择是风能、太阳能、地热能、潮汐能和水力发电——所有这些都由风、水或阳光（统称为 WWS）驱动。核能、碳捕获煤炭和乙醇都是较差的选择，石油和天然气也是如此。该研究还发现，由 WWS 选项充电的电池电动汽车和氢燃料电池汽车将在很大程度上消除交通运输部门的污染。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
我们的计划需要数百万台风力涡轮机、水力机械和太阳能装置。数量很大，但规模并非不可逾越的障碍；社会以前也曾实现过大规模转型。在第二次世界大战期间，美国将汽车工厂改造成生产 30 万架飞机，其他国家又生产了 48.6 万架飞机。1956 年，美国开始建设州际公路系统，该系统在 35 年后延伸了 47,000 英里，改变了商业和社会。
改造世界能源系统是否可行？能否在二十年内完成？答案取决于所选择的技术、关键材料的可用性以及经济和政治因素。
仅限清洁技术
可再生能源来自诱人的来源：风，它也产生波浪；水，包括水力、潮汐和地热能（地下热岩加热的水）；以及太阳，包括光伏和聚光太阳能发电厂，它们聚焦阳光以加热流体，从而驱动涡轮机发电。我们的计划仅包括今天大规模运行或接近运行的技术，而不是可能在 20 或 30 年后才出现的技术。
为了确保我们的系统保持清洁，我们只考虑在整个生命周期内温室气体和空气污染物排放量接近于零的技术，包括建设、运营和退役。例如，即使是最符合生态要求的乙醇来源，在车辆中燃烧时也会产生空气污染，其死亡率水平与燃烧汽油时相同。考虑到反应堆建设以及铀提炼和运输，核能产生的碳排放量是风能的 25 倍。碳捕获和封存技术可以减少燃煤电厂的二氧化碳排放，但会增加空气污染物，并将延长煤矿开采、运输和加工的所有其他有害影响，因为必须燃烧更多的煤来为捕获和储存步骤提供动力。同样，我们只考虑不会带来重大废物处理或恐怖主义风险的技术。
在我们的计划中，WWS 将为供暖和交通运输行业提供电力——如果世界希望减缓气候变化，这些行业将不得不进行改造。我们假设大多数化石燃料供暖（以及烤箱和炉灶）可以被电力系统取代，而大多数化石燃料运输可以被电池和燃料电池汽车取代。氢气通过使用 WWS 电力分解水（电解）产生，将为燃料电池提供动力，并在飞机和工业中燃烧。
充足的供应
根据美国能源信息署的数据，目前全球任何给定时刻的最大电力消耗约为 12.5 万亿瓦（太瓦，或 TW）。该机构预测，到 2030 年，随着全球人口和生活水平的提高，世界将需要 16.9 TW 的电力，其中美国约为 2.8 TW。能源来源的组合与今天相似，严重依赖化石燃料。然而，如果地球完全由 WWS 供电，而不燃烧化石燃料或生物质，将会出现一个有趣的节省。全球电力需求将仅为 11.5 TW，美国需求将为 1.8 TW。下降的原因是，在大多数情况下，电气化是一种更有效利用能源的方式。例如，汽油中只有 17% 到 20% 的能量用于移动车辆（其余作为热量浪费），而输送到电动汽车的电力中有 75% 到 86% 用于运动。
即使需求确实上升到 16.9 TW，WWS 来源也可能提供更多的电力。我们和其他人的详细研究表明，全球风能约为 1,700 TW。仅太阳能就提供了 6,500 TW。当然，公海、高山和保护区上的风能和太阳能将无法利用。如果我们减去这些区域和不太可能开发的低风区域，我们仍然剩下 40 到 85 TW 的风能和 580 TW 的太阳能，均远远超出未来人类的需求。然而，目前我们仅产生 0.02 TW 的风能和 0.008 TW 的太阳能。这些来源蕴藏着令人难以置信的未开发潜力。
其他 WWS 技术将有助于创建灵活的选择范围。尽管所有来源都可以大大扩展，但出于实际原因，波浪能只能在沿海地区提取。许多地热资源太深，无法经济地开采。即使水力发电现在超过所有其他 WWS 来源，但大多数合适的大型水库都已在使用中。
计划：所需的发电厂
显然，存在足够的可再生能源。那么，我们如何过渡到新的基础设施来为世界提供 11.5 TW 的电力呢？我们选择了一种强调风能和太阳能的技术组合，其中约 9% 的需求由成熟的水相关方法满足。（其他风能和太阳能的组合也可能同样成功。）
风能供应 51% 的需求，由全球 380 万台大型风力涡轮机（每台额定功率为 5 兆瓦）提供。虽然这个数量听起来可能很大，但有趣的是，世界每年生产 7300 万辆汽车和轻型卡车。另外 40% 的电力来自光伏和聚光太阳能电站，其中约 30% 的光伏输出来自住宅和商业建筑的屋顶面板。大约需要 89,000 座光伏和聚光太阳能发电厂，平均每座 300 兆瓦。我们的组合还包括全球 900 座水电站，其中 70% 已经到位。
今天，风能基地的装机容量仅占约 0.8%。380 万台涡轮机的全球足迹将小于 50 平方公里（小于曼哈顿）。当计算出它们之间所需的间距时，它们将占用地球陆地的约 1%，但涡轮机之间的空地可以用于农业或畜牧业，或作为空地或海洋。非屋顶光伏和聚光太阳能电站将占用地球陆地的约 0.33%。建设如此广泛的基础设施需要时间。但当前的发电厂网络也是如此。请记住，如果我们坚持使用化石燃料，到 2030 年需求将上升到 16.9 TW，需要大约 13,000 座大型新燃煤电厂，这些电厂本身将占用更多的土地，为它们提供燃料的煤矿开采也将占用更多的土地。
材料障碍
WWS 基础设施的规模不是障碍。但是，建造它所需的一些材料可能会稀缺或受到价格操纵。
数百万台风力涡轮机有足够的混凝土和钢铁，这两种商品都是完全可回收的。最成问题的材料可能是稀土金属，例如涡轮机齿轮箱中使用的钕。尽管这些金属供应充足，但低成本来源集中在中国，因此美国等国家可能会将对中东石油的依赖转变为对远东金属的依赖。然而，制造商正在转向无齿轮涡轮机，因此这种限制可能会变得无关紧要。
光伏电池依赖于非晶硅或晶体硅、碲化镉或硒化铜铟和硫化物。碲和铟的供应有限可能会降低某些类型的薄膜太阳能电池的前景，但并非所有类型；其他类型或许能够弥补不足。大规模生产可能会受到电池所需的银的限制，但寻找减少银含量的方法可以解决这一障碍。回收旧电池的部件也可以缓解材料困难。
三个组件可能会对建造数百万辆电动汽车构成挑战：电动马达的稀土金属、锂离子电池的锂和燃料电池的铂。全球一半以上的锂储量位于玻利维亚和智利。这种集中度，加上快速增长的需求，可能会显着提高价格。更成问题的是 Meridian International Research 声称，经济上可回收的锂不足以建造全球电动汽车经济中所需的电池数量。回收可以改变这种局面，但回收的经济性部分取决于电池的制造是否考虑到易于回收，这是该行业意识到的一个问题。铂的长期使用也取决于回收；目前的可用储量将支持每年生产 2000 万辆燃料电池汽车，以及现有工业用途，不到 100 年。
智能组合以提高可靠性
新的基础设施必须至少像现有基础设施一样可靠地按需提供能源。WWS 技术的停机时间通常比传统来源少。美国燃煤电厂的平均年停机时间为 12.5%，用于计划内和计划外维护。现代陆上风力涡轮机的停机时间不到 2%，海上风力涡轮机的停机时间不到 5%。光伏系统的停机时间也低于 2%。此外，当单个风能、太阳能或波浪能设备停机时，只有一小部分产量会受到影响；当燃煤、核能或天然气电厂停机时，会损失大量发电量。
WWS 的主要挑战是，风并不总是在吹，太阳也并不总是在特定地点照射。间歇性问题可以通过智能的能源组合来缓解，例如从稳定的地热能或潮汐能发电提供基本供应，在通常风力充足的夜间依靠风能，白天使用太阳能，并转向可靠的能源（如水力发电），它可以快速开启和关闭以平稳供应或满足高峰需求。例如，互连仅相距 100 到 200 英里的风电场可以补偿任何一个风电场在无风时数小时的零功率。同样有帮助的是互连地理位置分散的能源，以便它们可以相互备份，在家中安装智能电表，以便在需求较低时自动为电动汽车充电，以及建造用于存储电力以供以后使用的设施。
由于风通常在暴风雨天气中吹，而太阳不照射，而太阳通常在风小的平静天气中照射，因此将风能和太阳能结合起来可以在很大程度上满足需求，特别是当利用地热能提供稳定的基础，并可以调用水力发电来填补空白时。
与煤炭一样便宜
我们计划中的 WWS 能源组合可以可靠地为住宅、商业、工业和交通运输部门供电。下一个合乎逻辑的问题是电力是否负担得起。对于每种技术，我们计算了生产者发电并将其输送到电网的成本。我们包括了资本、土地、运营、维护、能源存储（以帮助抵消间歇性供应）和输电的年化成本。今天，风能、地热能和水力发电的成本都低于每千瓦时 7 美分 (¢/kWh)；波浪能和太阳能更高。但到 2020 年及以后，风能、波浪能和水力发电预计将为 4¢/kWh 或更低。
相比之下，2007 年美国传统发电和输电的平均成本约为 7¢/kWh，预计到 2020 年将达到 8¢/kWh。例如，风力涡轮机发电的成本已经与新建燃煤或天然气电厂的成本大致相同甚至更低，而且未来风力发电预计将成为所有选项中成本最低的。风能的竞争成本使其成为过去三年美国第二大新增电力来源，仅次于天然气，领先于煤炭。
太阳能现在相对昂贵，但最早应在 2020 年具有竞争力。布鲁克海文国家实验室的 Vasilis Fthenakis 进行的仔细分析表明，在 10 年内，光伏系统成本可能会降至约 10¢/kWh，包括长途输电和夜间使用的压缩空气储能成本。同样的分析估计，具有足够的热能存储以在春季、夏季和秋季每天 24 小时发电的聚光太阳能发电系统可以以 10¢/kWh 或更低的价格输送电力。
WWS 世界中的交通运输将由电池或燃料电池驱动，因此我们应该将这些电动汽车的经济性与内燃机汽车的经济性进行比较。我们中的一位（德鲁奇）和加州大学伯克利分校的蒂姆·利普曼进行的详细分析表明，当汽油价格超过每加仑 2 美元时，大规模生产的配备先进锂离子或镍金属氢化物电池的电动汽车的每英里全寿命成本（包括电池更换）可以与汽油汽车的成本相媲美。
当考虑到化石燃料发电的所谓外部成本（对人类健康、环境和气候造成的损害的货币价值）时，WWS 技术变得更具成本竞争力。
全球 WWS 系统的总体建设成本可能在 20 年内达到 100 万亿美元左右，不包括输电。但这并非政府或消费者支出的资金。这是通过销售电力和能源获得回报的投资。再次强调，依靠传统能源将使产量从 12.5 TW 提高到 16.9 TW，需要增加数千座此类电厂，耗资约 10 万亿美元，更不用说在健康、环境和安全方面的数百亿美元成本。WWS 计划为世界提供了一个新的、清洁的、高效的能源系统，而不是一个旧的、肮脏的、低效的能源系统。
政治意愿
我们的分析强烈表明，WWS 的成本将与传统能源具有竞争力。然而，在此期间，某些形式的 WWS 电力将明显高于化石能源。因此，在一段时间内，需要某种形式的 WWS 补贴和碳税。上网电价 (FIT) 计划旨在弥补发电成本与批发电价之间的差额，对于扩大新技术规模尤其有效。将 FIT 与所谓的降价时钟拍卖相结合，其中向电网售电的权利授予出价最低者，为 WWS 开发商提供了持续降低成本的激励。随着这种情况的发生，FIT 可以逐步取消。FIT 已在许多欧洲国家和一些美国州实施，并在刺激德国的太阳能发电方面非常成功。
对化石燃料或其使用征税以反映其环境损害也是有道理的。但至少，应取消对化石能源的现有补贴，例如勘探和开采的税收优惠，以创造公平的竞争环境。还应结束对不如 WWS 电力理想的替代品的错误推广，例如对生物燃料的农业和生产补贴，因为它会延迟更清洁系统的部署。就政策制定者而言，立法者必须找到抵制根深蒂固的能源行业游说的方式。
最后，每个国家都需要愿意投资于强大的长途输电系统，该系统可以将大量 WWS 电力从通常最大的偏远地区（例如美国大平原的风能和西南沙漠的太阳能）输送到通常是城市的消费中心。在高峰使用期减少消费者需求也需要智能电网，以便发电机和消费者可以更好地控制每小时的用电量。
大规模的风能、水能和太阳能系统可以可靠地满足世界的需求，显着改善气候、空气质量、水质量、生态和能源安全。正如我们所展示的，障碍主要是政治性的，而不是技术性的。上网电价加上激励提供商降低成本、取消化石补贴和智能扩展电网的组合可能足以确保快速部署。当然，现实世界的电力和交通运输行业的变革将不得不克服对现有基础设施的沉没投资。但凭借明智的政策，各国可以设定在 10 到 15 年内用 WWS 能源来源产生 25% 的新增能源供应，并在 20 到 30 年内几乎 100% 的新增能源供应的目标。通过极其积极的政策，所有现有的化石燃料产能理论上都可以在同一时期内退役和更换，但采用更温和且可能的政策，完全更换可能需要 40 到 50 年。无论哪种方式，都需要明确的领导，否则各国将继续尝试行业推广的技术，而不是经过科学家审查的技术。
十年前，全球 WWS 系统在技术上或经济上是否可行尚不清楚。在证明它是可行的之后，我们希望全球领导人能够弄清楚如何使 WWS 电力在政治上也是可行的。他们现在可以从承诺有意义的气候和可再生能源目标开始。
注意：本文最初印刷时标题为“到 2030 年实现可持续能源的道路”。