可再生能源可能以迅雷不及掩耳之势席卷全球。 这是著名倡导者阿莫里·洛文斯在 1976 年设想的。他声称，到 2000 年，美国 33% 的能源将来自许多小型、分散的可再生能源。几十年后，在 2008 年 7 月，环保主义者阿尔·戈尔声称，在十年内彻底改造该国的电力供应将是“可实现、可负担和变革性的”。 2009 年 11 月，马克·雅各布森和马克·德卢奇在《大众科学》上发表了“通过可再生能源为地球 100% 供电的计划”，提出了在短短二十年内将全球能源供应完全转变为可再生能源的计划。
然而，从 1990 年到 2012 年，世界化石燃料能源几乎没有变化，仅从 88% 下降到 87%。 2011 年，可再生能源产生的美国能源供应不到 10%，而且其中大部分来自“旧”可再生能源，例如水力发电厂和木材作业产生的木材废料燃烧。 经过 20 多年的高额补贴发展，风能、太阳能等新型可再生能源以及玉米乙醇等现代生物燃料仅占该国能源供应的 3.35%。
这种能源转型速度缓慢并不令人惊讶。 事实上，这是预料之中的。 在美国和世界各地，每次从一种主要燃料向另一种燃料的广泛转型都需要 50 到 60 年。 首先是从木材转向煤炭。 然后从煤炭转向石油。 美国目前正在经历第三次重大能源转型，即从煤炭和石油转向天然气。 2001 年至 2012 年间，美国的煤炭消费量下降了 20%，原油消费量下降了 7%；与此同时，天然气消费量上升了 14%。 然而，即使天然气储量丰富、清洁且价格合理，天然气的使用量要超过煤炭消费量还需要一二十年的时间，而煤炭仍然占美国电力供应的三分之一以上。
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可再生能源的普及速度并不比其他新型燃料曾经的速度快，而且没有技术或经济理由相信它们会更快地普及，部分原因是全球能源需求正在飙升，使得天然气，更不用说可再生能源，难以仅仅跟上需求。
一些国家的变化可能会更快，但全球向可再生能源的转变将缓慢进行，尤其是在当前向天然气转变的过程中。 当然，颠覆性技术或革命性政策始终有可能加速变革。 但能源转型需要很长时间。
从木材到煤炭再到石油
今天对快速而彻底地向可再生能源转型的巨大希望，主要源于一厢情愿和对近期历史的误解。 大多数人认为，19 世纪的世界能源消耗——快速工业化时代——以煤炭为主，20 世纪是石油时代，而我们当前的世纪将属于可再生能源。 前两个印象是错误的； 最后一个印象仍然值得怀疑。
即使在工业机器兴起的情况下，19 世纪也不是靠煤炭运行的。 它靠木材、木炭和作物残茬（主要是谷物秸秆）运行，这些物质提供了全球 85% 的能源——大约 2.4 尧焦耳（YJ，1 × 1024 焦耳）。 煤炭在 1840 年左右开始供应超过 5% 的燃料能源，但到 1900 年，仍仅供应约一半的需求。 从 5% 上升到 50% 花费了 50 到 60 年。 相当不错的美国统计数据显示，1885 年是化石燃料（主要是煤炭、少量原油和极少量天然气）供应的能源超过木材和木炭提供能源的那一年。 转折点发生在 1875 年的法国和 1901 年的日本，但在 1930 年的苏联、1965 年的中国和 1970 年代后期的印度才发生。
同样，在 20 世纪，最大的能源来源不是石油，而是煤炭。 在 1910 年代，烟煤和褐煤在全球燃料消费中所占份额最高，约为 55%。 但当时已经使用的原油直到 1964 年才超过煤炭。
然而，由于煤炭相对重要性的下降伴随着全球能源需求的稳步增长，因此从绝对量来看，煤炭——而不是原油——最终成为 20 世纪最重要的燃料：煤炭贡献了约 5.3 YJ 的能源，而石油为 4 YJ。 只有两个主要经济体完成了第三次化石燃料转型； 天然气在 1984 年的苏联和 1999 年的英国超过了原油消费量。
我证明转型是渐进且漫长的一种方式是绘制能源来源上升速度的图表。 我从燃料达到总供应量的 5% 时开始计数，然后查看它何时达到主导地位的程度。
三次连续的转变具有有趣的相似之处 [参见方框]。 煤炭（取代木材）在 1840 年左右达到全球市场的 5%，1855 年达到 10%，1865 年达到 15%，1870 年达到 20%，1875 年达到 25%，1885 年达到 33%，1895 年达到 40%，1900 年达到 50%。 达到这些里程碑所需的年份顺序是 15-25-30-35-45-55-60。 石油取代煤炭的间隔（从 1915 年的 5% 水平开始）几乎相同。
天然气在 1930 年左右达到全球燃料市场的 5%。 它在 20-30-40-55 年的顺序中已达到供应量的 10%、15%、20% 和 25%，现在正朝着达到总量的 33% 迈进。 如果我们比较数字序列，我们会发现天然气达到整体市场 25% 的份额花费了明显更长的时间，大约 55 年，而煤炭为 35 年，石油为 40 年。
仅仅三个序列并不能决定未来全球能源转型的节奏。 安全且廉价的核能的真正突破或真正廉价且高效地存储风能和太阳能产生的海量能源的方式可能会加速另一次变革。 但两个世纪以来三次全球转型的相似节奏是引人注目的，尤其是在燃料需要非常不同的生产技术、分配渠道和机械才能将其转化为可用电力的情况下——无论是火车的柴油发动机还是房屋的熔炉。 在全球范围内，任何新的能源要占据很大的市场份额，都需要两到三代人的巨大投资和基础设施：50 到 75 年。
向可再生能源的挑战性转变
到目前为止，可再生能源技术的进程同样缓慢。 2011 年，可再生能源产生了美国 9.39% 的能源：在 97.301 千万亿 BTU 的总消耗量中，可再生能源为 9.135 千万亿 BTU（相当于约 103 昆焦耳）。 传统可再生能源供应了 6.01%：水力发电厂 3.25%，木材（主要是伐木作业产生的废料）2.04%，其余少量来自生物质能和地热。“新型”可再生能源仍然微不足道：液体生物燃料占 2.0%，风能占 1.19%，太阳能占 0.16%。
新型可再生能源的总量 3.35% 是一个重要的数字。 美国可再生能源供应未来几乎所有的增长都将来自这些来源，因为旧的可再生能源，特别是水力发电，进一步增长的潜力非常有限。
向可再生能源的转型尤其具有挑战性，原因有几个。 首先是规模。 2012 年，全球化石能源的使用量约为 450 艾焦耳（1 × 1018 焦耳），是 1890 年代煤炭超过木材时的 20 倍。 仅仅使用任何新的能源来源来产生如此多的能源就令人望而生畏，而且其中很大一部分必须来自美国，美国目前消耗了世界总量的近五分之一。
另一个因素是风能和太阳能的间歇性。 现代社会需要可靠、不间断的电力供应，并且越来越多的电力需求在夜间用于为空调和特大城市的电子基础设施供电，从地铁到互联网服务器。 煤电厂和核电厂提供美国的电力“基本负荷”——即全天候稳定产生的电力份额。 水力发电厂和天然气发电厂可以快速启动和关闭，通常提供满足短期但高需求的额外电力，这些需求远高于某些时段的基本负荷。
风能和太阳能可以为基本负荷做出贡献，但它们本身无法供应所有基本负荷，因为风不会总是吹，太阳在晚上落下，而且这种供应无法可靠预测。 在德国等可再生能源已大幅增长的国家，风能和太阳能可能在某些阳光充足和多风的时段供应从微不足道到大约一半的总需求。 这些巨大的波动需要其他发电厂（通常是煤电厂或天然气发电厂）的备用，或增加电力进口。 在德国，所有这些可变性都可能对一些邻国的电力流动造成严重中断。
如果电力公司有一种廉价的方式来存储风能和太阳能在需求低时产生的海量过剩电力，这些电力可以稍后被利用来满足峰值需求，那么新型可再生能源的扩张速度将快得多。 不幸的是，数十年的发展只提供了一种良好的大型解决方案：将水抽到高架水库，以便水可以流回通过涡轮机发电。 没有多少地方有海拔变化或空间来使其发挥作用，而且该过程会造成净能量损失。
另一种解决方案是在一个大的区域（相当于一个主要国家或半个大陆的规模）建造大量的风能和太阳能发电厂，并通过输电线路将它们连接起来，最大限度地提高一部分电厂始终为电网供电的可能性。 更好和更长的输电线路在技术上是可行的，但建造起来很昂贵，并且经常面临当地的强烈反对：毫不奇怪，美国和德国新线路的审批都在缓慢进行。
最终，大规模采用可再生能源将需要从根本上重塑我们现代的能源基础设施。 对于电力而言，这将需要从相对少量的大型火力或水力发电厂转变为数量更多的小型、分布式风能和太阳能系统。 对于液体燃料而言，这将需要从提取高能量密度的石油转向生产低能量密度的生物燃料。 在许多方面，向可再生能源的转型比先前从煤炭到石油再到天然气的转变更具挑战性。
导致转型漫长的最后一个因素是现有基础设施的规模和成本。 即使我们被免费赠予可再生能源，各国、企业或市政当局放弃它们在化石燃料系统（从煤矿、油井、天然气管道和炼油厂到数百万个当地加油站）中进行的巨额投资在经济上也是不可思议的——这些基础设施在全球的价值至少为 20 万亿美元。 根据我的计算，仅中国在 2001 年至 2010 年间就花费了 5000 亿美元，增加了近 300 吉瓦的新增燃煤发电能力——超过了德国、法国、英国、意大利和西班牙的化石燃料发电能力的总和——并且预计这些电厂将运行至少 30 年。 没有哪个国家会放弃如此巨额的投资。
怎么办？
请允许我澄清一点。 有许多环境原因可以减少对化石燃料的依赖，甚至超越了减少温室气体排放的目标。 燃烧化石燃料会排放导致酸雨和光化学烟雾的硫氧化物和氮氧化物、加剧全球变暖的黑碳以及危害人类健康的重金属。 依赖化石燃料还会造成水污染和破坏土地。 转向非化石能源在环境上是可取的，尽管一些替代能源也会产生重大的环境影响。
如何尽可能有效地实现这一目标才是真正的问题。 了解转型将需要数十年时间，这使得许多政策选择变得清晰。 美国和世界的能源和环境政策一直令人沮丧。 我们需要的不是一厢情愿推动的短期时尚，而是基于现实预期的长期政策，我们应该做出无悔的选择，而不是仓促、考虑不周的承诺。
做到这一点的一种方法是避免挑选能源赢家。 政府无法预见哪些有希望的研发活动将率先进入自由市场，因此它们不应一直挑选明显的赢家，只是为了很快放弃它们而选择下一个流行的选项（还记得快中子增殖反应堆或以氢气为燃料的燃料电池汽车吗？）。 在各种研究活动上投入资金是最佳策略：谁会在 1980 年猜到，在接下来的三十年里，联邦政府在能源创新方面的最佳投资回报将不是来自核反应堆或光伏电池的工作，而是来自页岩沉积物的水平钻井和水力压裂（“压裂”）的工作？
政府也不应向那些跳上最新能源潮流的公司提供巨额补贴或贷款担保，Solyndra 就是一个例证，这是一家光伏太阳能系统制造商，在迅速破产之前从美国政府获得了 5.35 亿美元。 补贴可以加速新兴能源转型的进步，但它们应以现实的评估为指导，并且需要持续的承诺，而不是从一个被夸大的“解决方案”转向另一个。
与此同时，所有形式的能源价格都应尽可能反映真实成本，其中包括产生该能源的直接以及长期环境和健康影响。 这些影响范围从燃烧化石燃料产生的温室气体和黑碳，到种植玉米生产乙醇造成的土壤侵蚀、氮径流和水资源枯竭，再到连接遥远的风能和太阳能发电场的超高压超级电网的成本。 这种现实检验可以揭示能源来源的长期优势。
加速向可再生能源逐步转型的最重要方法是降低总体能源使用量。 需求增长越快，就越难供应其中的很大一部分。 最近的研究表明，无论是在富裕世界还是在快速现代化的国家（尤其是通过提高效率），将能源使用量减少三分之一都不存在不可克服的技术难题。 随着我们减少需求，我们可以淘汰旧的化石能源。 富裕国家的人民和政治家也必须接受这样一个事实，即在过去半个世纪里，能源价格虽然在上涨，但从历史角度来看一直非常低廉。 富裕国家应该支付更多费用，以适当考虑能源对环境和健康的影响。
国家或全球范围内的能源转型本质上是旷日持久的事情。 从化石燃料向可再生能源的逐步转变也不例外。 这将需要几代人的坚持不懈。