仅靠提高能源效率，任何旨在大幅减少温室气体排放的计划都无法成功。因为经济增长持续推动能源需求——新工厂需要更多煤炭，新汽车需要更多石油，新住宅需要更多天然气供暖——尽管更节能的汽车、建筑和电器不断涌现，碳排放量仍将持续攀升。为了应对全球变暖这一令人担忧的趋势，美国和其他国家必须大力投入开发几乎不产生或完全不产生碳的可再生能源。
三十年前，为应对 20 世纪 70 年代的石油禁运，可再生能源技术曾一度风靡一时，但这种兴趣和支持并未持续下去。然而近年来，太阳能电池、风力涡轮机和生物燃料（乙醇和其他源自植物的燃料）的性能和经济性都取得了显著提升，为大规模商业化铺平了道路。除了环境效益外，可再生能源还有望通过减少美国对其他国家化石燃料的依赖来增强美国的能源安全。更重要的是，石油和天然气的价格居高不下且剧烈波动，使得可再生替代能源更具吸引力。
我们现在正处于可再生能源机遇空前的时代，现在是推动未来几十年清洁能源发展的理想时机。但这需要对科学、经济和政治资源进行长期投资。政策制定者和普通民众必须要求采取行动，并互相激励，以加速转型。
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让阳光照耀
太阳能电池，也称为光伏电池，使用半导体材料将阳光转化为电流。它们目前仅占世界电力供应的一小部分：其全球发电容量为 5,000 兆瓦 (MW)，仅占所有能源总发电容量的 0.15%。然而，阳光的潜在能量可能是目前世界能源消耗量的 5,000 倍。得益于技术进步、成本下降以及许多州和国家的优惠政策，过去十年，光伏电池的年产量每年增长超过 25%，2005 年更是实现了惊人的 45% 的增长。去年生产的电池为全球发电容量增加了 1,727 兆瓦，其中 833 兆瓦产自日本，353 兆瓦产自德国，153 兆瓦产自美国。
现在可以使用多种材料制造太阳能电池，从仍然占据市场主导地位的传统多晶硅晶片到薄膜硅电池以及由塑料或有机半导体组成的器件。薄膜光伏电池的生产成本低于晶体硅电池，但将光转化为电力的效率也较低。在实验室测试中，晶体电池已达到 30% 或更高的效率；目前市售的此类电池的效率范围为 15% 至 20%。近年来，所有类型太阳能电池的实验室和商业效率均稳步提高，表明扩大研究力度将进一步提高市售太阳能电池的性能。
太阳能光伏电池特别易于使用，因为它们可以安装在许多地方——房屋和办公楼的屋顶或墙壁上，沙漠中的广阔阵列中，甚至缝制在衣服上为便携式电子设备供电。加利福尼亚州与日本和德国一道，在全球范围内大力推动太阳能装置的安装；百万太阳能屋顶计划旨在到 2018 年在该州创造 3,000 兆瓦的新发电容量。我在加州大学伯克利分校的可再生和适宜能源实验室 (Renewable and Appropriate Energy Laboratory) 的研究小组所做的研究表明，如果目前的趋势继续下去，仅在美国，太阳能光伏电池的年产量就可能在短短 20 年内增长到 10,000 兆瓦。
风的吹拂
风力发电的增长速度可与太阳能产业相媲美。过去十年，全球风力涡轮机的发电容量平均每年增长超过 25%，2005 年达到近 60,000 兆瓦。在欧洲，这一增长简直是爆炸性的——1994 年至 2005 年间，欧盟国家的风力发电装机容量从 1,700 兆瓦跃升至 40,000 兆瓦。仅德国就拥有超过 18,000 兆瓦的容量，这要归功于一项积极的建设计划。德国北部石勒苏益格-荷尔斯泰因州目前通过 2,400 多台风力涡轮机满足其年度电力需求的四分之一，在某些月份，风力发电提供的电力超过该州电力需求的一半。此外，西班牙拥有 10,000 兆瓦的风力发电容量，丹麦拥有 3,000 兆瓦，英国、荷兰、意大利和葡萄牙各自拥有超过 1,000 兆瓦。
在美国，风力发电产业在过去五年中显著加速发展，2005 年总发电容量跃升 36% 至 9,100 兆瓦。尽管风力涡轮机目前仅产生美国 0.5% 的电力，但其扩张潜力巨大，尤其是在多风的大平原州。（例如，北达科他州的風能資源比德國還多，但僅安裝了 98 兆瓦的發電容量。） 如果美國建造足夠的风力发电场以充分利用这些资源，那么风力涡轮机可以产生高达 11 万亿千瓦时的电力，几乎是去年全美所有能源来源产生的总量的三倍。风力发电产业已经开发出越来越大型和高效的涡轮机，每台涡轮机能够产生 4 至 6 兆瓦的电力。在许多地方，风力发电是最便宜的新型电力，成本在每千瓦时 4 至 7 美分之间。
美国新风力发电场的增长得益于生产税收抵免，该抵免提供相当于每千瓦时 1.9 美分的适度补贴，使风力涡轮机能够与燃煤电厂竞争。不幸的是，国会一再威胁要取消这项税收抵免。立法者没有为风力发电制定长期补贴，而是每年延长税收抵免，而持续的不确定性减缓了对风力发电场的投资。国会还威胁要破坏在马萨诸塞州海岸附近拟议的 130 台涡轮机风力发电场，该风力发电场将提供 468 兆瓦的发电容量，足以满足科德角、玛莎葡萄园岛和楠塔基特岛大部分地区的电力需求。
对风力发电的保留意见部分来自不愿接受这项新技术的公用事业公司，部分来自所谓的邻避主义。（NIMBY 是“Not in My Backyard”（不要在我家后院）的首字母缩写。） 尽管当地对风力涡轮机将如何影响景观的担忧可能具有一定的道理，但必须将其与替代方案的社会成本进行权衡。由于社会对能源的需求持续增长，拒绝风力发电场通常意味着需要建造或扩建对环境造成更大破坏性影响的化石燃料发电厂。
绿色燃料
研究人员还在积极开发生物燃料，这种燃料可以替代目前机动车辆消耗的至少一部分石油。迄今为止，美国最常见的生物燃料是乙醇，它通常由玉米制成并与汽油混合。乙醇制造商受益于大量的税收抵免：在每年 20 亿美元补贴的帮助下，他们在 2005 年销售了超过 160 亿升乙醇（几乎占所有汽车燃料体积的 3%），预计到 2007 年产量将增长 50%。一些政策制定者对补贴的明智性提出了质疑，他们指出研究表明，收获玉米和提炼乙醇所消耗的能量超过了燃料可以传递给内燃机的能量。然而，在最近的一项分析中，我和我的同事发现，其中一些研究没有正确地考虑与乙醇一起制造的副产品的能量含量。当正确计算所有投入和产出时，我们发现乙醇的净能量为每升近五兆焦耳。
然而，我们也发现，乙醇对温室气体排放的影响更加模棱两可。我们最好的估计表明，用玉米乙醇替代汽油可减少 18% 的温室气体排放，但由于某些农业实践，特别是化肥的环境成本存在很大的不确定性，因此分析受到了阻碍。如果我们对这些实践使用不同的假设，那么改用乙醇的结果范围从排放量下降 36% 到增加 29% 不等。尽管玉米乙醇可能有助于美国减少对外国石油的依赖，但除非生物燃料的生产变得更清洁，否则它可能对减缓全球变暖没有太大作用。
但是，当乙醇由纤维素来源制成时，计算结果会发生很大变化：例如柳枝稷或杨树等木本植物。大多数玉米乙醇制造商燃烧化石燃料以提供发酵所需的热量，而纤维素乙醇的生产商则燃烧木质素（有机材料中不可发酵的部分）来加热植物糖。燃烧木质素不会向大气中增加任何温室气体，因为排放量会被用于制造乙醇的植物生长过程中吸收的二氧化碳所抵消。因此，用纤维素乙醇替代汽油可以将温室气体排放量减少 90% 或更多。
另一种有前景的生物燃料是所谓的绿色柴油。研究人员通过首先气化生物质（将有机材料加热到足以释放氢气和一氧化碳的程度），然后使用费托工艺将这些化合物转化为长链碳氢化合物，从而生产出这种燃料。（在第二次世界大战期间，德国工程师使用这些化学反应从煤炭中制造合成汽车燃料。） 结果将是一种具有经济竞争力的机动车辆液体燃料，几乎不会向大气中增加温室气体。石油巨头荷兰皇家壳牌公司目前正在调查这项技术。
研发需求
这些可再生能源现在都处于或接近临界点，即关键阶段，在这个阶段，投资和创新以及市场准入可以使这些有吸引力但通常处于边缘地位的供应商成为区域和全球能源供应的主要贡献者。与此同时，旨在为可再生能源开辟市场的积极政策正在世界各地的城市、州和联邦层面扎根。政府出于各种各样的原因采取了这些政策：促进市场多样化或能源安全，支持产业和就业，以及在地方和全球范围内保护环境。在美国，超过 20 个州已通过标准，设定了必须由可再生能源供应的最低电力比例。德国计划到 2020 年从可再生能源中产生 20% 的电力，瑞典计划完全放弃化石燃料。
甚至乔治·W·布什总统也在他今年 1 月发表的著名国情咨文中表示，美国对石油上瘾了。尽管布什没有将此与全球变暖联系起来，但几乎所有科学家都同意，人类对化石燃料的依赖正在扰乱地球的气候。现在是采取行动的时候了，而且最终已经存在一些工具，可以以同时有利于经济和环境的方式改变能源生产和消费。然而，在过去 25 年中，公共和私人对能源领域的研发投入已经萎缩。1980 年至 2005 年间，美国所有研发支出中用于能源的比例从 10% 下降至 2%。能源年度公共研发资金从 80 亿美元降至 30 亿美元（以 2002 年美元计算）；私人研发资金从 40 亿美元骤降至 10 亿美元[见下页方框]。
为了让您了解这些下降的幅度，请考虑在 20 世纪 80 年代初，能源公司在研发方面的投资超过了制药公司，而如今，能源公司的投资比制药公司低一个数量级。整个能源行业的私人研发资金总额甚至低于一家大型生物技术公司。（例如，安进公司 2005 年的研发支出为 23 亿美元。） 随着研发支出的减少，创新也随之减少。例如，随着过去四分之一个世纪以来对光伏电池和风力发电的研发资金的减少，这些领域成功专利申请的数量也相应下降。对长期研究和规划的忽视大大削弱了我们国家应对气候变化和能源供应中断挑战的能力。
呼吁大幅增加能源研发投入已变得司空见惯。总统科技顾问委员会 1997 年的一项研究以及两党全国能源政策委员会 2004 年的一份报告都建议联邦政府将其能源研发支出增加一倍。但是，这样的扩张是否足够呢？可能不够。根据对稳定大气中二氧化碳含量的成本的评估，以及其他评估能源研发计划的成功以及由此产生的技术带来的节省的研究，我的研究小组计算出，每年需要 150 亿至 300 亿美元的公共资金——比目前的水平增加五到十倍。
我的实验室的博士生格雷格·F·内梅特 (Greg F. Nemet) 和我发现，这种规模的增加大致相当于之前的联邦研发计划（例如曼哈顿计划和阿波罗计划）期间发生的增加，这些计划除了实现其目标外，还产生了可观的经济效益。美国能源公司也可以将其研发支出提高 10 倍，但仍将低于美国整体行业的平均水平。尽管政府资金对于支持早期技术至关重要，但私营部门的研发是筛选最佳创意和减少商业化障碍的关键。
然而，增加研发支出并不是使清洁能源成为国家优先事项的唯一途径。从幼儿园到大学，各级教育工作者都可以通过教授能源使用和生产如何影响社会和自然环境来激发公众的兴趣和行动。非营利组织可以设立一系列竞赛，奖励第一家实现具有挑战性和有价值的能源目标的公司或私人群体，例如建造一座可以自发电的建筑物或电器，或者开发一种每加仑燃料可以行驶 200 英里的商用汽车。这些竞赛可以效仿阿育王奖 (Ashoka awards) 对公共政策先驱的奖励和安萨里 X 大奖 (Ansari X Prize) 对太空飞行器开发者的奖励。科学家和企业家还应专注于寻找清洁、经济的方式来满足发展中国家人民的能源需求。例如，我和我的同事最近详细介绍了改进非洲烹饪炉灶的环境效益。
但实现可持续能源经济的最重要一步或许是建立基于市场的计划，使碳燃料的价格反映其社会成本。煤炭、石油和天然气的使用给社会带来了巨大的集体代价，其形式包括空气污染引起的疾病的医疗保健支出、确保石油供应的军事开支、采矿作业造成的环境破坏以及全球变暖可能造成的灾难性经济影响。对碳排放征收费用将提供一种简单、合乎逻辑且透明的方法，以奖励可再生、清洁的能源，而不是那些损害经济和环境的能源。税收收入可以支付碳排放的一些社会成本，一部分可以指定用于补偿在能源上花费更多收入份额的低收入家庭。此外，碳费用可以与总量控制和交易计划相结合，该计划将设定碳排放限额，但也允许最清洁的能源供应商将其许可证出售给污染更严重的竞争对手。联邦政府已成功使用此类计划来遏制其他污染物，一些东北部州已在试验温室气体排放交易。
最棒的是，这些措施将为能源公司提供巨大的经济激励，以促进可再生能源的开发和商业化。本质上，美国有机会培育一个全新的产业。气候变化的威胁可以成为清洁技术革命的集结号，这将加强该国的制造业基础，创造数千个就业岗位，并缓解我们的国际贸易逆差——我们可以出口高效汽车、电器、风力涡轮机和光伏电池，而不是进口外国石油。这种转型可以将国家的能源部门变成曾经被认为不可能的事情：一个充满活力、环境可持续的增长引擎。
作者
丹尼尔·M·卡门 (DANIEL M. KAMMEN) 是加州大学伯克利分校 1935 级杰出能源教授，他在能源与资源组、戈德曼公共政策学院和核工程系均有职位。他是可再生和适宜能源实验室的创始主任，也是伯克利环境研究所的联合主任。