2012年8月中旬，美國能源部長朱棣文博士和先進能源研究項目署署長阿倫·馬宗達博士在《自然》雜志上，聯名發表了題為《可持續性能源未來所面臨的挑戰和機遇》一文，提出為保障未來全球的持續繁榮、可持續性和安全的能源供應，目前需要一場新的工業革命。文章以交通運輸和電力生產兩大領域為重點，分析了人類在提高化石能源利用效率、開發利用新型電池，以及開發天然氣燃料、生物燃料、風能、太陽能、核能等諸多清潔能源和可再生能源方面，所面臨的各種機會和挑戰，為讀者詳盡地了解該問題提供了全面而清晰的輪廓。

全球可持續性能源供應呼喚新的工業革命

自工業革命以來，能夠利用穩定可靠、經濟合算的清潔能源一直是保持全球經濟增長和持續繁榮的重要基石，21世紀人類對能源的獲取和利用也必須具備可持續性的特點。然而，未來全球能源供應將面臨著雙重巨大挑戰：一方面，全球人口數量的增加和經濟增長將產生巨大的能源需求，在能源供給壓力陡增的同時，勢必會增加二氧化碳排放量。工業革命初期全球總人口為7億，目前為70億，預計到2050年和2100年將分別增加到90億和100億;另一方面，為緩解全球氣候變暖趨勢的進一步惡化，各國必須在既定時間框架內實現二氧化碳減排目標。2009年全球能源需求總量為120億噸油當量，二氧化碳排放量為290噸。據國際能源署預測，如果全球繼續實施現行的能源政策，上述兩項指標2035年將分別增加為180億噸油當量和430億噸;如果未來采取積極的應對方案，它們將分別降為170億噸油當量和360億噸。

為了應對上述挑戰，全球需要一場新的工業革命，以保證未來能源供應的可靠性、經濟性和可持續性。提高化石能源的利用效率、節約能源，以及實現能源的低碳化，大力開發利用新能源電池、天然氣燃料、生物燃料、太陽能、風能及核能等清潔能源和可再生能源是這場革命的必然選擇。

目前，化石能源占全球能源消費總量的86%。從1980至2008年，全球每年消費的石油總量增加了31%，隨著近年來石油探測和采掘技術的進步，全球已探明石油儲量也在增加。此外，近年來世界各地也相繼發現了豐富的頁巖氣儲量。相比之下，盡管全球零排放可再生能源的利用總量也在不斷增加，但過去20年間其在全球能源供應總量中所占的比例基本沒有變化，對此必須保持清醒的認識。

能源系統可以分為運輸和固定兩個分系統。每個系統內的供應、需求和分配設施都是高度相適配的，但相互之間卻是獨立的。我們需要對一些重要研究領域進行深入研究，如提高能源利用效率，將電力輸送、分配和存儲系統與各種可再生能源進行有機整合等，以改善未來的能源供應狀況。生物燃料、太陽能等技術依然處于研發階段，尚不能真正滿足人類的能源需求，因而必須進行持續不斷的創新，改進并完善現有技術或者開發全新的技術方案。

改善能源運輸系統和提高燃料使用效率

在目前的能源運輸基礎設施中，運輸由石油衍生的各種液態燃料占據主導地位。隨著石油儲藏量的新發現、勘探和采掘技術的進步，可資利用石油資源的地理分布也在發生變化。然而，通常情況下石油供應地和需求地在地理位置上相距甚遠，一些國家嚴重依賴進口石油，甚至對其貿易平衡和國家安全帶來了嚴峻挑戰，這給全球石油運輸帶來了巨大壓力。2011年，全球石油消費總量為26.9億噸油，其中18.95噸原油和7.91噸油當量精煉油都需要跨國間運輸，未來更多油田和天然氣田的發現將有望改變這種狀況。同時，運輸技術的進步將會有助于緩解石油運輸系統所面臨的壓力。例如未來很多擬建基礎設施在選址時，將會統籌考慮如何最大限度地保證具有可持續性的石油輸送潛力，理想的、經濟合算的公共運輸功能將會與都市建設規劃更好地相融合，而在運輸系統中合理地使用信息技術也可望大大減少燃料消耗。

美國能源部最新出版的四年一度技術評估報告，全面考察了可供未來研究的最新技術和機會。報告指出，采取措施提高交通運輸工具的效率能夠大幅降低人類對石油的依賴程度。其中增加輕型新材料的應用(如先進的超高抗拉強度鋼、聚合物和碳纖維增強復合材料等)，尤其是在車輛中使用輕型材料更為重要，這將大大減輕運輸車輛的自身重量。未來10到20年，在不降低安全性能的前提下交通運輸車輛的自身重量將減輕20%到40%，而自身重量每減輕10%，就會節約燃料消耗量的6%到8%。

減少能量損失是節省燃料的一個途徑。車輛在正常行駛過程中，廢氣排放熱能損失、冷卻損失占燃料燃燒所提供能量的60%以上，再加上克服空氣阻力和輪胎的滾動摩擦阻力等所造成的損失等因素，用于驅動車輛正常運行的能量只占行車燃料所提供能量的21.5%。摩擦學、廢熱能量再利用和空氣動力學等能夠提高成本效益的技術進步，在短期內有望將效率提升20%，在未來15到25年最高可提升60%。

未來幾十年，使用液態運輸燃料的內燃機仍將居汽車動力的主導地位，進一步提升內燃機效率是降低化石燃料消耗量的最重要途徑。目前大多數火花點火式發動機的效率為25%到35%，壓燃式柴油發動機的效率大約是40%到50%。因此內燃機效率具備很大的提升空間。

美環保局的研究成果顯示，從1987年到2006年，美國汽車發動機的效率每年約提升1.4%，這些提升主要是通過提高燃燒效率和熱效率、降低機械摩擦損失和附件消耗等手段來實現。借助于缸內直噴技術、稀燃技術和渦輪增壓技術，使用高標號辛烷值燃料，火花點火式發動機效率也可以達到柴油機器的水準。高性能計算機的模擬功能在內燃機研制過程中的作用也日益凸顯，利用這種方式研究人員已在提高內燃機效率和減少廢棄排放方面取得進展。低成本的余熱回收也可以提高內燃機的效率，這對重型車輛來說效果更佳。其他技術途徑包括采用朗肯循環回收并再利用內燃機廢氣能量、開發低成本高效率的固態熱電系統等。

蓄電池混合動力燃料

插電式混合動力車和全電動輕型、中型及重型汽車將有潛力取代相當數量的液體燃料汽車。該技術所面臨的主要挑戰是電池系統的性能和成本。電池系統的性能是由能量密度、功率密度、循環壽命和耐用性等因素決定。在過去5到6年內，研究人員在電池陰極、陽極和電解質等方面的研發已經取得了一系列重要進展，有助于設計出具有微米和納米級內部結構的柔性導電膜。最先進的石墨陽極電池和鋰電池正步入商業化階段。在未來幾年內，能量儲存密度為每公斤200瓦時(是現有電池能量密度的2倍)、3個小時內可以完成充電的電池有望得以應用。目前汽車用電池系統的成本為每公斤千瓦時650美元，2030年將降為150美元。

2012年3月美國公布了“EV-Everywhere”計劃，將于2022年前建立世界通用的5人乘坐型普通價格電動汽車的量產體系。該計劃要求將電池系統的成本降為每公斤千瓦時190到300美元。采用陽極保護材料和非可燃電解質的第三代鋰電池，將具有在高壓和高溫(攝氏55℃)條件下保持穩定性的優勢。鋰硫電池和金屬空氣電池，則有望破解鋰電池的成本和容量難題，其能量密度是現有鋰電池的10倍，但這需要開發出理想的陰極和陽極保護材料、非可燃電解質，以確保電池的電化學穩定性。

通常情況下，電池組自耗電量為蓄電池容量的50%，為保證電池壽命必須限制其充電速度。如能成功開發出可持續監測單個蓄電池的某些特性(如溫度、充電狀態等)的聲納技術，就可以延長電池的使用壽命并增加其容量。利用能夠與由原始設備制造商提供的電池組熱管理系統相配套的標準化蓄電池，同樣可以降低電池的成本。

燃料電池

相對低價位的燃料電池電動車汽車，具有續航能力遠和充電速度較快的優勢。近年來燃料電池的成本已經降低，其壽命也已增加，但依然有提升的空間。在氫燃料電池中，鉑及鉑合金是加快化學反應速度的最為有效的催化劑。鉑是唯一能承受電池中酸性環境的金屬，但其昂貴的價格限制了燃料電池的大規模應用。自2005年以來，科研人員已經成功地開發出一種新型催化劑，使燃料電池所需的鉑僅為目前用量的五分之一。但依然需要進一步減少鉑的用量，或開發出能夠替代鉑、成本更低的其他催化劑。此外，還可以通過采用具有更高溫度和更好傳導性能的質子交換膜、改進控制系統設計制造(如濕度調節器、壓縮機以及熱流設計與成本等)來降低燃料電池的成本，提高其效率。

燃料電池汽車的車用儲氫器必須具有較高的單位質量儲氫密度。美能源部認為，車用高壓儲氫的單位質量密度至少應為6%，即每立方米儲存60公斤氫氣。為了滿足汽車480公里續航能力的要求，一次需儲氫大約4到7公斤。目前小型汽車的車用儲氫方式大多采用高壓儲氫，工作壓力為70兆帕(Mpa)的碳纖維儲氫瓶是目前家用汽車的最佳選擇，其售價大約為3000美元。研究人員正在致力于開發新的材料和制造工藝，以進一步降低儲氫氣瓶成本。目前正在進行的另一研究方向是，通過采用高表面積材料研究低壓吸附儲存氫氣。

另一個挑戰是加氫站的建立和氫氣來源。近年來頁巖氣的大量使用將對運輸部門產生重要的影響，低價格的頁巖氣可能會有助于加快氫氣充氣站的建設步伐。此外，通過改革商業運作模式(如建立混合發電廠)也可以獲取具有經濟性的氫氣。但從長遠來說，必須開發出一種具有成本優勢、二氧化碳凈排放量低的氫氣制取方法。[page]

天然氣燃料

天然氣燃料是各種替代燃料中最早廣泛使用的一種，它分為壓縮天然氣(CNG)和液化天然氣(LNG)兩種。作為汽車燃料，天然氣具有單位熱值高、排氣污染小、供應可靠、價格低等優點，目前已成為世界車用清潔燃料的發展方向，而天然氣汽車則已成為發展最快、使用量最多的新能源汽車。國際天然氣汽車組織的統計顯示，近10年來天然氣汽車的年均增長速度為20.8%，目前全世界共有大約1270萬輛使用天然氣的車輛，2020年總量將達7000萬輛，其中大部分是壓縮天然氣汽車。目前美國僅擁有11.2萬輛天然氣汽車，不到全球總量的1%，也不到美國車輛總數的1/10，因而具有很大的發展空間。

近年來美國境內天然氣價格的大幅降低，為天然氣汽車的發展和進一步推廣提供了新動力。由于經濟上的合理性，美國國內重型長途運輸卡車采用液化天然氣取代柴油已成一個普遍選擇。一輛重型長途運輸卡車每年消耗燃料9萬升(依目前價格計算約為8萬美元)，目前液化天然氣卡車用的低溫儲罐和相關配套設備售價為1萬美元，其成本回收期為3到4年，未來隨著低溫儲罐和相關配套設備售價的逐步降低，其成本回收期會更短。重型運輸卡車的續航里程為800到960公里，這需要每隔240到320公里建立一個天然氣燃料添加站。目前已有私營部門計劃對這項基礎設施網進行投資，其商業前景得以提升。此外，有關部門正在考慮在貨運列車上使用液化天然氣為動力燃料的方案。

輕型車輛所耗燃料占全美陸路行駛車輛所耗燃料總量的75%，減少輕型車輛的耗油總量更有利于節能。目前美國境內的公共汽車、貨運卡車和輕型車輛已采用壓縮天然氣。在沒有補貼的情況下，需要開發低成本的壓縮天然氣儲藏技術，才能使汽車使用壓縮天然氣時較為經濟合算。一輛平均行駛里程的汽車配置壓縮天然氣供應系統設備后，其成本回收期為10到15年，年均行駛里程高于平均值的車輛或每公里耗油量較少的汽車，其回收期肯定會更短。如果能將成本回收期縮短到5年以內，使用壓縮天然氣汽車和建立燃料充加系統的目標就具有經濟可行性。這就需要深入研發碳纖維復合材料以研制輕質高壓存儲罐，同時也需要開發用于低壓天然氣儲藏的吸附劑。全美共有大約16萬個加油站，如果建立類似遍布全美的壓縮天然氣供應站，其耗資遠超過1000億美元，這是一個巨大的挑戰。解決該問題途徑之一是研制多種燃料內燃機。如采用壓縮天然氣—汽油雙燃料內燃機的汽車，以壓縮天然氣為驅動燃料行駛30到60公里后，切換為以汽油為驅動燃料行駛，可以保證車輛能正常抵達下一個壓縮天然氣充加站。

當然，也可以利用費托合成技術或甲醇工藝將天然氣轉化液態燃料。目前已經能夠大規模地從天然氣中生產工業用甲醇，其成本大致與汽油生產成本相當。然而，以甲醇為基礎的燃料運輸也將面臨添加站點的瓶頸。

生物燃料

生物燃料是指從植物特別是農作物中提取適用于汽油或柴油發動機的燃料，包括生物乙醇、生物柴油等。目前，主要以可食用農作物為原料生產的第一代生物燃料已成功實現商業化，而以非食用農作物為主要原料生產的第二代生物燃料——纖維素乙醇目前仍處于中試和示范的階段。此外，研究人員也正致力于人工光合作用技術和電燃料技術的研發。

作為替代化石燃料的理想選擇，未來生物燃料將步入高速發展時代。今年5月國際能源署發布的《交通用生物燃料技術路線圖》指出，在不對環境及糧食安全帶來重大負面影響的前提下，2050年生物燃料可以替代5500萬噸到7500萬噸石油，生物燃料在運輸燃料中的比例將由目前的2%大幅上升為27%。生物燃料持續生產后每年可避免21億噸的二氧化碳排放，成為交通行業第五重要的減排源。美國、巴西和歐洲等國在發展生物燃料方面居世界前列。2009年美國發布《國家生物燃料行動計劃》，提出到2020年生物燃料將占其能源總消費量的25%，2050年將達到50%。巴西早在2006年就已實現40%以上的汽油消費由乙醇汽油取代，成為世界上唯一不供應純汽油的國家。

第一代生物燃料以可食用農作物(主要是玉米、大豆和甘蔗)為原料，主要是生產燃料乙醇和生物柴油。其最大缺點是與人畜爭奪食物資源，有可能導致糧食價格上漲并威脅全球糧食安全。3年前歐盟曾提出，要求2020年交通燃料的10%來自于可再生來源(其中大部分則是以糧食為基礎的生物燃料)。據報道，今年9月歐盟提出了一份立法草案，擬對以食用農作物為原料的生物燃料加以限制。草案提出歐洲交通部門在2020年的總體能源消耗中，油菜籽、小麥等食用農作物生產的生物燃料所占比例不得超過5%(目前這一比例為4.5%)。其主要原因就是歐盟組織的科學研究對這種燃料的減排效應提出了質疑，而重點糧食產區的歉收又引發了對糧食短缺的進一步擔憂。

第二代生物燃料則以非食用農作物(如麥稈、草和木材等農林廢棄物)為主要原料，采用生物纖維素轉化為生物燃料的模式發展纖維素乙醇。這種生物燃料具有很多優點：首先是汽車發動機不需要改造就可以直接使用摻入了生物乙醇的汽油或柴油;其次是秸稈等纖維素類農業廢棄物大量存在，供給非常充足。此外其二氧化碳減排效果明顯。美國能源部的研究結果表明，第二代生物燃料有望減少最高達96%的二氧化碳排放;而第一代以玉米等為原料的燃料乙醇，平均僅可以減少約20%的二氧化碳排放。

要真正實現纖維素乙醇生產的商業化，關鍵在于克服木質素降解難度大、成本高等難題?？上驳氖牵?012年2月，丹麥諾維信生物技術公司面向全球市場推出了適用于纖維素乙醇商業生產的新型高效酶，這是目前市場上性價比最佳并確保纖維素乙醇工廠達到最低生產成本的酶制劑產品，這將成為推動纖維素乙醇商業化的重要契機。今年2月，一份題為《通向新一代乙醇經濟》的研究報告預測，2030年前以農作物秸稈為原料生產生物燃料將為全球創造數百萬個就業崗位，同時促進經濟增長，減少溫室氣體排放，提升能源供應安全性。

藻類生物燃料也是一個發展潛力巨大的方向。這種燃料是利用一些藻類(主要是硅藻和藍藻等)的代謝特征，以淡水、海水甚至生活污水作為營養源，讓藻類在太陽光和二氧化碳的環境中進行光合作用，生產出某些特定物質，將這些物質提煉后就可以直接用作汽車等交通工具的燃料。目前用于生產藻類生物燃料的方法主要是光合反應器法、封閉環路系統法和開放池塘法。

藻類具有分布廣、油脂含量高、環境適應能力強、生長周期短、產量高等特點。截至目前藻類生物燃料的產量仍非常有限，但與其他非食物基原料相比，藻類的發展有明顯優勢。2010年荷蘭科學家發表的研究成果表明，在過去的20年中微藻生產生物柴油的成本已從每加侖數百美元下降至數十美元，未來十年微藻生物燃料將與常規燃料的生產成本持平。美國Pike研究咨詢公司2011年的研究報告則預測，到2020年全球藻類生物燃料的市場將達到13億美元。

電燃料技術是利用微生物特別是細菌吸收化學能或電能，將二氧化碳轉化為液體運輸燃料的新方法。通過代謝工程和合成生物學的方法，這種技術可以將二氧化碳高效地轉化為液體燃料，特別是開發能夠從氫、金屬離子、氧化還原活性物種或直接從電流中釋放能量的有機物。2010年4月，美國能源部撥款1.06億美元資助先進的生物燃料技術開發項目，其中與生物能源相關的領域就是電燃料。

人工光合作用技術是借助于陽光，用水、二氧化碳制造燃料和化學原料的技術。其最大優勢是能夠將太陽能轉換為氫氣、甲醇或乙醇等化學燃料，可以直接用在汽車等燃燒液態燃料的機械中。在自然界中光合作用利用太陽能將二氧化碳和水轉變成糖和其他碳氫化合物，其效率不到1%，人工光合作用的目標是將轉化率提高到20%以上，為此必須研制出能快速讓水氧化的太陽能催化劑，這是提高人工光合作用效率的關鍵。2010年美國能源部資助建立了“人工光合作用聯合中心”，5年內將共投入1.22億美元致力于實現人工光合作用技術的實用化。

經濟合算是清潔能源和可再生能源發電的生命力

2012年9月世界經濟論壇與HIS劍橋能源研究協會聯合發布的《2012年最新能源展望報告》指出，目前已有100多個國家制定了可再生能源發展目標，新能源產業的增長能夠將氣候、能源和金融領域的危機轉變為全新的可持續增長機遇，從而為世界經濟發展提供新動力。2011年全球可再生能源發電量比2010年增長了17.7%，連續8年呈兩位數增長，可再生能源發電量占當年全球發電總量的3.8%。其中風能發電量增長了25.8%，首次超過當年可再生能源發電總量的50%。受日本福島核事故的影響，2011年全球核電總發電量為2518太瓦時，比2010年減少了4.3%。

盡管前景誘人，但要廣泛應用可再生能源發電必須有效地降低其成本。2011年5月，聯合國政府間氣候變化專門委員會發布的一份報告指出，目前全球已有的可再生能源技術潛力只有2.5%得到了利用，如果這些潛力能夠在正確的公共政策支持下得到充分利用，到2050年可再生能源將能提供全球每年能源需求的77%，并能減少總量高達2200到5600噸的二氧化碳排放。報告同時指出，可再生能源的推廣在經濟性和技術方面都將面臨巨大的挑戰。

據國際能源署預測，未來很多國家都將會采取碳定價等措施，努力減少發電過程中溫室氣體的排放量，但可再生能源發電未來成本的降幅卻并不令人樂觀，如2020年海上風能發電站的均化成本為每千瓦時90美元(以2010年美元的實際價值計算)，美國能源信息署預測2016年其成本為每千瓦時80到120美元。

從發電站的均化成本來看，風能發電站(發電風速為每秒7到7.5米)為每千瓦時73美元(不包含電力輸送成本)，專家預計2020年將降為每千瓦時60美元以下。2011到2012年期間建成的公用事業太陽能光伏發電站，在沒有任何補貼的情況下其成本為每千瓦時150美元，這與《通向新一代乙醇經濟》研究報告的估算基本吻合。在某些自然條件較好的地區，未來太陽能光伏發電成本可以降為每千瓦時60到120美元。目前美國傳統的天然氣循環發電站成本最低，為每千瓦時50到60美元。除了均化成本之外，電站規模、儲存電力的潛力等因素也同樣十分重要。

對某些均化成本超過每千瓦時200美元的地區來說，目前可再生能源發電已經具備了價格優勢。據預測，未來全球范圍內風能、太陽能發電的成本將會越來越趨于經濟合算。此外，隨著高性能、低成本和耐用的儲能電池的研發，電力儲能技術將有望使中、小規模輸電網絡滿足偏遠農村地區的用電需求。

盡管未來各種可再生能源發電成本將會持續降低，但要充分發揮其作用必須將其與現有發電方式進行有效整合，克服可再生能源發電在輸送、分配、存儲等環節的瓶頸。2050年可再生能源發電將占全美電力供應總量的8%，即使要實現該目標的一半，依然需要在技術創新、運營程序、商業運作模式和管理措施等方面對現有電力系統進行改革。[page]

太陽能發電

太陽能發電主要分為太陽能光伏發電和太陽熱能發電兩種。2011年全球新增太陽能發電裝機容量約2800萬千瓦，累計裝機容量達6900萬千瓦，當年全球太陽能產值為930億美元。歐盟在太陽能發電方面居于領先地位，但美國和中國的發展勢頭迅猛。今年3月美國太陽能產業協會和GTM市場調研公司共同發布的報告預計，到2016年美國占全球太陽能板市場的份額將由2011年7%提升至15%。屆時，美國與中國可能將成為全球兩大領先的太陽能市場。

太陽能光伏發電是利用太陽能電池將太陽光能直接轉化為電能。光伏發電系統主要由太陽能電池、蓄電池、控制器和逆變器組成，其中太陽能電池是光伏發電系統的關鍵部分，太陽能電池板的質量和成本將直接決定整個系統的質量和成本。太陽能電池主要分為晶體硅電池和薄膜電池兩類，前者包括單晶硅電池、多晶硅電池兩種，后者主要包括非晶體硅太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池和碲化鎘太陽能電池。

單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為15%左右，最高可達23%，在太陽能電池中光電轉換效率最高，但其制造成本高。單晶硅太陽能電池的使用壽命一般可達15年，最高可達25年。多晶硅太陽能電池的光電轉換效率為14%到16%，其制作成本低于單晶硅太陽能電池，因此得到大量發展，但多晶硅太陽能電池的使用壽命要比單晶硅太陽能電池要短。

提高太陽能發電競爭力的途徑，就是要提高其光電轉換效率，降低生產成本。因此，硅太陽能電池的研發主要圍繞以下兩個方面進行：一是提高太陽光輻照能轉化為電能的光電轉換效率;二是大幅度降低單瓦成本。

2010年美國能源部啟動了“太陽計劃”，旨在降低太陽能發電的均化成本，計劃到2020年在沒有補貼的前提下將其降為每千瓦50到60美元。就公用事業電站項目的太陽能發電而言，其安裝成本必須降至每瓦1美元，其中太陽能電池模塊的成本為每瓦0.5美元，并入常規電網的成本為每瓦0.1美元，軟性成本(包括安裝、許可證的獲取和其他成本等)為每瓦0.4美元。據美國SunRun發布的一份報告顯示，地方審批流程這一項就使每戶住宅的光伏安裝成本增加2500多美元，降低這類軟性成本也有利于提高太陽能的競爭優勢，而“太陽計劃”的目標之一就是致力于降低軟性成本以降低模塊成本。

由于產能過剩、全球經濟不景氣，以及工程和制造技術的創新，硅太陽能模塊的售價自2008年第2季度以來大幅降低：從原來的每瓦4美元降為每瓦1美元。隨著未來技術創新步伐的加快，其售價將會降為每瓦0.8美元，2020年將降為每瓦0.5美元。相比之下，軟性成本的降幅不大。

薄膜太陽能電池是用硅、硫化鎘、砷化鎵等薄膜為基體材料的太陽能電池。薄膜太陽能電池可以使用質輕、價低的基底材料(如玻璃、塑料、陶瓷等)來制造，形成可產生電壓的薄膜厚度不到1微米，便于運輸和安裝。然而，沉淀在異質基底上的薄膜會產生一些缺陷，因此現有的碲化鎘和銅銦鎵硒太陽能電池的規模化量產轉換效率只有12%到14%，而其理論上限可達29%。如果在生產過程中能夠減少碲化鎘的缺陷，將會增加電池的壽命，并提高其轉化效率。這就需要研究缺陷產生的原因，以及減少缺陷和控制質量的途徑。太陽能電池界面也很關鍵，需要大量的研發投入。

此外，也需要設計一套在線監測和控制系統，以改進生產質量控制，并將之作為一種長期性措施。目前，碲化鎘薄膜太陽能板的成本最低(大約為每瓦0.7美元)。未來20到25年，所有新型太陽能發電技術都將受惠于財政貼息政策，因此光伏發電技術必將有相當大的發展空間，這將增強該項技術的市場競爭力。如果能夠將光電轉化率從17%提高到20%，太陽能電板的成本和某些軟性成本將會大幅度降低，這將會給未來的市場帶來變革性的重大影響，其影響可以與將多晶硅太陽能電池的光電轉化效率提高到18%以上相媲美。

高效多結太陽能電池技術也非常引人注目。高效多結太陽能電池是指針對太陽光譜，在不同的波段選取不同帶寬的半導體材料做成多個太陽能子電池，最后將這些子電池串聯形成多結太陽能電池。

太陽能光伏發電技術競爭異常激烈，從經濟性的角度考慮，任何一項技術只有在商業化規模上能將太陽電池板的成本降為每瓦0.5美元，才有實際應用價值。

太陽熱能發電是利用集熱器將太陽輻射能轉換為熱能，并通過熱力循環過程進行發電，其均化成本可以降為每千瓦時50到60美元。太陽熱能發電系統有三類：拋物槽式聚焦系統、塔式聚焦系統和碟式系統，轉換效率大約為30%到35%。聚焦式太陽能熱發電系統的傳熱工質主要是水、水蒸汽和熔鹽等，這些傳熱工質在接收器內可以加熱到攝氏450度然后用于發電。此外，該發電方式的儲熱系統可以將熱能暫時儲存數小時，以備用電高峰時之需。

拋物槽式聚焦系統是利用拋物柱面槽式發射鏡將陽光聚集到管形的接收器上，并將管內傳熱工質加熱，在熱換氣器內產生蒸汽，推動常規汽輪機發電。塔式太陽能熱發電系統是利用一組獨立跟蹤太陽的定日鏡，將陽光聚集到一個固定塔頂部的接收器上以產生高溫。

為了實現均化成本為每千瓦時50到60美元的目標，必須提高熱機的效率。這需要將傳熱工質的溫度加熱到攝氏600度，需要研制性能更好的拋物柱面太陽能反射鏡和發電塔。此外，也需要研發太陽能聚熱器使用的低成本、耐高溫新型材料。如果能將太陽聚熱器內傳熱工質的溫度加熱到攝氏600度以上，太陽熱能發電將能與天然氣混合循環發電技術相媲美。

另一個有潛力的途徑是將太陽能光伏發電和熱能發電有機地結合起來?？蓪⒕酃馓栞椛渲械目梢姽庾V過濾出來用于光伏發電，其余光譜用于熱能發電;此外，由于太陽熱能發電極少能完全利用聚光太陽輻射，這也為光伏發電和太陽能聚熱器的有機整合提供了可能性。

利用太陽熱能發電需要及時準確預測太陽輻射量的變化情況，以適應計劃配電的需要。同時還需要開發相應的電力儲能技術，以克服太陽能發電波動性所帶來的諸多不便。

風能發電

風能發電是可再生能源領域中技術最成熟、最具商業化發展前景的發電方式之一。全球風能理事會今年2月發布的報告指出，2011年全球風力發電設備的安裝量為41GW(1GW為10億瓦)，比2010年增加了21個百分點，全球的安裝總量達到238GW。此外，全球75%的國家安裝了商用風力發電項目，且這些國家中的22%，安裝量還超過了1GW。

風力發電機組由風輪、發電機和風能塔三部分組成。其發電原理是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升來促使發電機發電。目前全球最大風力渦輪機的發電容量為7.5兆瓦，而大多數渦輪機的容量為1.5到2兆瓦。近年來渦輪機、葉片和變速箱等領域的巨大技術進步，以及風能塔高度的不斷增高，使風能發電成本也不斷降低。

海上風力發電是風電的一個新增長點。目前全球海上風電裝機容量為100萬千瓦，歐盟風能協會預測到2020年風電裝機容量將達到1.8億千瓦，其中海上風電約為8000萬千瓦。英國的塔奈特海上風力發電場是目前全球最大的海上風力發電場，它由100多座巨型渦輪機組成，發電總量最高可達3兆瓦。

海上風力發電具有風力資源豐富、風速穩定、對環境負面影響較少等優點，但對風機質量和可靠性要求很高。海上風電機組必須能夠承受海上強風、腐蝕和波浪沖擊等惡劣環境，其基礎結構復雜，技術難度和建設成本都很高。此外，海上風電場的運行和維護費用也很高，如風電機組需要采取防腐處理等特別措施，也需要設計、安裝特殊的維修裝置,這些都會導致發電成本的增加。目前在海上風電場的總投資中，基礎結構占15%到25%，而陸上風電場僅為5%到10%。因此，發展低成本的海上風電基礎結構是降低其成本的主要途徑。據世界風能協會預測，2020年海上風機的造價將降低40%以上，發電成本也可同幅下降。

低碳化技術(CCS和CCUS)

為保證全球能夠繼續使用化石燃料發電，在未來數十年內必須大幅降低發電廠等主要二氧化碳排放源的排放量。一方面，需要進一步提高熱力效率改善成本效益，合理地采用熱電聯產和廢熱利用等途徑;另一方面，必須對煤炭和天然氣電廠及其他大規模的二氧化碳排放源(如水泥廠等)采用碳捕獲和封存技術(CCS)。

CCS是指通過碳捕捉技術，將工業和某些能源產業所生產的二氧化碳分離出來，再通過碳儲存手段，將其輸送并封存到海底或地下等與大氣隔絕的地方。碳捕獲和封存分為三個階段：捕獲階段，從電力生產、工業生產和燃料處理過程中分離、收集二氧化碳，并將其凈化和壓縮。目前采用的方法是燃燒后捕獲、燃燒前捕獲和富氧燃燒捕獲;運輸階段，將收集到的二氧化碳通過管道和船只等運輸到封存地;封存階段，主要采用地質封存、海洋封存和化學封存三種方式。

目前CCS技術仍處于試驗階段，因其成本過高而難以大規模推廣。據麥肯錫咨詢公司估計，捕獲和處理二氧化碳的成本大約為每噸75到115美元，與開發風能、太陽能等可再生能源的成本相比并不具備競爭優勢。此外，由于被捕獲的二氧化碳缺乏良好的工業應用，封存是碳捕捉的最終路徑。CCS技術的普及與二氧化碳的排放價格也密切相關，當二氧化碳價格為每噸25到30美元時，CCS技術的推廣速度將會加快。2012年5月，由歐盟資助的目前世界最大的碳捕獲和封存示范工程在挪威建成，其總投資為10億美元，設計能力為年捕獲二氧化碳10萬噸。

如果利用CCS技術將現有煤焚電廠進行技術改造，可以捕獲其二氧化碳排放量的90%，但所需費用相當于重新建造一座電廠。此外，發電廠生產的電力將有20%到40%被用于二氧化碳的分離、壓縮和輸送。因此，只有那些最具有超臨界或超超臨界機組的發電廠采用這種技術才比較合算。全球知名的埃森哲咨詢公司曾對配備碳捕獲和封存設備的發電場的成本進行預估，結果顯示到2020年，將現有電廠翻新配備碳捕獲設備并將捕獲的碳加以封存，將使每度電的成本增加約3美分，使其成本增加為8美分左右，接近于2015年風力發電和2050年太陽能發電的預估價格。由于碳捕獲和封存的成本仍高于國際上的碳交易價格，而配備碳捕獲與封存設備將使燃煤發電廠的成本提高，因此除非政府提供補助，或開征高額碳稅以增加廠商的經濟誘因，否則碳捕獲與封存尚難以產生具有利潤的商業模式。

基于此，開發碳捕獲、利用和封存技術(CCUS)，探索利用二氧化碳進行油氣增產和地熱增產的相關技術途徑，將成為一個具有吸引力的方向。研究人員可以利用高清晰仿真模擬技術來研究先進的CCS和CCUS，以減少小規模示范性工程向大型實用化系統轉化過程中的風險，加快工業界采用這些技術的進程。[page]

核能發電

核能發電是利用核反應堆中核裂變所釋放出的熱能進行發電，它是實現低碳發電的一種重要方式。國際原子能機構2011年1月公布的數據顯示，全球正在運行的核電機組共442座，核電發電量約占全球發電總量的16%。擁有核電機組最多的國家依次為：美國、法國、日本和俄羅斯。

2011年，日本福島核電站事故影響了全球核電發展的步伐。當年德國和日本共減少了180太瓦時的核能發電量，核能發電占全球發電總量的比例下降為12%。此外，福島核事故也促使一些國家紛紛重新審視和調整了各自的核電政策。

2011年，德國宣布所有的核電站都將按計劃在2022年全部停運，它將成為近25年來首個放棄核能發電的主要工業化國家，意大利和瑞士也相繼宣布將全面放棄核電。2012年9月，日本政府在其出臺的“可再生能源及環境戰略”草案中，提出“早日擺脫依賴核電”的目標。計劃分兩個階段實現“零核電”，2030年核電發電比例低于15%，此后再力爭廢除核電。

美國、法國等國家則堅持發展核電的既定方針。美國核管理委員會提出了一系列建議，希望核電站有能力應對超出原設計標準的意外情況，包括長時間電力中斷和多座反應堆同時受損。2012年2月，該委員會批準佐治亞州一座核電站可修建兩個新的核反應堆，這是美國30多年來首次批準新建核反應堆。法國的核電占全國用電量的75%，是世界上核電使用比例最高的國家。法國政府表示不會放棄核電，認為采用核電是確保其能源獨立必不可少的條件。英國也堅持繼續發展核電。在其最新提出的核電建設計劃中，準備新建總裝機容量達1600萬千瓦的核電站，并計劃在2050年之前重新建設22座反應堆，以替代目前正在運行的20個反應堆。俄羅斯國內18%的電力供應來自核電，預計到2020年俄羅斯的核電裝機將在目前的基礎上增加一倍。印度核能發電目前占全國電力供應的3%，它計劃2030年將這一比例提高到13%，2050年達到25%。

核電站的安全性和核能發電的成本是制約核電發展的兩個重要因素。在美國，一座核電廠的正常運營成本是每兆瓦時23美元,其中包括每兆瓦時1美元的核廢料基金，用于支付核燃料處理費用。據估算，每座核電廠退役的成本為5000萬美元，其中包括廢棄核燃料處置費用和核電站現場恢復費用。盡管核能發電存在潛在的安全隱患，甚至可能涉及核武器擴散問題，但面對全球變暖帶來的嚴峻挑戰，人類依然需要以積極穩妥的方式發展核電。

第三代核能發電廠較之前的核電廠更為安全可靠。一旦核反應堆發生緊急關閉的情況，在無法從外部獲得應急電力和冷卻水的情況下，新反應堆可以安全地冷卻3天。其最終目標是實現被動式安全，在反應堆突然關閉時不需要外界的主動控制就可以基本保證反應堆的安全。

新建核電廠的均化成本約為每兆瓦時100到120美元，雖與天然氣發電相比缺乏競爭力，但低于配備CCS技術的化石燃料電廠的成本。另一個挑戰是，一座發電量為1.0到1.5GW的反應堆在配置冷卻系統和電力配送設備后的體積較大。這種核發應堆的建設成本包括核工程設計費、采購和建造費、運營和維護費以及退役處理費等，每千瓦容量的平均成本約為6000到6600美元，相當于天然氣發電平均成本的6倍。因此，建造這樣一座核反應堆的總造價大約為60億到100億美元。此外，巨大的財務風險、建造風險和運營許可證被耽擱等因素都會增加核電廠的建設成本。

應美國核管制委員會的要求，目前美能源部積極推進裝機容量為80到300百萬瓦的小型模塊化核反應堆開發和設計認證的研究。采用這種核反應堆，利用核能的方式可以更加安全。未來的核電廠可以由十幾個經濟可靠型的小型模塊化反應堆組成，而不是采用以前一次性建造一個大型核反應堆的做法。與此同時，隨著獲得核電站運營許可證和建造工期延誤等方面風險的減少，發展中小型核反應堆可能代表未來核電發展的一種新模式。

早在2011年5月美能源部就成立了“先進輕水反應堆模擬仿真聯盟”，利用超級計算機來研究輕水反應堆的性能，并開發高度復雜的模型來進行模擬仿真，以加快傳統核反應堆及小型模塊化反應堆的開發和設計認證進程。今年1月，美國又宣布了一項為期5年、總金額達4.52億美元的成本分攤計劃，以支持首批兩個小型模塊化反應堆的設計、設計認證和許可證申請工作。

電力儲能技術

如何保持電力生產和供應之間的平衡并使之最優化是一個巨大的挑戰，這需要統籌協調技術進步、商業運作和管理政策等諸多因素。電力儲能技術是智能電網、可分布式發電、微電網以及可再生能源并入常規電網不可或缺的支撐技術，有助于電網系統的安全、穩定、高效運行，大規模儲能技術則有望將可再生能源發電并入常規電網的比例提高到20%以上。據Pike Research預測，從2011年到2021年的十年間，儲能技術應用領域的全球總投資將超過1220億美元，其中用于可再生能源并網(特別是風電)和電力市場削峰填谷的投資將分別占50%和31%。

由于受到季節、氣象和地域等條件的影響，風能和太陽能發電等可再生能源發電存在明顯的隨機性、間隙性和波動性等問題，其電力大規模并入常規電網會對電網調峰和系統安全運行帶來顯著影響。研究表明，如果風力發電裝機占電網容量比例達20%以上，電網的調峰能力和安全運行將面臨巨大挑戰。而電力儲能技術在很大程度上解決了上述問題，使大規模風力發電和太陽能發電能夠方便可靠地并入常規電網，因而成為提高電網運行穩定性、調整頻率、補償負荷波動的一種有效手段。

儲能技術主要分為物理儲能(如抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等)、化學儲能(如鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉流電池、鋰離子電池)和電磁儲能(如超導電磁儲能、超級電容器儲能等)三大類。根據各種儲能技術的特點，飛輪儲能、超導電磁儲能和超級電容器儲能適合于需要提供短時較大的脈沖功率場合，如應對電壓暫降和瞬時停電、提高用戶的用電質量，抑制電力系統低頻振蕩、提高系統穩定性等;而抽水儲能、壓縮空氣儲能和電化學電池儲能適合于系統調峰、大型應急電源、可再生能源并入等大規模、大容量的應用場合。

目前最成熟的大規模儲能方式是抽水蓄能，它需要配建上、下游兩個水庫。在負荷低谷時段抽水蓄能設備處于電動機工作狀態，將下游水庫的水抽到上游水庫保存，在負荷高峰時設備處于發電機工作狀態，利用儲存在上游水庫中的水發電。其能量轉換效率在70%到75%左右。但由于受建站選址要求高、建設周期長和動態調節響應速度慢等因素的影響，抽水儲能技術的大規模推廣應用受到一定程度的限制。目前全球抽水儲能電站總裝機容量9000萬千瓦，約占全球發電裝機容量的3%。

壓縮空氣儲能是另一種能實現大規模工業應用的儲能方式。利用這種儲能方式，在電網負荷低谷期將富余電能用于驅動空氣壓縮機，將空氣高壓密封在山洞、報廢礦井和過期油氣井中;在電網負荷高峰期釋放壓縮空氣推動燃汽輪機發電。由于具有效率高、壽命長、響應速度快等特點，且能源轉化效率較高(約為75%左右)，因而壓縮空氣儲能是具有發展潛力的儲能技術之一。

加快開發新能源是人類的明智選擇

隨著化石能源的不斷發現和采掘技術的進步，未來數十年內其成本依然會比其他零碳排放能源具有競爭優勢。此外，從美國目前的狀況來看，未來50年能源供應結構依然會保持能源形式多樣化的局面。但為了能夠及時減緩未來全球氣候變暖的風險，必須加速清潔能源和可再生能源技術大規模商業化應用的步伐。雖然任何技術創新將取決于其所能帶來的效益，但人類的惰性、現實狀況及可預見的財務風險等因素，使人們更傾向于維持現狀。為此，各國政府的政策必須致力于激勵發明和創新，并使之能與市場力量密切配合。

過去30年間，全球發生極端天氣事件(如極端高溫、洪水和干旱等)的頻度不斷增加，由此造成的經濟損失每年超過1500億美元，而越來越多的證據也表明極端天氣事件與全球氣候變暖有關。雖然緩解這種狀況的總體代價具有巨大的不確定性，但我們需要制定相關政策，將各種能源形式的總體成本直接考量到其市場價格中。

未來幾十年，全球范圍內使用經濟合算的可再生能源的需求將會不斷增加，人類利用可再生能源的效率也將會不斷提高，其成本也會越來越具有競爭優勢。隨著科技的進步、研發投入的加大、公共政策關注力度的增加，以及公眾認識程度的逐步提高，人類利用經濟合算、可獲取和具有可持續性的能源步伐一定會加快，并將以此推動作為經濟增長的動力，增加能源安全和減緩全球氣候變暖的風險。否則，人類將會遇到難以預測的后果。正如國際能源署在《全球能源展望》中所指出的那樣——“如果我們人類不改變目前的方向，未來將會在這條道路上毀滅自己。”