[page]風能和太陽能的可提供量遠遠高于全球人的消費量。作者的計劃需要在全世界建造380萬臺大型風力渦輪機，9萬座太陽能發電廠，和大量轉換地熱、潮汐、屋頂光伏能量的裝置。每千瓦時可再生能源的生產和傳輸成本低于每千瓦時化石燃料和核能的工程成本。在此過程中，一些特殊材料的稀缺和政府對此決心的不足，成為新能源發展的最大阻礙。而最佳選擇是風能、太陽能、地熱能、潮汐能和水力發電——這些能源都來自于風力、水力和陽光（被稱為WWS——wind，water，sunlight）

據《科學美國人》雜志近日報道，12月7日65個國家的領導人將齊聚哥本哈根，設法就在接來下的幾十年里減少溫室氣體排放這一議題達成一致。實現該目標最有效的方法莫過于大規模的將化石燃料轉變為清潔、可再生的能源。如果領袖們相信這一轉變是可行的，他們也許會達成一項歷史性的協議。我們認為他們可以做到。

一年前美國前副總統阿爾·戈爾（Al Gore）許下宏愿：要在10年內用100%無碳的電能重建美國能源結構。而我們的兩位同事已經開始評估這一變革的可行性，而我們承擔了更艱巨的任務：確定如何能在最早2030年前，使全世界的能源——無論哪一領域——都由風力、水力和太陽能資源提供。下面是我們的計劃：

科學家們為此已經努力了至少十年，從各個方面對這一艱巨任務進行分析研究。最近，斯坦福大學根據其對全球變暖、環境污染、供水系統、土地利用、野生生物及其他關注點的深入研究，發布了一份2009報告，對能源系統進行了排名。最佳選擇是風能、太陽能、地熱能、潮汐能和水力發電——這些能源都來自于風力、水力和陽光（被稱為WWS——wind，water，sunlight）。核能、含碳的煤、乙醇和石油、天然氣都屬于次級的選擇。研究還發現利用WWS資源充電的電池汽車和氫燃料電池汽車有助于大幅降低交通領域的污染。

我們的計劃需要數以百萬計的風力渦輪機，抽水機和太陽能裝置。數量龐大，但也不是不可跨越的障礙；人類社會過去曾做過許多次成功的變革。在第二次世界大戰期間，美國改組了汽車工廠，生產出30萬架飛機，其它國家用這種方法生產了486,000架飛機。1956年美國開始建設州際高速公路系統，35年后高速路擴展到47,000英里，甚至改變了商業體系和社會體系。

那么改變世界的能源體系是否可行？變革能否在20年內達成？答案取決于人們選擇何種技術、關鍵原料是否容易獲得，以及經濟、政治因素的影響。

只采用清潔的技術

可再生能源來自于對資源的采集：風，能制造海浪；水，包括水力、潮汐和地熱（水被地下滾燙的巖石加熱）；以及陽光，包括光能和太陽能——發電廠通過集中光束來加熱液體，帶動渦輪機發電。我們的計劃只接受今天就能實現，或者馬上能大規模投入實施的技術，而不是那些也許要研究上二三十年的科學暢想。

為了確保我們的能源體系始終清潔，我們只考慮那些在其生命周期——技術開發、技術應用、技術衰退——中，溫室氣體和污染氣體的排放幾乎為零的技術。舉例來說，如果作為汽車燃料，即使最環保的乙醇，其造成的空氣污染也會導致和燃燒石油同樣的死亡率。而如果把核反應堆的建設和鈾的提煉和運輸過程算上，核能的碳排放量是風能的25倍。碳捕捉和封存技術可以減少火力發電廠的二氧化碳排放量，但會增加其它的空氣污染物，并且在其它方面——煤的開采、運輸、處理——更加有害，因為碳捕捉和封存技術需要消耗更多的煤。同樣的，我們也不接受那些有廢料處理和安全方面風險的技術。

在我們的計劃里，WWS資源將為加熱和交通提供電能——如果世界還希望減緩氣候變化，這些產業必須更新。我們認為大部分的化石燃料加熱器（包括烤箱和火爐）可以被電力裝置取代，并且大部分化石燃料交通工具可以被使用電池和燃料電池的交通工具取代。利用WWS資源生產的電能分解水（電解）可以制造出氫氣，用來補充燃料電池，供飛機及整個產業的消耗使用。

地球上的可再生能源儲量豐富

據美國能源情報署報告目前全球年耗電最高達大約12.5太瓦(terawatts, TW)。該機構預計，到2030年由于人口增長和生活水平提高，全世界將需要16.9太瓦的能源，其中美國消耗2.8太瓦。能源結構也和今天相似，大量依賴化石燃料。然而，如果這個星球能完全由WWS資源提供能源，而沒有化石燃料或者生物質燃燒，形勢完全可以得到改變。全球電量需求將降至僅11.5太瓦，美國的需求將降至1.8太瓦。這是因為電氣化是利用能源更加有效的途徑。例如，汽油中只有17%到20%的能量被用來驅動汽車（剩下的部分在發熱時浪費了），但是電力汽車的電能的75%到86%都產生了動能。

即使需求量增長到16.9太瓦，WWS資源也能滿足需要，甚至提供比這還多的能源。我們和其他人員的仔細研究表明，全球擁有的風能為大概1700太瓦。太陽能一項就能提供6500太瓦電能。當然，在大洋、高山和保護區域的風力和陽光是采集不到的。即使除去這些以及一些風力達不到開發要求的地區，我們依然有40到85太瓦的風能和580太瓦的太陽能，都遠超未來人類的需要。目前我們只生產了0.02太瓦的風能和0.008太瓦的太陽能。這些資源有著龐大的開發潛力。

其他的WWS技術將幫助建立一套可行性選擇項。盡管資源隨處可得，但從實用性考慮，波浪發電只能在沿海岸地區開展。許多地熱資源埋藏得太深，很難經濟地開采。

計劃：需要發電廠

很明顯，我們有足夠多的可再生能源。那么，我們如何建設新的基礎設施來為世界提供11.5太瓦的能源？我們選擇了一套以風能和太陽能為主的技術，但是9%的能源需求將有成熟的水力技術滿足（其它的風能和太陽能技術組合同樣可以很成功）。

剩下的能源需求中，風電將滿足51%，由全世界380萬大型風力渦輪機（裝機容量5兆瓦）提供。這個數字可能聽起來很龐大，但有趣的是全球每年能生產730萬汽車和輕型卡車。另外40%能源來自光伏能和太陽能發電廠，其中光伏能的30%來自房屋和商業建筑的屋頂板。這需要大約89000座平均產能300兆瓦的光伏和太陽能發電站。同時我們的計劃還包括900座水電站，其中70%已準備就緒。

目前美國安裝的風電設備只占計劃總量的0.8%。全部380萬渦輪機占用的土地不到50平方公里（比紐約曼哈頓還小）。如果把渦輪機之間的空間也算上，它們也許會占據地球土地的1%，但是渦輪機之間的空地可以用來發展農業或者牧業或者什么都不做。不利用房頂的光伏收集裝置和聚光太陽能發電站將占用地球0.33%的土地。建設如此大規模的基礎設施需要時間。但是建設當前的發電網也不容易。更重要的是，如果我們一直不放棄化石燃料，到2030年需求量就增加到16.9太瓦，這就需要13000座新的大型煤電站，它們會占用更多的土地，更不用說為了開采煤而使用的土地了。

物質難關

WWS基礎設施的規模不是問題，但是一些重要原料可能很稀缺或者價格高昂。

我們有足夠的混凝土和鋼材來建設上百萬的風力渦輪機，而且它們都是可循環利用的。真正棘手的原料是稀土金屬，比如用在渦輪機變速箱中的釹。盡管這些稀土金屬并不算短缺，但能廉價開采的稀土礦都集中在中國，因此像美國這些國家就需要采購中東的石油來換取遠東的金屬。但是制造商們正在努力生產無檔的渦輪機，如此一來限制條件就不復存在了。

光伏電池依賴于非晶態或晶態的硅，碲化鎘或者硒化、硫化銅銦。碲和銦的短缺可能破滅一些型號的薄膜太陽能電池的開發前景，但不是所有。其他的型號也許能彌補上空白。電池所需的銀可能妨礙大規模的生產，但減少銀的成分可以跨越這一障礙。回收利用舊電池上的部分材料同樣可以克服物質上的阻礙。[page]可能對制造電動汽車產生麻煩的因素有三：電動汽車所需的稀土金屬，鋰電池所需的鋰，燃料電池所需的鉑。玻利維亞和智利的鋰儲量占全世界儲量一半多。不平衡的分布加上快速增長的需求，將導致價格飆升。更大的問題在于，全盛國際研究稱，目前可經濟循環利用的鋰的產量無法生產出滿足一個全球電動汽車系統所需的電池量。回收利用可以改變困境，但是業界明白，回收的效益在某種程度上取決于電池的生產是否秉承可循環理念。鉑的長期利用也要依靠回收；目前可開采的鉑儲存量只能支撐2000萬電動汽車的年產量，而且由于已存在的產業同樣要使用鉑，可維持的時間只有不到100年。

智能的組合增加可靠性

一項新的基礎設施至少要和舊的設施一樣可靠的提供所需的能源。一般來說WWS技術比其他資源的停工期更短。美國的煤電廠平均一年有12.5%的時間用來做定期或不定期的維護。陸基的現代風力渦輪機只有不足2%的停工期，；離岸渦輪機也不足5%。光伏系統停工期同樣不到2%。此外，當一臺獨立的風能、太陽能或波浪能設備損壞，只有一小部分的產能會受到影響；而如果煤、核或天然氣電廠停產，將損失相當大的產能。

WWS最大的挑戰在于風不是每天都有，太陽也不是每天都照射在同一個固定的地方。間歇性的問題可以由智能的資源組合解決，比如建立一個有穩定地熱能或潮汐能的基站，比如某段時間起風天很多，那么晚上就可以靠風力發電，白天利用太陽能，轉向可靠的資源如水電，它可以快速開啟和關閉從而調節供給，滿足高峰用電需求。例如，相距僅100到200公里的成組風力田可以彌補其中某一塊由于無風導致的幾小時的零產出。同樣有幫助的還有地域上分散的資源互相連接起來，使它們互為替補。在家中安裝當用電空閑時自動為電動汽車充電的智能電表，并建立儲電裝備以備后用。

由于風總是在沒有陽光的多雨天氣出現，而和煦的陽光天一般也沒有風，聯合風能和太陽能對滿足能源需求大有幫助，尤其是當地熱能產出穩定，水電能隨時彌補缺口的情況下。

和煤炭一樣便宜

我們計劃中的WWS資源的混合使用能可靠的為住宅、商業、工業和交通領域提供能源。下一個問題是，這些能源是否昂貴。我們計算每一種技術條件下，生產者生產電能并通過電網傳輸的費用。我們計入了資本、土地、運營、維護、能源儲備以抵消間歇停產、運輸。目前風力、地熱、水力的費用都低于7美分沒千瓦時(?/kWh);波浪能和太陽能高些。不過到了2020年以及更晚，風力、波浪能及水力有望降至4美分千瓦時甚至更低。

與此形成對比的是，美國2007年傳統電能生產和運輸的平均價格約為7美分千瓦時，并預計在2020年達到8美分千瓦時。例如，風力渦輪機發電的消耗已經和煤電廠或天然氣電廠的消耗持平或更低些，并且在將來風力發電被認為是最廉價的選擇。風力極具競爭力的價格使得它在過去3年間成為美國第二大新一代電力來源，排名第一和第三的分別是天然氣和煤炭。

當下太陽能發電還相對昂貴，但是將在2020年前形成競爭力。布魯克海文國家實驗室的Vasilis Fthenakis 作的一份詳細的分析表明在10年內，光伏發電系統的成本將降至10美分千瓦時，包括了遠距離輸送和為供夜晚使用而將電力壓縮儲存的費用。該分析還估計，有足夠熱量儲備以在春夏秋三季24小時發電的集束太陽能發電系統可以以10美分每千瓦時或更低的價格提供電力。

WWS世界的交通全由電池或燃料電池驅動，因此我們需要把這些電動汽車和燃料發動機汽車座經濟上的對比。我們的一名同事（Delucchi）和來自伯克利加利福尼亞大學的Tim Lipman 的詳細分析表明，大規模生產的帶有先進鋰電池或氫化鎳電池的電動汽車在其使用壽命內每公里的費用（包括更換電池）相當于燃燒天然氣的汽車，如果天然氣的價格高于2美元每加侖。

如果把化石燃料家族被稱為環境代價(對人類健康、環境和氣候的損害的貨幣價值)考慮進來，WWS技術的成本將更具競爭力。

在過去二十年內，用于構建WWS系統的總體結構性花費在世界范圍內大約為100萬億，這還不包括傳輸的費用。但是這筆費用并非政府出資，也不是來源于消費者。這些資金來源于銷售電力和其他能源的收益。而且，依靠傳統資源會將產出從12.5TW提高到16.9TW，但這樣會花費掉約一千萬億的資金，多消耗成千上萬的植物，更不用說花費在健康，環境以及安全上的代價。此次WWS的計劃為世界建立了一個新型的，清潔的，有效率的能源系統，從而取代陳舊的，污染且沒有效率的能源系統。

向化石燃料征稅或者用它們來反思對環境的破壞也合情合理。但是，補助勘探與開發的稅收這樣的現行化石能源補貼至少應該取消，從而穩定能源領域。把可替代能源推入歧途的措施，比如生物燃料的農場和生產補貼，它們比WWS 能源給人的吸引力更小，而且又拖延了清潔系統的部署，因此也應該終止。從這個角度說，制定政策的立法者必需尋找方法來抵制那些已成氣候的能源產業的游說。

最后，每個國家都要自己有意愿去投資一個健康發展的長期傳輸系統，它能夠把大量的WWS能源從邊遠地區傳送到能耗中心地區。通常說來，邊遠地區最為廣闊，比如風能豐富的北美大平原和太陽能豐富的美國西南沙漠地區，而能耗中心則多是城市。在能耗高峰期間，減少消費需求也需要一種智能輸電網路。有了它，發電機和用戶能控制的以小時計的用電量會遠遠多于以往。

大范圍內的風能、水能和太陽能系統足以供給世界需求。氣候、空氣質量、水質、生態和能源安全都會顯著受益于此。正如我們所展示的，計劃的障礙主要來自于政治，而不是技術。把電網回購與供應方減少成本的激勵措施、取消化石能源補貼和智能化擴展的輸電網結合起來，這種結合體就足以確保快速配電。當然，在現實世界中能源和運輸行業的改變將不得不去消化現有公共設施上的失敗投資。有了理性的政策，國家就能設立這樣一個目標：在10到15年間，有25％的新能源供應來自WWS能源，在20到30年間，這一比例將接近100％。極端激進的政策認為：所有現存化石燃料能量可以在理論上被終止和取代；而同時期更為緩和可信的政策則認為，它們完全被替代可能要花40到50年時間。采取任何一種政策都需要領導人頭腦清醒，否則國家將一直去嘗試那些靠產業推動的技術，而對那些科學家調查研究的技術束之高閣。

十年前，全球WWS系統的技術和經濟可行性還不夠明朗。如今它已經展現，我們希望全球的首腦們能找到讓WWS能源在政治上也可行的方法。當前，他們可以從致力于氣候環境和可再生能源這樣有意義的目標入手。