可再生能源可能以迅雷不及掩耳之勢席捲全球。 這是著名倡導者阿莫里·洛文斯在 1976 年設想的。他聲稱，到 2000 年，美國 33% 的能源將來自許多小型、分散的可再生能源。幾十年後，在 2008 年 7 月，環保主義者阿爾·戈爾聲稱，在十年內徹底改造該國的電力供應將是“可實現、可負擔和變革性的”。 2009 年 11 月，馬克·雅各布森和馬克·德盧奇在《大眾科學》上發表了“透過可再生能源為地球 100% 供電的計劃”，提出了在短短二十年內將全球能源供應完全轉變為可再生能源的計劃。
然而，從 1990 年到 2012 年，世界化石燃料能源幾乎沒有變化，僅從 88% 下降到 87%。 2011 年，可再生能源產生的美國能源供應不到 10%，而且其中大部分來自“舊”可再生能源，例如水力發電廠和木材作業產生的木材廢料燃燒。 經過 20 多年的高額補貼發展，風能、太陽能等新型可再生能源以及玉米乙醇等現代生物燃料僅佔該國能源供應的 3.35%。
這種能源轉型速度緩慢並不令人驚訝。 事實上，這是預料之中的。 在美國和世界各地，每次從一種主要燃料向另一種燃料的廣泛轉型都需要 50 到 60 年。 首先是從木材轉向煤炭。 然後從煤炭轉向石油。 美國目前正在經歷第三次重大能源轉型，即從煤炭和石油轉向天然氣。 2001 年至 2012 年間，美國的煤炭消費量下降了 20%，原油消費量下降了 7%；與此同時，天然氣消費量上升了 14%。 然而，即使天然氣儲量豐富、清潔且價格合理，天然氣的使用量要超過煤炭消費量還需要一二十年的時間，而煤炭仍然佔美國電力供應的三分之一以上。
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可再生能源的普及速度並不比其他新型燃料曾經的速度快，而且沒有技術或經濟理由相信它們會更快地普及，部分原因是全球能源需求正在飆升，使得天然氣，更不用說可再生能源，難以僅僅跟上需求。
一些國家的變化可能會更快，但全球向可再生能源的轉變將緩慢進行，尤其是在當前向天然氣轉變的過程中。 當然，顛覆性技術或革命性政策始終有可能加速變革。 但能源轉型需要很長時間。
從木材到煤炭再到石油
今天對快速而徹底地向可再生能源轉型的巨大希望，主要源於一廂情願和對近期歷史的誤解。 大多數人認為，19 世紀的世界能源消耗——快速工業化時代——以煤炭為主，20 世紀是石油時代，而我們當前的世紀將屬於可再生能源。 前兩個印象是錯誤的； 最後一個印象仍然值得懷疑。
即使在工業機器興起的情況下，19 世紀也不是靠煤炭執行的。 它靠木材、木炭和作物殘茬（主要是穀物秸稈）執行，這些物質提供了全球 85% 的能源——大約 2.4 堯焦耳（YJ，1 × 1024 焦耳）。 煤炭在 1840 年左右開始供應超過 5% 的燃料能源，但到 1900 年，仍僅供應約一半的需求。 從 5% 上升到 50% 花費了 50 到 60 年。 相當不錯的美國統計資料顯示，1885 年是化石燃料（主要是煤炭、少量原油和極少量天然氣）供應的能源超過木材和木炭提供能源的那一年。 轉折點發生在 1875 年的法國和 1901 年的日本，但在 1930 年的蘇聯、1965 年的中國和 1970 年代後期的印度才發生。
同樣，在 20 世紀，最大的能源來源不是石油，而是煤炭。 在 1910 年代，煙煤和褐煤在全球燃料消費中所佔份額最高，約為 55%。 但當時已經使用的原油直到 1964 年才超過煤炭。
然而，由於煤炭相對重要性的下降伴隨著全球能源需求的穩步增長，因此從絕對量來看，煤炭——而不是原油——最終成為 20 世紀最重要的燃料：煤炭貢獻了約 5.3 YJ 的能源，而石油為 4 YJ。 只有兩個主要經濟體完成了第三次化石燃料轉型； 天然氣在 1984 年的蘇聯和 1999 年的英國超過了原油消費量。
我證明轉型是漸進且漫長的一種方式是繪製能源來源上升速度的圖表。 我從燃料達到總供應量的 5% 時開始計數，然後檢視它何時達到主導地位的程度。
三次連續的轉變具有有趣的相似之處 [參見方框]。 煤炭（取代木材）在 1840 年左右達到全球市場的 5%，1855 年達到 10%，1865 年達到 15%，1870 年達到 20%，1875 年達到 25%，1885 年達到 33%，1895 年達到 40%，1900 年達到 50%。 達到這些里程碑所需的年份順序是 15-25-30-35-45-55-60。 石油取代煤炭的間隔（從 1915 年的 5% 水平開始）幾乎相同。
天然氣在 1930 年左右達到全球燃料市場的 5%。 它在 20-30-40-55 年的順序中已達到供應量的 10%、15%、20% 和 25%，現在正朝著達到總量的 33% 邁進。 如果我們比較數字序列，我們會發現天然氣達到整體市場 25% 的份額花費了明顯更長的時間，大約 55 年，而煤炭為 35 年，石油為 40 年。
僅僅三個序列並不能決定未來全球能源轉型的節奏。 安全且廉價的核能的真正突破或真正廉價且高效地儲存風能和太陽能產生的海量能源的方式可能會加速另一次變革。 但兩個世紀以來三次全球轉型的相似節奏是引人注目的，尤其是在燃料需要非常不同的生產技術、分配渠道和機械才能將其轉化為可用電力的情況下——無論是火車的柴油發動機還是房屋的熔爐。 在全球範圍內，任何新的能源要佔據很大的市場份額，都需要兩到三代人的巨大投資和基礎設施：50 到 75 年。
向可再生能源的挑戰性轉變
到目前為止，可再生能源技術的程序同樣緩慢。 2011 年，可再生能源產生了美國 9.39% 的能源：在 97.301 千萬億 BTU 的總消耗量中，可再生能源為 9.135 千萬億 BTU（相當於約 103 昆焦耳）。 傳統可再生能源供應了 6.01%：水力發電廠 3.25%，木材（主要是伐木作業產生的廢料）2.04%，其餘少量來自生物質能和地熱。“新型”可再生能源仍然微不足道：液體生物燃料佔 2.0%，風能佔 1.19%，太陽能佔 0.16%。
新型可再生能源的總量 3.35% 是一個重要的數字。 美國可再生能源供應未來幾乎所有的增長都將來自這些來源，因為舊的可再生能源，特別是水力發電，進一步增長的潛力非常有限。
向可再生能源的轉型尤其具有挑戰性，原因有幾個。 首先是規模。 2012 年，全球化石能源的使用量約為 450 艾焦耳（1 × 1018 焦耳），是 1890 年代煤炭超過木材時的 20 倍。 僅僅使用任何新的能源來源來產生如此多的能源就令人望而生畏，而且其中很大一部分必須來自美國，美國目前消耗了世界總量的近五分之一。
另一個因素是風能和太陽能的間歇性。 現代社會需要可靠、不間斷的電力供應，並且越來越多的電力需求在夜間用於為空調和特大城市的電子基礎設施供電，從地鐵到網際網路伺服器。 煤電廠和核電廠提供美國的電力“基本負荷”——即全天候穩定產生的電力份額。 水力發電廠和天然氣發電廠可以快速啟動和關閉，通常提供滿足短期但高需求的額外電力，這些需求遠高於某些時段的基本負荷。
風能和太陽能可以為基本負荷做出貢獻，但它們本身無法供應所有基本負荷，因為風不會總是吹，太陽在晚上落下，而且這種供應無法可靠預測。 在德國等可再生能源已大幅增長的國家，風能和太陽能可能在某些陽光充足和多風的時段供應從微不足道到大約一半的總需求。 這些巨大的波動需要其他發電廠（通常是煤電廠或天然氣發電廠）的備用，或增加電力進口。 在德國，所有這些可變性都可能對一些鄰國的電力流動造成嚴重中斷。
如果電力公司有一種廉價的方式來儲存風能和太陽能在需求低時產生的海量過剩電力，這些電力可以稍後被利用來滿足峰值需求，那麼新型可再生能源的擴張速度將快得多。 不幸的是，數十年的發展只提供了一種良好的大型解決方案：將水抽到高架水庫，以便水可以流回透過渦輪機發電。 沒有多少地方有海拔變化或空間來使其發揮作用，而且該過程會造成淨能量損失。
另一種解決方案是在一個大的區域（相當於一個主要國家或半個大陸的規模）建造大量的風能和太陽能發電廠，並透過輸電線路將它們連線起來，最大限度地提高一部分電廠始終為電網供電的可能性。 更好和更長的輸電線路在技術上是可行的，但建造起來很昂貴，並且經常面臨當地的強烈反對：毫不奇怪，美國和德國新線路的審批都在緩慢進行。
最終，大規模採用可再生能源將需要從根本上重塑我們現代的能源基礎設施。 對於電力而言，這將需要從相對少量的大型火力或水力發電廠轉變為數量更多的小型、分散式風能和太陽能系統。 對於液體燃料而言，這將需要從提取高能量密度的石油轉向生產低能量密度的生物燃料。 在許多方面，向可再生能源的轉型比先前從煤炭到石油再到天然氣的轉變更具挑戰性。
導致轉型漫長的最後一個因素是現有基礎設施的規模和成本。 即使我們被免費贈予可再生能源，各國、企業或市政當局放棄它們在化石燃料系統（從煤礦、油井、天然氣管道和煉油廠到數百萬個當地加油站）中進行的鉅額投資在經濟上也是不可思議的——這些基礎設施在全球的價值至少為 20 萬億美元。 根據我的計算，僅中國在 2001 年至 2010 年間就花費了 5000 億美元，增加了近 300 吉瓦的新增燃煤發電能力——超過了德國、法國、英國、義大利和西班牙的化石燃料發電能力的總和——並且預計這些電廠將執行至少 30 年。 沒有哪個國家會放棄如此鉅額的投資。
怎麼辦？
請允許我澄清一點。 有許多環境原因可以減少對化石燃料的依賴，甚至超越了減少溫室氣體排放的目標。 燃燒化石燃料會排放導致酸雨和光化學煙霧的硫氧化物和氮氧化物、加劇全球變暖的黑碳以及危害人類健康的重金屬。 依賴化石燃料還會造成水汙染和破壞土地。 轉向非化石能源在環境上是可取的，儘管一些替代能源也會產生重大的環境影響。
如何儘可能有效地實現這一目標才是真正的問題。 瞭解轉型將需要數十年時間，這使得許多政策選擇變得清晰。 美國和世界的能源和環境政策一直令人沮喪。 我們需要的不是一廂情願推動的短期時尚，而是基於現實預期的長期政策，我們應該做出無悔的選擇，而不是倉促、考慮不周的承諾。
做到這一點的一種方法是避免挑選能源贏家。 政府無法預見哪些有希望的研發活動將率先進入自由市場，因此它們不應一直挑選明顯的贏家，只是為了很快放棄它們而選擇下一個流行的選項（還記得快中子增殖反應堆或以氫氣為燃料的燃料電池汽車嗎？）。 在各種研究活動上投入資金是最佳策略：誰會在 1980 年猜到，在接下來的三十年裡，聯邦政府在能源創新方面的最佳投資回報將不是來自核反應堆或光伏電池的工作，而是來自頁岩沉積物的水平鑽井和水力壓裂（“壓裂”）的工作？
政府也不應向那些跳上最新能源潮流的公司提供鉅額補貼或貸款擔保，Solyndra 就是一個例證，這是一家光伏太陽能系統製造商，在迅速破產之前從美國政府獲得了 5.35 億美元。 補貼可以加速新興能源轉型的進步，但它們應以現實的評估為指導，並且需要持續的承諾，而不是從一個被誇大的“解決方案”轉向另一個。
與此同時，所有形式的能源價格都應儘可能反映真實成本，其中包括產生該能源的直接以及長期環境和健康影響。 這些影響範圍從燃燒化石燃料產生的溫室氣體和黑碳，到種植玉米生產乙醇造成的土壤侵蝕、氮徑流和水資源枯竭，再到連線遙遠的風能和太陽能發電場的超高壓超級電網的成本。 這種現實檢驗可以揭示能源來源的長期優勢。
加速向可再生能源逐步轉型的最重要方法是降低總體能源使用量。 需求增長越快，就越難供應其中的很大一部分。 最近的研究表明，無論是在富裕世界還是在快速現代化的國家（尤其是透過提高效率），將能源使用量減少三分之一都不存在不可克服的技術難題。 隨著我們減少需求，我們可以淘汰舊的化石能源。 富裕國家的人民和政治家也必須接受這樣一個事實，即在過去半個世紀裡，能源價格雖然在上漲，但從歷史角度來看一直非常低廉。 富裕國家應該支付更多費用，以適當考慮能源對環境和健康的影響。
國家或全球範圍內的能源轉型本質上是曠日持久的事情。 從化石燃料向可再生能源的逐步轉變也不例外。 這將需要幾代人的堅持不懈。