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12 月，來自世界各地的領導人將齊聚哥本哈根，試圖就未來幾十年削減溫室氣體排放達成一致。實施該目標最有效的步驟將是從化石燃料大規模轉向清潔、可再生能源。如果領導人確信這種轉變是可能的，他們可能會承諾達成一項歷史性協議。我們認為他們可以。
一年前，美國前副總統戈爾發起了挑戰：在 10 年內用 100% 無碳電力為美國重新供電。當我們兩人開始評估這種改變的可行性時，我們接受了更大的挑戰：確定到 2030 年，如何透過風能、水能和太陽能資源為世界 所有 用途提供 100% 的能源。我們的計劃在此 प्रस्तुत。
科學家們至少在過去十年中一直在為此刻做準備，分析挑戰的各個方面。最近，2009 年斯坦福大學的一項研究根據能源系統對全球變暖、汙染、供水、土地利用、野生動物和其他問題的影響對其進行了排名。最佳選擇是風能、太陽能、地熱能、潮汐能和水力發電——所有這些都由風、水或陽光（統稱為 WWS）驅動。核能、碳捕獲煤炭和乙醇都是較差的選擇，石油和天然氣也是如此。該研究還發現，由 WWS 選項充電的電池電動汽車和氫燃料電池汽車將在很大程度上消除交通運輸部門的汙染。
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我們的計劃需要數百萬颱風力渦輪機、水力機械和太陽能裝置。數量很大，但規模並非不可逾越的障礙；社會以前也曾實現過大規模轉型。在第二次世界大戰期間，美國將汽車工廠改造成生產 30 萬架飛機，其他國家又生產了 48.6 萬架飛機。1956 年，美國開始建設州際公路系統，該系統在 35 年後延伸了 47,000 英里，改變了商業和社會。
改造世界能源系統是否可行？能否在二十年內完成？答案取決於所選擇的技術、關鍵材料的可用性以及經濟和政治因素。
僅限清潔技術
可再生能源來自誘人的來源：風，它也產生波浪；水，包括水力、潮汐和地熱能（地下熱巖加熱的水）；以及太陽，包括光伏和聚光太陽能發電廠，它們聚焦陽光以加熱流體，從而驅動渦輪機發電。我們的計劃僅包括今天大規模執行或接近執行的技術，而不是可能在 20 或 30 年後才出現的技術。
為了確保我們的系統保持清潔，我們只考慮在整個生命週期內溫室氣體和空氣汙染物排放量接近於零的技術，包括建設、運營和退役。例如，即使是最符合生態要求的乙醇來源，在車輛中燃燒時也會產生空氣汙染，其死亡率水平與燃燒汽油時相同。考慮到反應堆建設以及鈾提煉和運輸，核能產生的碳排放量是風能的 25 倍。碳捕獲和封存技術可以減少燃煤電廠的二氧化碳排放，但會增加空氣汙染物，並將延長煤礦開採、運輸和加工的所有其他有害影響，因為必須燃燒更多的煤來為捕獲和儲存步驟提供動力。同樣，我們只考慮不會帶來重大廢物處理或恐怖主義風險的技術。
在我們的計劃中，WWS 將為供暖和交通運輸行業提供電力——如果世界希望減緩氣候變化，這些行業將不得不進行改造。我們假設大多數化石燃料供暖（以及烤箱和爐灶）可以被電力系統取代，而大多數化石燃料運輸可以被電池和燃料電池汽車取代。氫氣透過使用 WWS 電力分解水（電解）產生，將為燃料電池提供動力，並在飛機和工業中燃燒。
充足的供應
根據美國能源資訊署的資料，目前全球任何給定時刻的最大電力消耗約為 12.5 萬億瓦（太瓦，或 TW）。該機構預測，到 2030 年，隨著全球人口和生活水平的提高，世界將需要 16.9 TW 的電力，其中美國約為 2.8 TW。能源來源的組合與今天相似，嚴重依賴化石燃料。然而，如果地球完全由 WWS 供電，而不燃燒化石燃料或生物質，將會出現一個有趣的節省。全球電力需求將僅為 11.5 TW，美國需求將為 1.8 TW。下降的原因是，在大多數情況下，電氣化是一種更有效利用能源的方式。例如，汽油中只有 17% 到 20% 的能量用於移動車輛（其餘作為熱量浪費），而輸送到電動汽車的電力中有 75% 到 86% 用於運動。
即使需求確實上升到 16.9 TW，WWS 來源也可能提供更多的電力。我們和其他人的詳細研究表明，全球風能約為 1,700 TW。僅太陽能就提供了 6,500 TW。當然，公海、高山和保護區上的風能和太陽能將無法利用。如果我們減去這些區域和不太可能開發的低風區域，我們仍然剩下 40 到 85 TW 的風能和 580 TW 的太陽能，均遠遠超出未來人類的需求。然而，目前我們僅產生 0.02 TW 的風能和 0.008 TW 的太陽能。這些來源蘊藏著令人難以置信的未開發潛力。
其他 WWS 技術將有助於建立靈活的選擇範圍。儘管所有來源都可以大大擴充套件，但出於實際原因，波浪能只能在沿海地區提取。許多地熱資源太深，無法經濟地開採。即使水力發電現在超過所有其他 WWS 來源，但大多數合適的大型水庫都已在使用中。
計劃：所需的發電廠
顯然，存在足夠的可再生能源。那麼，我們如何過渡到新的基礎設施來為世界提供 11.5 TW 的電力呢？我們選擇了一種強調風能和太陽能的技術組合，其中約 9% 的需求由成熟的水相關方法滿足。（其他風能和太陽能的組合也可能同樣成功。）
風能供應 51% 的需求，由全球 380 萬臺大型風力渦輪機（每臺額定功率為 5 兆瓦）提供。雖然這個數量聽起來可能很大，但有趣的是，世界每年生產 7300 萬輛汽車和輕型卡車。另外 40% 的電力來自光伏和聚光太陽能電站，其中約 30% 的光伏輸出來自住宅和商業建築的屋頂面板。大約需要 89,000 座光伏和聚光太陽能發電廠，平均每座 300 兆瓦。我們的組合還包括全球 900 座水電站，其中 70% 已經到位。
今天，風能基地的裝機容量僅佔約 0.8%。380 萬臺渦輪機的全球足跡將小於 50 平方公里（小於曼哈頓）。當計算出它們之間所需的間距時，它們將佔用地球陸地的約 1%，但渦輪機之間的空地可以用於農業或畜牧業，或作為空地或海洋。非屋頂光伏和聚光太陽能電站將佔用地球陸地的約 0.33%。建設如此廣泛的基礎設施需要時間。但當前的發電廠網路也是如此。請記住，如果我們堅持使用化石燃料，到 2030 年需求將上升到 16.9 TW，需要大約 13,000 座大型新燃煤電廠，這些電廠本身將佔用更多的土地，為它們提供燃料的煤礦開採也將佔用更多的土地。
材料障礙
WWS 基礎設施的規模不是障礙。但是，建造它所需的一些材料可能會稀缺或受到價格操縱。
數百萬颱風力渦輪機有足夠的混凝土和鋼鐵，這兩種商品都是完全可回收的。最成問題的材料可能是稀土金屬，例如渦輪機齒輪箱中使用的釹。儘管這些金屬供應充足，但低成本來源集中在中國，因此美國等國家可能會將對中東石油的依賴轉變為對遠東金屬的依賴。然而，製造商正在轉向無齒輪渦輪機，因此這種限制可能會變得無關緊要。
光伏電池依賴於非晶矽或晶體矽、碲化鎘或硒化銅銦和硫化物。碲和銦的供應有限可能會降低某些型別的薄膜太陽能電池的前景，但並非所有型別；其他型別或許能夠彌補不足。大規模生產可能會受到電池所需的銀的限制，但尋找減少銀含量的方法可以解決這一障礙。回收舊電池的部件也可以緩解材料困難。
三個元件可能會對建造數百萬輛電動汽車構成挑戰：電動馬達的稀土金屬、鋰離子電池的鋰和燃料電池的鉑。全球一半以上的鋰儲量位於玻利維亞和智利。這種集中度，加上快速增長的需求，可能會顯著提高價格。更成問題的是 Meridian International Research 聲稱，經濟上可回收的鋰不足以建造全球電動汽車經濟中所需的電池數量。回收可以改變這種局面，但回收的經濟性部分取決於電池的製造是否考慮到易於回收，這是該行業意識到的一個問題。鉑的長期使用也取決於回收；目前的可用儲量將支援每年生產 2000 萬輛燃料電池汽車，以及現有工業用途，不到 100 年。
智慧組合以提高可靠性
新的基礎設施必須至少像現有基礎設施一樣可靠地按需提供能源。WWS 技術的停機時間通常比傳統來源少。美國燃煤電廠的平均年停機時間為 12.5%，用於計劃內和計劃外維護。現代陸上風力渦輪機的停機時間不到 2%，海上風力渦輪機的停機時間不到 5%。光伏系統的停機時間也低於 2%。此外，當單個風能、太陽能或波浪能裝置停機時，只有一小部分產量會受到影響；當燃煤、核能或天然氣電廠停機時，會損失大量發電量。
WWS 的主要挑戰是，風並不總是在吹，太陽也並不總是在特定地點照射。間歇性問題可以透過智慧的能源組合來緩解，例如從穩定的地熱能或潮汐能發電提供基本供應，在通常風力充足的夜間依靠風能，白天使用太陽能，並轉向可靠的能源（如水力發電），它可以快速開啟和關閉以平穩供應或滿足高峰需求。例如，互連僅相距 100 到 200 英里的風電場可以補償任何一個風電場在無風時數小時的零功率。同樣有幫助的是互連地理位置分散的能源，以便它們可以相互備份，在家中安裝智慧電錶，以便在需求較低時自動為電動汽車充電，以及建造用於儲存電力以供以後使用的設施。
由於風通常在暴風雨天氣中吹，而太陽不照射，而太陽通常在風小的平靜天氣中照射，因此將風能和太陽能結合起來可以在很大程度上滿足需求，特別是當利用地熱能提供穩定的基礎，並可以呼叫水力發電來填補空白時。
與煤炭一樣便宜
我們計劃中的 WWS 能源組合可以可靠地為住宅、商業、工業和交通運輸部門供電。下一個合乎邏輯的問題是電力是否負擔得起。對於每種技術，我們計算了生產者發電並將其輸送到電網的成本。我們包括了資本、土地、運營、維護、能源儲存（以幫助抵消間歇性供應）和輸電的年化成本。今天，風能、地熱能和水力發電的成本都低於每千瓦時 7 美分 (¢/kWh)；波浪能和太陽能更高。但到 2020 年及以後，風能、波浪能和水力發電預計將為 4¢/kWh 或更低。
相比之下，2007 年美國傳統發電和輸電的平均成本約為 7¢/kWh，預計到 2020 年將達到 8¢/kWh。例如，風力渦輪機發電的成本已經與新建燃煤或天然氣電廠的成本大致相同甚至更低，而且未來風力發電預計將成為所有選項中成本最低的。風能的競爭成本使其成為過去三年美國第二大新增電力來源，僅次於天然氣，領先於煤炭。
太陽能現在相對昂貴，但最早應在 2020 年具有競爭力。布魯克海文國家實驗室的 Vasilis Fthenakis 進行的仔細分析表明，在 10 年內，光伏系統成本可能會降至約 10¢/kWh，包括長途輸電和夜間使用的壓縮空氣儲能成本。同樣的分析估計，具有足夠的熱能儲存以在春季、夏季和秋季每天 24 小時發電的聚光太陽能發電系統可以以 10¢/kWh 或更低的價格輸送電力。
WWS 世界中的交通運輸將由電池或燃料電池驅動，因此我們應該將這些電動汽車的經濟性與內燃機汽車的經濟性進行比較。我們中的一位（德魯奇）和加州大學伯克利分校的蒂姆·利普曼進行的詳細分析表明，當汽油價格超過每加侖 2 美元時，大規模生產的配備先進鋰離子或鎳金屬氫化物電池的電動汽車的每英里全壽命成本（包括電池更換）可以與汽油汽車的成本相媲美。
當考慮到化石燃料發電的所謂外部成本（對人類健康、環境和氣候造成的損害的貨幣價值）時，WWS 技術變得更具成本競爭力。
全球 WWS 系統的總體建設成本可能在 20 年內達到 100 萬億美元左右，不包括輸電。但這並非政府或消費者支出的資金。這是透過銷售電力和能源獲得回報的投資。再次強調，依靠傳統能源將使產量從 12.5 TW 提高到 16.9 TW，需要增加數千座此類電廠，耗資約 10 萬億美元，更不用說在健康、環境和安全方面的數百億美元成本。WWS 計劃為世界提供了一個新的、清潔的、高效的能源系統，而不是一箇舊的、骯髒的、低效的能源系統。
政治意願
我們的分析強烈表明，WWS 的成本將與傳統能源具有競爭力。然而，在此期間，某些形式的 WWS 電力將明顯高於化石能源。因此，在一段時間內，需要某種形式的 WWS 補貼和碳稅。上網電價 (FIT) 計劃旨在彌補發電成本與批發電價之間的差額，對於擴大新技術規模尤其有效。將 FIT 與所謂的降價時鐘拍賣相結合，其中向電網售電的權利授予出價最低者，為 WWS 開發商提供了持續降低成本的激勵。隨著這種情況的發生，FIT 可以逐步取消。FIT 已在許多歐洲國家和一些美國州實施，並在刺激德國的太陽能發電方面非常成功。
對化石燃料或其使用徵稅以反映其環境損害也是有道理的。但至少，應取消對化石能源的現有補貼，例如勘探和開採的稅收優惠，以創造公平的競爭環境。還應結束對不如 WWS 電力理想的替代品的錯誤推廣，例如對生物燃料的農業和生產補貼，因為它會延遲更清潔系統的部署。就政策制定者而言，立法者必須找到抵制根深蒂固的能源行業遊說的方式。
最後，每個國家都需要願意投資於強大的長途輸電系統，該系統可以將大量 WWS 電力從通常最大的偏遠地區（例如美國大平原的風能和西南沙漠的太陽能）輸送到通常是城市的消費中心。在高峰使用期減少消費者需求也需要智慧電網，以便發電機和消費者可以更好地控制每小時的用電量。
大規模的風能、水能和太陽能系統可以可靠地滿足世界的需求，顯著改善氣候、空氣質量、水質量、生態和能源安全。正如我們所展示的，障礙主要是政治性的，而不是技術性的。上網電價加上激勵提供商降低成本、取消化石補貼和智慧擴充套件電網的組合可能足以確保快速部署。當然，現實世界的電力和交通運輸行業的變革將不得不克服對現有基礎設施的沉沒投資。但憑藉明智的政策，各國可以設定在 10 到 15 年內用 WWS 能源來源產生 25% 的新增能源供應，並在 20 到 30 年內幾乎 100% 的新增能源供應的目標。透過極其積極的政策，所有現有的化石燃料產能理論上都可以在同一時期內退役和更換，但採用更溫和且可能的政策，完全更換可能需要 40 到 50 年。無論哪種方式，都需要明確的領導，否則各國將繼續嘗試行業推廣的技術，而不是經過科學家審查的技術。
十年前，全球 WWS 系統在技術上或經濟上是否可行尚不清楚。在證明它是可行的之後，我們希望全球領導人能夠弄清楚如何使 WWS 電力在政治上也是可行的。他們現在可以從承諾有意義的氣候和可再生能源目標開始。
注意：本文最初印刷時標題為“到 2030 年實現可持續能源的道路”。