僅靠提高能源效率，任何旨在大幅減少溫室氣體排放的計劃都無法成功。因為經濟增長持續推動能源需求——新工廠需要更多煤炭，新汽車需要更多石油，新住宅需要更多天然氣供暖——儘管更節能的汽車、建築和電器不斷湧現，碳排放量仍將持續攀升。為了應對全球變暖這一令人擔憂的趨勢，美國和其他國家必須大力投入開發幾乎不產生或完全不產生碳的可再生能源。
三十年前，為應對 20 世紀 70 年代的石油禁運，可再生能源技術曾一度風靡一時，但這種興趣和支援並未持續下去。然而近年來，太陽能電池、風力渦輪機和生物燃料（乙醇和其他源自植物的燃料）的效能和經濟性都取得了顯著提升，為大規模商業化鋪平了道路。除了環境效益外，可再生能源還有望透過減少美國對其他國家化石燃料的依賴來增強美國的能源安全。更重要的是，石油和天然氣的價格居高不下且劇烈波動，使得可再生替代能源更具吸引力。
我們現在正處於可再生能源機遇空前的時代，現在是推動未來幾十年清潔能源發展的理想時機。但這需要對科學、經濟和政治資源進行長期投資。政策制定者和普通民眾必須要求採取行動，並互相激勵，以加速轉型。
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讓陽光照耀
太陽能電池，也稱為光伏電池，使用半導體材料將陽光轉化為電流。它們目前僅佔世界電力供應的一小部分：其全球發電容量為 5,000 兆瓦 (MW)，僅佔所有能源總髮電容量的 0.15%。然而，陽光的潛在能量可能是目前世界能源消耗量的 5,000 倍。得益於技術進步、成本下降以及許多州和國家的優惠政策，過去十年，光伏電池的年產量每年增長超過 25%，2005 年更是實現了驚人的 45% 的增長。去年生產的電池為全球發電容量增加了 1,727 兆瓦，其中 833 兆瓦產自日本，353 兆瓦產自德國，153 兆瓦產自美國。
現在可以使用多種材料製造太陽能電池，從仍然佔據市場主導地位的傳統多晶矽晶片到薄膜矽電池以及由塑膠或有機半導體組成的器件。薄膜光伏電池的生產成本低於晶體矽電池，但將光轉化為電力的效率也較低。在實驗室測試中，晶體電池已達到 30% 或更高的效率；目前市售的此類電池的效率範圍為 15% 至 20%。近年來，所有型別太陽能電池的實驗室和商業效率均穩步提高，表明擴大研究力度將進一步提高市售太陽能電池的效能。
太陽能光伏電池特別易於使用，因為它們可以安裝在許多地方——房屋和辦公樓的屋頂或牆壁上，沙漠中的廣闊陣列中，甚至縫製在衣服上為行動式電子裝置供電。加利福尼亞州與日本和德國一道，在全球範圍內大力推動太陽能裝置的安裝；百萬太陽能屋頂計劃旨在到 2018 年在該州創造 3,000 兆瓦的新發電容量。我在加州大學伯克利分校的可再生和適宜能源實驗室 (Renewable and Appropriate Energy Laboratory) 的研究小組所做的研究表明，如果目前的趨勢繼續下去，僅在美國，太陽能光伏電池的年產量就可能在短短 20 年內增長到 10,000 兆瓦。
風的吹拂
風力發電的增長速度可與太陽能產業相媲美。過去十年，全球風力渦輪機的發電容量平均每年增長超過 25%，2005 年達到近 60,000 兆瓦。在歐洲，這一增長簡直是爆炸性的——1994 年至 2005 年間，歐盟國家的風力發電裝機容量從 1,700 兆瓦躍升至 40,000 兆瓦。僅德國就擁有超過 18,000 兆瓦的容量，這要歸功於一項積極的建設計劃。德國北部石勒蘇益格-荷爾斯泰因州目前透過 2,400 多臺風力渦輪機滿足其年度電力需求的四分之一，在某些月份，風力發電提供的電力超過該州電力需求的一半。此外，西班牙擁有 10,000 兆瓦的風力發電容量，丹麥擁有 3,000 兆瓦，英國、荷蘭、義大利和葡萄牙各自擁有超過 1,000 兆瓦。
在美國，風力發電產業在過去五年中顯著加速發展，2005 年總髮電容量躍升 36% 至 9,100 兆瓦。儘管風力渦輪機目前僅產生美國 0.5% 的電力，但其擴張潛力巨大，尤其是在多風的大平原州。（例如，北達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風力發電場以充分利用這些資源，那麼風力渦輪機可以產生高達 11 萬億千瓦時的電力，幾乎是去年全美所有能源來源產生的總量的三倍。風力發電產業已經開發出越來越大型和高效的渦輪機，每臺渦輪機能夠產生 4 至 6 兆瓦的電力。在許多地方，風力發電是最便宜的新型電力，成本在每千瓦時 4 至 7 美分之間。
美國新風力發電場的增長得益於生產稅收抵免，該抵擴音供相當於每千瓦時 1.9 美分的適度補貼，使風力渦輪機能夠與燃煤電廠競爭。不幸的是，國會一再威脅要取消這項稅收抵免。立法者沒有為風力發電制定長期補貼，而是每年延長稅收抵免，而持續的不確定性減緩了對風力發電場的投資。國會還威脅要破壞在馬薩諸塞州海岸附近擬議的 130 臺渦輪機風力發電場，該風力發電場將提供 468 兆瓦的發電容量，足以滿足科德角、瑪莎葡萄園島和楠塔基特島大部分地區的電力需求。
對風力發電的保留意見部分來自不願接受這項新技術的公用事業公司，部分來自所謂的鄰避主義。（NIMBY 是“Not in My Backyard”（不要在我家後院）的首字母縮寫。） 儘管當地對風力渦輪機將如何影響景觀的擔憂可能具有一定的道理，但必須將其與替代方案的社會成本進行權衡。由於社會對能源的需求持續增長，拒絕風力發電場通常意味著需要建造或擴建對環境造成更大破壞性影響的化石燃料發電廠。
綠色燃料
研究人員還在積極開發生物燃料，這種燃料可以替代目前機動車輛消耗的至少一部分石油。迄今為止，美國最常見的生物燃料是乙醇，它通常由玉米制成並與汽油混合。乙醇製造商受益於大量的稅收抵免：在每年 20 億美元補貼的幫助下，他們在 2005 年銷售了超過 160 億升乙醇（幾乎佔所有汽車燃料體積的 3%），預計到 2007 年產量將增長 50%。一些政策制定者對補貼的明智性提出了質疑，他們指出研究表明，收穫玉米和提煉乙醇所消耗的能量超過了燃料可以傳遞給內燃機的能量。然而，在最近的一項分析中，我和我的同事發現，其中一些研究沒有正確地考慮與乙醇一起製造的副產品的能量含量。當正確計算所有投入和產出時，我們發現乙醇的淨能量為每升近五兆焦耳。
然而，我們也發現，乙醇對溫室氣體排放的影響更加模稜兩可。我們最好的估計表明，用玉米乙醇替代汽油可減少 18% 的溫室氣體排放，但由於某些農業實踐，特別是化肥的環境成本存在很大的不確定性，因此分析受到了阻礙。如果我們對這些實踐使用不同的假設，那麼改用乙醇的結果範圍從排放量下降 36% 到增加 29% 不等。儘管玉米乙醇可能有助於美國減少對外國石油的依賴，但除非生物燃料的生產變得更清潔，否則它可能對減緩全球變暖沒有太大作用。
但是，當乙醇由纖維素來源製成時，計算結果會發生很大變化：例如柳枝稷或楊樹等木本植物。大多數玉米乙醇製造商燃燒化石燃料以提供發酵所需的熱量，而纖維素乙醇的生產商則燃燒木質素（有機材料中不可發酵的部分）來加熱植物糖。燃燒木質素不會向大氣中增加任何溫室氣體，因為排放量會被用於製造乙醇的植物生長過程中吸收的二氧化碳所抵消。因此，用纖維素乙醇替代汽油可以將溫室氣體排放量減少 90% 或更多。
另一種有前景的生物燃料是所謂的綠色柴油。研究人員透過首先氣化生物質（將有機材料加熱到足以釋放氫氣和一氧化碳的程度），然後使用費託工藝將這些化合物轉化為長鏈碳氫化合物，從而生產出這種燃料。（在第二次世界大戰期間，德國工程師使用這些化學反應從煤炭中製造合成汽車燃料。） 結果將是一種具有經濟競爭力的機動車輛液體燃料，幾乎不會向大氣中增加溫室氣體。石油巨頭荷蘭皇家殼牌公司目前正在調查這項技術。
研發需求
這些可再生能源現在都處於或接近臨界點，即關鍵階段，在這個階段，投資和創新以及市場準入可以使這些有吸引力但通常處於邊緣地位的供應商成為區域和全球能源供應的主要貢獻者。與此同時，旨在為可再生能源開闢市場的積極政策正在世界各地的城市、州和聯邦層面紮根。政府出於各種各樣的原因採取了這些政策：促進市場多樣化或能源安全，支援產業和就業，以及在地方和全球範圍內保護環境。在美國，超過 20 個州已透過標準，設定了必須由可再生能源供應的最低電力比例。德國計劃到 2020 年從可再生能源中產生 20% 的電力，瑞典計劃完全放棄化石燃料。
甚至喬治·W·布什總統也在他今年 1 月發表的著名國情諮文中表示，美國對石油上癮了。儘管布什沒有將此與全球變暖聯絡起來，但幾乎所有科學家都同意，人類對化石燃料的依賴正在擾亂地球的氣候。現在是採取行動的時候了，而且最終已經存在一些工具，可以以同時有利於經濟和環境的方式改變能源生產和消費。然而，在過去 25 年中，公共和私人對能源領域的研發投入已經萎縮。1980 年至 2005 年間，美國所有研發支出中用於能源的比例從 10% 下降至 2%。能源年度公共研發資金從 80 億美元降至 30 億美元（以 2002 年美元計算）；私人研發資金從 40 億美元驟降至 10 億美元[見下頁方框]。
為了讓您瞭解這些下降的幅度，請考慮在 20 世紀 80 年代初，能源公司在研發方面的投資超過了製藥公司，而如今，能源公司的投資比製藥公司低一個數量級。整個能源行業的私人研發資金總額甚至低於一家大型生物技術公司。（例如，安進公司 2005 年的研發支出為 23 億美元。） 隨著研發支出的減少，創新也隨之減少。例如，隨著過去四分之一個世紀以來對光伏電池和風力發電的研發資金的減少，這些領域成功專利申請的數量也相應下降。對長期研究和規劃的忽視大大削弱了我們國家應對氣候變化和能源供應中斷挑戰的能力。
呼籲大幅增加能源研發投入已變得司空見慣。總統科技顧問委員會 1997 年的一項研究以及兩黨全國能源政策委員會 2004 年的一份報告都建議聯邦政府將其能源研發支出增加一倍。但是，這樣的擴張是否足夠呢？可能不夠。根據對穩定大氣中二氧化碳含量的成本的評估，以及其他評估能源研發計劃的成功以及由此產生的技術帶來的節省的研究，我的研究小組計算出，每年需要 150 億至 300 億美元的公共資金——比目前的水平增加五到十倍。
我的實驗室的博士生格雷格·F·內梅特 (Greg F. Nemet) 和我發現，這種規模的增加大致相當於之前的聯邦研發計劃（例如曼哈頓計劃和阿波羅計劃）期間發生的增加，這些計劃除了實現其目標外，還產生了可觀的經濟效益。美國能源公司也可以將其研發支出提高 10 倍，但仍將低於美國整體行業的平均水平。儘管政府資金對於支援早期技術至關重要，但私營部門的研發是篩選最佳創意和減少商業化障礙的關鍵。
然而，增加研發支出並不是使清潔能源成為國家優先事項的唯一途徑。從幼兒園到大學，各級教育工作者都可以透過教授能源使用和生產如何影響社會和自然環境來激發公眾的興趣和行動。非營利組織可以設立一系列競賽，獎勵第一家實現具有挑戰性和有價值的能源目標的公司或私人群體，例如建造一座可以自發電的建築物或電器，或者開發一種每加侖燃料可以行駛 200 英里的商用汽車。這些競賽可以效仿阿育王獎 (Ashoka awards) 對公共政策先驅的獎勵和安薩里 X 大獎 (Ansari X Prize) 對太空飛行器開發者的獎勵。科學家和企業家還應專注於尋找清潔、經濟的方式來滿足發展中國家人民的能源需求。例如，我和我的同事最近詳細介紹了改進非洲烹飪爐灶的環境效益。
但實現可持續能源經濟的最重要一步或許是建立基於市場的計劃，使碳燃料的價格反映其社會成本。煤炭、石油和天然氣的使用給社會帶來了巨大的集體代價，其形式包括空氣汙染引起的疾病的醫療保健支出、確保石油供應的軍事開支、採礦作業造成的環境破壞以及全球變暖可能造成的災難性經濟影響。對碳排放徵收費用將提供一種簡單、合乎邏輯且透明的方法，以獎勵可再生、清潔的能源，而不是那些損害經濟和環境的能源。稅收收入可以支付碳排放的一些社會成本，一部分可以指定用於補償在能源上花費更多收入份額的低收入家庭。此外，碳費用可以與總量控制和交易計劃相結合，該計劃將設定碳排放限額，但也允許最清潔的能源供應商將其許可證出售給汙染更嚴重的競爭對手。聯邦政府已成功使用此類計劃來遏制其他汙染物，一些東北部州已在試驗溫室氣體排放交易。
最棒的是，這些措施將為能源公司提供巨大的經濟激勵，以促進可再生能源的開發和商業化。本質上，美國有機會培育一個全新的產業。氣候變化的威脅可以成為清潔技術革命的集結號，這將加強該國的製造業基礎，創造數千個就業崗位，並緩解我們的國際貿易逆差——我們可以出口高效汽車、電器、風力渦輪機和光伏電池，而不是進口外國石油。這種轉型可以將國家的能源部門變成曾經被認為不可能的事情：一個充滿活力、環境可持續的增長引擎。
作者
丹尼爾·M·卡門 (DANIEL M. KAMMEN) 是加州大學伯克利分校 1935 級傑出能源教授，他在能源與資源組、戈德曼公共政策學院和核工程系均有職位。他是可再生和適宜能源實驗室的創始主任，也是伯克利環境研究所的聯合主任。