对于能源使用问题，可以说是一报还一报，尤其是化石燃料排放出的二氧化碳造成环境污染以及全球气候变暖等一系列负面影响。然而，这些问题终究应该寻找到一条有效的途径予以解决
瓦茨拉夫·斯米尔（Vaclav Smil），加拿大皇家学会（科学院）院士、温尼伯曼尼托巴大学环境学院特聘教授。
全球能源问题，这是一个永无止境遭遇新问题的课题。50年前，当西方公共事业对电力需求已经达到每年两位数的增长时，由于忽视了原油（当时一桶原油仅需1美元）以及受媒体的影响，许多西方国家决定发展最终能转化成快速增殖反应堆的核能资源，以确保未来的电力资源。20年后，即1979年——1981年的第二次能源危机期间，原油价格上涨成为了全世界关注的首要问题，而此时的电力需求量已经跌至个位数。法国是当时唯一一个认真对待核能前景的国家，并且对轻型车的热衷也成为了一种时尚。
随着1985年原油价格的再次暴跌（低于每桶5美元），美国运动型多功能车（SUV）得到了快速发展，最终以重达3.5吨的悍马H1得到民众青睐而达到顶峰。然而进入90年代后，包括对全球石油开采峰值的持续恐惧、化石燃料诱发全球变暖的灾难性后果以及二战后世界秩序的巨变，在21世纪的头十年情况开始发生了转变。
为了走出一条更辉煌的未来能源革新之路，一系列新奇而绝妙的探索方案不断推出：由最早的生物燃料驱动、到燃料电池和氢能技术以及随后的混合动力车，一直到现在的电力能源车（伏特、特斯拉、尼桑），包括核能或随处可见的风力涡轮机，这些都备受公众的关注。加之大规模碳捕获和封存技术（CCS）的一旦实施，化石燃料的前景看来还是不错的。假设上述这些设想全部失败，那么将通过冷却正在不断变暖的地球来拯救人类――这项技术属于地球工程范畴，即在太空中遮荫给地球降温。
这使我们想起了《格列佛游记》中莱缪尔•格列佛（Lemuel Gulliver）参观拉格多大科学院的情景：在大科学院中进行的多达500个项目中，尽管8年来一直致力于从黄瓜中提取阳光的发明者相信，“再有8年，他就可以以合理的价格向总督的花园提供阳光”――但他还是抱怨原料不足以及恳求“能够给点什么，也算是对他尖端设计的一种鼓励吧。”
无可否认，目前新能源开发的想法并没有达到500个。然而，这些奇思妙想恐怕连拉格多大科学院的众多发明家都感到汗颜：在各种各样的解决方案中，包括从抽取热带海洋表层水和深层水之间的20开温差开始（即海洋温差发电，OTEC），到通过无线电向地球播送信号并由巨型天线接收的基于月球的太阳能光伏。
现在，对新能源开发的成功期望就如同小说中的拉格多大科学院的情景一样。此外，这支新奇想法的大军还在不断扩充，并声称他们的提案能够征服市场，或使用细胞或纤维素乙醇燃料可以加快增殖反应堆和提升风力涡轮机的能量。然而，这些方案永远也无法得到令发明者满意的基金支持：尽管2010年美国总统顾问委员会建议将每年的能源研究基金提升至160亿美元，但实际上他们根本不在乎一些想法所带来的挑战究竟有多大，而是把能否快速和高效放在首位。
僧多与粥少
尽管这一切很可能因偏离研究方案而告终，或研究者以资金有限为借口终止研究，但我们看到了问题的实质并为此而忧心忡忡。全球能源前景表明了两件事情：第一，为了享受经济繁荣所带来的合理健康生活，绝大多数人需要消耗大量的能源；第二，与此相反，通常富裕国家，特别是美国和加拿大应当降低他们过度的能源使用。前者似乎是很显然的，而对后者，许多人产生了质疑并认为是错误或过于草率的。
2009年笔者曾写道，为了保持美国的全球领先地位，美国应当“推出一个吸引全世界眼球的政策，以促进它的创新能力，运用更加合理的财政调节政策在增强经济的同时而改善全球环境。”因为美国的过度人均能源消费，即放纵的能源挥霍已经对经济产生了负面影响，包括不断地限制金融资源，更使得国家变得动荡，生活品质也在下降，这对美国来说是得不偿失的。
图1. 在极低的人均消费水平下，越高的能源使用率显然与人类发展的上升指数密切相关，然而一旦全球人均能源达到了每年150焦耳，那么这种相关性就会终止
图2. 尽管在过去的90年里内燃机效率已大大提高，然而美国机动车辆的平均性能却仅仅从每加仑14英里提高到18英里
上述观点可能在美国能源政策辩论中被认为是不合时宜的，但从中可以嗅到比以往任何时候更可取的探索之路。美国和加拿大这两大主要经济体，其年人均能量使用远远超过300焦耳（大约50桶原油），是富足的欧盟（和日本）人均能量使用的两倍。而现实的情况是，匹兹堡或洛杉矶市民的富足程度、健康水平、受教育程度、安全感或幸福指数并不是波尔多或柏林市民的二倍，甚至在气候、经济等方面的人均差异率，美国和欧盟之间的差距变得更大。
事实上，一些坚持美国人均能耗进一步增长的人并没有意识到美国人均能源使用已经达到了顶峰。2010年美国人均能源消耗大约是330焦耳，比1970年降低近乎4%，甚至2007年355焦耳的人均能耗也低于1980年的359焦耳。这意味着美国人均能耗在不止一代人身上基本持平（同英国人一样）。
飞机、火车和汽车
1985年后，美国开始控制汽车燃油率的进一步提高并鼓励低效SUV的大规模使用，与此同时，在建造高速铁路方面也没有跟上世界的步伐。40年来，美国汽车的平均绩效有着降低的趋势：至1974年，汽车的燃油率（当时每加仑行使的英里数(mpg)为3.4）低于40年代中叶；到1985年，汽车燃油率标准提高了两倍，随后标准降减并推出SUV、面包车以及轻型卡车。与1986年相比，2006年美国汽车的平均燃油率从不足26mpg提高至35mpg——40mpg。燃油效率的持续提升，其中不乏低排放柴油机（是汽油动力车效率的25%——30%）的应用和混合动力车的引进，很大程度上减少了美国对原油的进口。而在21世纪的头十年，美国进口石油的花销为1.5万亿美元。
对于那些声称美国领土面积大、人口密度低无需加入高速铁路（每小时运行250——300公里）行列的唯一解释是，美国人更喜欢选择飞机旅行，以每小时300公里的速度从一座城市飞往另一座城市。在美国东北部，大城市群（波士顿、华盛顿等）人口约为5000万，密度为每平方公里360人，而且12个主要城市几乎沿着一条相对狭窄、近700公里的长条型沿海走廊排列。为什么这一区域不适合发展高速铁路呢？而欧洲高速铁路的先驱――法国――拥有6500万人口，平均人口密度仅为每平方公里120人，为了到达法国最边远的地区（距离其首都大约900公里），以巴黎为中心的法国TGV高速列车向各方延伸着。
图3. 同热力发电相比较，风力涡轮机和光伏电池发电主要体现在两点：其一，光伏及风力发电厂的平均存储能力要小于核能、煤炭甚至是天然气发电机（图中刻度是对数计量）；其二，以满负载（载荷因子）工作的发电机其时间百分比极低（燃油发电机的利用率并不由其存储能力所束缚）。利用率不同仍将是巨大的。2009年美国燃煤电站的载荷因子平均是74%，核能为92%，而风力涡轮机仅占25%（图中所示为美国2009年的平均值）
当然，在一个受长期政策激励的世界中，包括美国、加拿大和欧盟都在逐渐降低人均能源使用。相反，亚洲、拉丁美洲以及非洲的许多发展中国家在达到合适的生活标准以及缩少与西方国家的差距之前，即使这些发展中国家指望最先进的转化政策，他们仍然需要至少四倍于目前的能源使用――埃塞俄比亚目前人均耗能率小于2焦耳。
中国是一个比任何发展中国家快速发展公路运输的国家。1976年，中国人均能耗不足20焦耳，1990年仍然小于25焦耳，2000年超过30焦耳，2005年达到55焦耳，直到2010年与上世纪70年代欧盟相对落后的国家相当――70焦耳。目前中国已经成为原油的主要进口国（世界排名第二，仅次于美国），包括不久将大量进口天然气并继续从事氢化潜能的大规模项目，然而中国大部分的能源收益来自于对煤炭的空前开采。
就煤炭而言，美国一年的开采量为10亿吨，而中国则从2001年——2004年的四年开采总量10亿吨上升到2010年的一年10亿吨，并有逐年明显上升的趋势，这已经成为了近年来二氧化碳排放量不断上升的主因之一。2006年中国成为了世界二氧化碳排放量最大的国家之一，2010年全球化石燃料所产生的二氧化碳排放量再创新高，为320亿吨（其中中国占据了24%）。考虑到低收入国家潜在能耗的增加以及缺少具有国际约束力的议（京都议定书、巴厘岛、哥本哈根以及坎昆会议的相继失败），包括相关地球修复技术的出现，尤其是寻找减少未来对流层温度升高的方案也就不足为奇了。
再生能源复兴？
图4. 于2010年9月建成的加拿大萨尼亚的光伏电站已经成为了世界上最大的光伏发电站，其最大功率为80兆瓦，拥有130万薄膜太阳能电池板并覆盖96.6万平方米的土地，然而它的利用率仅占17%
对于再生能源的开发，现实的情况是有言过其实之嫌，且缺乏符合实际的评估结论。事实上，即便我们偏执迷恋于再生能源转化这一术语，并在下几个十年中开发难以捕获的资源（喷射气流或海浪发电），有可能会陷入经济发展的僵局。现在，再生能源转化的提出者似乎对现代生物燃料（乙醇和生物柴油）、风能以及太阳能发电的前景充满着憧憬。但考虑到全世界都想脱离化石燃料的使用，这些提出者并没有给出重要物理实现的合理权重：所需转换的规模、新型转炉的单位容量以及庞大的基础设施需求。
目前，美国仍保留着势不可挡的化石燃料文化：2009年从石油、煤炭和天然气中获得了88%的能源（不考虑传统的生物燃料、木材残渣以及作物残根），其市场占有率分别是35%、29%以及24%。现今，这些燃料每年的燃烧量相当于100亿吨的石油、能量接近420穰焦耳（420×1018焦耳）。随着生物燃料的划时代转变（19世纪90年代晚期，煤炭和石油占据了全球能源供给的几乎一半），当前每年化石燃料流量仍要比20世纪初的大近乎20倍。
能量转换――一种主导能源到一种新型供给措施的转换。全世界能源从煤炭、石油到天然气的供给转变，即从19世纪70年代初天然气开采伊始，花费了大约60年才使其占据全球能源市场的5%；55年后，天然气占据了所有基础能源供给的25%。这对于天然气使用的先驱美国而言，不仅时间跨度较短，其经济效益也是可观的。
然而，现今由可再生能源欲取代1/3化石燃料的目标将面临极大地挑战。尽管生物燃料、风力以及光伏发电开启了人类迈向新型能源的发展之路，但2010年的乙醇和生物柴油供给仅占全球基础能源的0.5%，风力发电占全球电力资源的2%，光伏发电则少于0.05%，同分类的强制或期待目标相比差距甚远。2020年，德国计划全国总能源的18%来自于可再生能源，2025年，美国将达到来自于光伏发电的10%并在2030年达到风力发电的30%，2020年，中国将达到来自于可再生能源的15%甚至20%。
图5. 沙漠技术或许是最雄心勃勃的可再生能源计划：非洲北部以及中东的沙漠地带通过聚集太阳能发电，并由洲际间的高压直流线路传送电，面临的挑战将是巨大的
对于多风的北美洲而言，风机的高压受感装置时而因深度冻结会持续平静很多天，它们中的任何一个都需要花费数天来补充电力。如果曼尼托巴或北达科他州仅仅指望风力发电（幸运的是曼尼托巴主要由水力发电并将其产生的电输送到南部），而北美大陆中部并没有高容量东西向的输电线路。为此，对风力发电供给的提高将需要建造长距离高压输送线，以此将多风且阳光充足的地区同主要的耗电地区相连。随着涉及到的距离真正达到了大陆尺度，短期内不太可能完成这些昂贵的新型特大功率电网的布局。那些幻想受益于新型智能电网的人们应当牢记2009年的美国基础设施报告，它给出了现有的美国电网一个近乎不及格的D+。
期望通过非化石燃料发电是否会带来实质性的进展？目前，由核能产生的电能占全球的13%，其中，法国电能的75%由核能产生，美国占20%。当人们了解到第一代核反应堆并不是核能发展的最佳选择，核能工程师们开始研制更安全、有效的反应堆方案，包括钍燃料核反应堆地下发电设计以及贫化铀燃料行波增殖反应堆等，美国现在的贫化铀存贮量达到大约70万吨。
自从2005年以来，全世界平均每年建造12座核电站，中国目前的核电供给仅占国内电力资源的2%，2011年西方国家也没有出现任何核电复兴的迹象。要不是田纳西流域管理局（TVA）瓦茨巴核电站2号机组的设备升级和支持服务，那么美国就没有任何正在进行的核电项目。伴随着2011年3月日本地震引发的核泄漏危机，无论这场灾难的最终结局是什么，毫无疑问的是人们要花好长时间才能从核灾难的阴影中走出来。
技术修复帮忙？
看来，新型能源的转换短期内难以快速减少二氧化碳的排放，并阻止其上升到每百万分之450ppm大气浓度以上（2010年末二氧化碳占大气浓度为390ppm）。这一现实导致了许多碳捕获和隔离的热衷探索。比如，一位土壤学家宣称，到2100年生物碳隔离技术可能存储更多的碳。包括一些还处于理论梦想的建议，比如将二氧化碳隐藏在印度德干的玄武岩层内及以下，或者将二氧化碳隐藏在胡安·德·富卡板块海底的可渗透玄武岩之中，或者通过加速碳化在阿曼沙漠裸露的橄榄岩来吸收二氧化碳。
实际上这些奇特想法之一已经在小范围内进行。通过海洋表面富铁的实验（打算在一些细胞下沉到深海时刺激浮游生物生长的同时进行固碳），一个印德探险队于2009年3月在大西洋西南部约300平方公里范围进行了试验，结论是繁殖的浮游植物被偏脚类生物所吞噬。自从20世纪30年代以来，通过水中的胺基去除二氧化碳的方法已经在商业上运行，包括通过管道往海底输送二氧化碳以提高石油开采率在美国的许多油田进行着。上述所进行的这些努力，同时也为60——70年代的固碳及封存技术奠定了基础。
图6. 自1996年起，挪威国家石油公司将每年捕获自斯莱普纳西部地区的100万吨二氧化碳隔绝在海床800米以下的蓄水层中。如果隔离能够减缓大气中二氧化碳含量的上升，今后将以每年数以亿计吨的比率继续进行
图7. 在美国，由可再生能源取代常规电力生产的首要问题是尽可能高效率地获得电力。现有美国的输电网被分成许多地带（a），通常这些地带不会在大范围共同电力资源，需要一个新型全国电网来连接它们。太阳能的有效性集中于美国西南部（b）。甚至在那里，许多新型传输线路需要光伏发电。从美国大平原以及多风地区到沿海的分布，实现风力发电的挑战是巨大的
为了解释必要努力的进程，以及对于安全隐患的公众谅解和运营成本等相关保证。以2010年计，假设我们封存了当年20%或1/3的二氧化碳：将二氧化碳密度压缩成同原油相当（每立方米800千克），体积约占十亿立方米；而2010年全球原油萃取量大约为40亿吨（平均密度为每立方米850千克），其体积约为47亿立方米。
这意味着仅仅封存目前二氧化碳排放量的1/5，我们就不得不在全球范围内建立一个新型的集吸收-聚集-压缩-运输-存储行业，其年物料通过量可能大于原油年产量的70%。尽管这在技术上是可行的，但并不在一个阻止二氧化碳上升到450ppm的时间表内。要记住，这不仅仅是减少20%的二氧化碳排放量，其中还包含着至关重要的差别，包括石油企业为了获利，他们寄希望于基础设施的建造。看来发达国家的纳税人不得不为庞大的资金成本以及碳捕获和封存（CCS）技术买单。
对于新政策的需求似乎是显然的，但有效地行动不能跟上迫切改变的步伐――特别在北美洲、欧洲以及日本等一些富裕国家中，随着这些国家的帐户透支、经济衰弱、人口老化以及全球影响力的减弱，情况尤为如此。在这样的意义上，就新型能源的探索而言可能会存在变量，其结果也将对全球的经济和文明产生影响。
没有任何一个人能够预见新型能源的最终结果或形式是什么――通过追求适度的能源使用，那些发达国家真的不会出错吗？
资料来源 American Scientists
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