2012年8月中旬，美國(guó)能源部長(zhǎng)朱棣文博士和先進(jìn)能源研究項(xiàng)目署署長(zhǎng)阿倫·馬宗達(dá)博士在《自然》雜志上，聯(lián)名發(fā)表了題為《可持續(xù)性能源未來(lái)所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇》一文，提出為保障未來(lái)全球的持續(xù)繁榮、可持續(xù)性和安全的能源供應(yīng)，目前需要一場(chǎng)新的工業(yè)革命。文章以交通運(yùn)輸和電力生產(chǎn)兩大領(lǐng)域?yàn)橹攸c(diǎn)，分析了人類在提高化石能源利用效率、開發(fā)利用新型電池，以及開發(fā)天然氣燃料、生物燃料、風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能等諸多清潔能源和可再生能源方面，所面臨的各種機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)，為讀者詳盡地了解該問(wèn)題提供了全面而清晰的輪廓。

    全球可持續(xù)性能源供應(yīng)呼喚新的工業(yè)革命

    自工業(yè)革命以來(lái)，能夠利用穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)合算的清潔能源一直是保持全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和持續(xù)繁榮的重要基石，21世紀(jì)人類對(duì)能源的獲取和利用也必須具備可持續(xù)性的特點(diǎn)。然而，未來(lái)全球能源供應(yīng)將面臨著雙重巨大挑戰(zhàn)：一方面，全球人口數(shù)量的增加和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)將產(chǎn)生巨大的能源需求，在能源供給壓力陡增的同時(shí)，勢(shì)必會(huì)增加二氧化碳排放量。工業(yè)革命初期全球總?cè)丝跒?億，目前為70億，預(yù)計(jì)到2050年和2100年將分別增加到90億和100億；另一方面，為緩解全球氣候變暖趨勢(shì)的進(jìn)一步惡化，各國(guó)必須在既定時(shí)間框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排目標(biāo)。2009年全球能源需求總量為120億噸油當(dāng)量，二氧化碳排放量為290噸。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，如果全球繼續(xù)實(shí)施現(xiàn)行的能源政策，上述兩項(xiàng)指標(biāo)2035年將分別增加為180億噸油當(dāng)量和430億噸；如果未來(lái)采取積極的應(yīng)對(duì)方案，它們將分別降為170億噸油當(dāng)量和360億噸。

    為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，全球需要一場(chǎng)新的工業(yè)革命，以保證未來(lái)能源供應(yīng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性。提高化石能源的利用效率、節(jié)約能源，以及實(shí)現(xiàn)能源的低碳化，大力開發(fā)利用新能源電池、天然氣燃料、生物燃料、太陽(yáng)能、風(fēng)能及核能等清潔能源和可再生能源是這場(chǎng)革命的必然選擇。

    目前，化石能源占全球能源消費(fèi)總量的86%。從1980至2008年，全球每年消費(fèi)的石油總量增加了31%，隨著近年來(lái)石油探測(cè)和采掘技術(shù)的進(jìn)步，全球已探明石油儲(chǔ)量也在增加。此外，近年來(lái)世界各地也相繼發(fā)現(xiàn)了豐富的頁(yè)巖氣儲(chǔ)量。相比之下，盡管全球零排放可再生能源的利用總量也在不斷增加，但過(guò)去20年間其在全球能源供應(yīng)總量中所占的比例基本沒有變化，對(duì)此必須保持清醒的認(rèn)識(shí)。

    能源系統(tǒng)可以分為運(yùn)輸和固定兩個(gè)分系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的供應(yīng)、需求和分配設(shè)施都是高度相適配的，但相互之間卻是獨(dú)立的。我們需要對(duì)一些重要研究領(lǐng)域進(jìn)行深入研究，如提高能源利用效率，將電力輸送、分配和存儲(chǔ)系統(tǒng)與各種可再生能源進(jìn)行有機(jī)整合等，以改善未來(lái)的能源供應(yīng)狀況。生物燃料、太陽(yáng)能等技術(shù)依然處于研發(fā)階段，尚不能真正滿足人類的能源需求，因而必須進(jìn)行持續(xù)不斷的創(chuàng)新，改進(jìn)并完善現(xiàn)有技術(shù)或者開發(fā)全新的技術(shù)方案。

    改善能源運(yùn)輸系統(tǒng)和提高燃料使用效率

    在目前的能源運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施中，運(yùn)輸由石油衍生的各種液態(tài)燃料占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著石油儲(chǔ)藏量的新發(fā)現(xiàn)、勘探和采掘技術(shù)的進(jìn)步，可資利用石油資源的地理分布也在發(fā)生變化。然而，通常情況下石油供應(yīng)地和需求地在地理位置上相距甚遠(yuǎn)，一些國(guó)家嚴(yán)重依賴進(jìn)口石油，甚至對(duì)其貿(mào)易平衡和國(guó)家安全帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這給全球石油運(yùn)輸帶來(lái)了巨大壓力。2011年，全球石油消費(fèi)總量為26.9億噸油，其中18.95噸原油和7.91噸油當(dāng)量精煉油都需要跨國(guó)間運(yùn)輸，未來(lái)更多油田和天然氣田的發(fā)現(xiàn)將有望改變這種狀況。同時(shí)，運(yùn)輸技術(shù)的進(jìn)步將會(huì)有助于緩解石油運(yùn)輸系統(tǒng)所面臨的壓力。例如未來(lái)很多擬建基礎(chǔ)設(shè)施在選址時(shí)，將會(huì)統(tǒng)籌考慮如何最大限度地保證具有可持續(xù)性的石油輸送潛力，理想的、經(jīng)濟(jì)合算的公共運(yùn)輸功能將會(huì)與都市建設(shè)規(guī)劃更好地相融合，而在運(yùn)輸系統(tǒng)中合理地使用信息技術(shù)也可望大大減少燃料消耗。

    美國(guó)能源部最新出版的四年一度技術(shù)評(píng)估報(bào)告，全面考察了可供未來(lái)研究的最新技術(shù)和機(jī)會(huì)。報(bào)告指出，采取措施提高交通運(yùn)輸工具的效率能夠大幅降低人類對(duì)石油的依賴程度。其中增加輕型新材料的應(yīng)用（如先進(jìn)的超高抗拉強(qiáng)度鋼、聚合物和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等），尤其是在車輛中使用輕型材料更為重要，這將大大減輕運(yùn)輸車輛的自身重量。未來(lái)10到20年，在不降低安全性能的前提下交通運(yùn)輸車輛的自身重量將減輕20%到40%，而自身重量每減輕10%，就會(huì)節(jié)約燃料消耗量的6%到8%。

    減少能量損失是節(jié)省燃料的一個(gè)途徑。車輛在正常行駛過(guò)程中，廢氣排放熱能損失、冷卻損失占燃料燃燒所提供能量的60%以上，再加上克服空氣阻力和輪胎的滾動(dòng)摩擦阻力等所造成的損失等因素，用于驅(qū)動(dòng)車輛正常運(yùn)行的能量只占行車燃料所提供能量的21.5%。摩擦學(xué)、廢熱能量再利用和空氣動(dòng)力學(xué)等能夠提高成本效益的技術(shù)進(jìn)步，在短期內(nèi)有望將效率提升20%，在未來(lái)15到25年最高可提升60%。

    未來(lái)幾十年，使用液態(tài)運(yùn)輸燃料的內(nèi)燃機(jī)仍將居汽車動(dòng)力的主導(dǎo)地位，進(jìn)一步提升內(nèi)燃機(jī)效率是降低化石燃料消耗量的最重要途徑。目前大多數(shù)火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)的效率為25%到35%，壓燃式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率大約是40%到50%。因此內(nèi)燃機(jī)效率具備很大的提升空間。

    美環(huán)保局的研究成果顯示，從1987年到2006年，美國(guó)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率每年約提升1.4%，這些提升主要是通過(guò)提高燃燒效率和熱效率、降低機(jī)械摩擦損失和附件消耗等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。借助于缸內(nèi)直噴技術(shù)、稀燃技術(shù)和渦輪增壓技術(shù)，使用高標(biāo)號(hào)辛烷值燃料，火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)效率也可以達(dá)到柴油機(jī)器的水準(zhǔn)。高性能計(jì)算機(jī)的模擬功能在內(nèi)燃機(jī)研制過(guò)程中的作用也日益凸顯，利用這種方式研究人員已在提高內(nèi)燃機(jī)效率和減少?gòu)U棄排放方面取得進(jìn)展。低成本的余熱回收也可以提高內(nèi)燃機(jī)的效率，這對(duì)重型車輛來(lái)說(shuō)效果更佳。其他技術(shù)途徑包括采用朗肯循環(huán)回收并再利用內(nèi)燃機(jī)廢氣能量、開發(fā)低成本高效率的固態(tài)熱電系統(tǒng)等。

    蓄電池混合動(dòng)力燃料

    插電式混合動(dòng)力車和全電動(dòng)輕型、中型及重型汽車將有潛力取代相當(dāng)數(shù)量的液體燃料汽車。該技術(shù)所面臨的主要挑戰(zhàn)是電池系統(tǒng)的性能和成本。電池系統(tǒng)的性能是由能量密度、功率密度、循環(huán)壽命和耐用性等因素決定。在過(guò)去5到6年內(nèi)，研究人員在電池陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)等方面的研發(fā)已經(jīng)取得了一系列重要進(jìn)展，有助于設(shè)計(jì)出具有微米和納米級(jí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的柔性導(dǎo)電膜。最先進(jìn)的石墨陽(yáng)極電池和鋰電池正步入商業(yè)化階段。在未來(lái)幾年內(nèi)，能量?jī)?chǔ)存密度為每公斤200瓦時(shí)（是現(xiàn)有電池能量密度的2倍）、3個(gè)小時(shí)內(nèi)可以完成充電的電池有望得以應(yīng)用。目前汽車用電池系統(tǒng)的成本為每公斤千瓦時(shí)650美元，2030年將降為150美元。

    2012年3月美國(guó)公布了“EV-Everywhere”計(jì)劃，將于2022年前建立世界通用的5人乘坐型普通價(jià)格電動(dòng)汽車的量產(chǎn)體系。該計(jì)劃要求將電池系統(tǒng)的成本降為每公斤千瓦時(shí)190到300美元。采用陽(yáng)極保護(hù)材料和非可燃電解質(zhì)的第三代鋰電池，將具有在高壓和高溫（攝氏55℃）條件下保持穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)。鋰硫電池和金屬空氣電池，則有望破解鋰電池的成本和容量難題，其能量密度是現(xiàn)有鋰電池的10倍，但這需要開發(fā)出理想的陰極和陽(yáng)極保護(hù)材料、非可燃電解質(zhì)，以確保電池的電化學(xué)穩(wěn)定性。

    通常情況下，電池組自耗電量為蓄電池容量的50%，為保證電池壽命必須限制其充電速度。如能成功開發(fā)出可持續(xù)監(jiān)測(cè)單個(gè)蓄電池的某些特性（如溫度、充電狀態(tài)等）的聲納技術(shù)，就可以延長(zhǎng)電池的使用壽命并增加其容量。利用能夠與由原始設(shè)備制造商提供的電池組熱管理系統(tǒng)相配套的標(biāo)準(zhǔn)化蓄電池，同樣可以降低電池的成本。

    燃料電池

    相對(duì)低價(jià)位的燃料電池電動(dòng)車汽車，具有續(xù)航能力遠(yuǎn)和充電速度較快的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)燃料電池的成本已經(jīng)降低，其壽命也已增加，但依然有提升的空間。在氫燃料電池中，鉑及鉑合金是加快化學(xué)反應(yīng)速度的最為有效的催化劑。鉑是唯一能承受電池中酸性環(huán)境的金屬，但其昂貴的價(jià)格限制了燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用。自2005年以來(lái)，科研人員已經(jīng)成功地開發(fā)出一種新型催化劑，使燃料電池所需的鉑僅為目前用量的五分之一。但依然需要進(jìn)一步減少鉑的用量，或開發(fā)出能夠替代鉑、成本更低的其他催化劑。此外，還可以通過(guò)采用具有更高溫度和更好傳導(dǎo)性能的質(zhì)子交換膜、改進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造（如濕度調(diào)節(jié)器、壓縮機(jī)以及熱流設(shè)計(jì)與成本等）來(lái)降低燃料電池的成本，提高其效率。

    燃料電池汽車的車用儲(chǔ)氫器必須具有較高的單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度。美能源部認(rèn)為，車用高壓儲(chǔ)氫的單位質(zhì)量密度至少應(yīng)為6%，即每立方米儲(chǔ)存60公斤氫氣。為了滿足汽車480公里續(xù)航能力的要求，一次需儲(chǔ)氫大約4到7公斤。目前小型汽車的車用儲(chǔ)氫方式大多采用高壓儲(chǔ)氫，工作壓力為70兆帕（Mpa）的碳纖維儲(chǔ)氫瓶是目前家用汽車的最佳選擇，其售價(jià)大約為3000美元。研究人員正在致力于開發(fā)新的材料和制造工藝，以進(jìn)一步降低儲(chǔ)氫氣瓶成本。目前正在進(jìn)行的另一研究方向是，通過(guò)采用高表面積材料研究低壓吸附儲(chǔ)存氫氣。

    另一個(gè)挑戰(zhàn)是加氫站的建立和氫氣來(lái)源。近年來(lái)頁(yè)巖氣的大量使用將對(duì)運(yùn)輸部門產(chǎn)生重要的影響，低價(jià)格的頁(yè)巖氣可能會(huì)有助于加快氫氣充氣站的建設(shè)步伐。此外，通過(guò)改革商業(yè)運(yùn)作模式（如建立混合發(fā)電廠）也可以獲取具有經(jīng)濟(jì)性的氫氣。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，必須開發(fā)出一種具有成本優(yōu)勢(shì)、二氧化碳凈排放量低的氫氣制取方法。

    天然氣燃料

    天然氣燃料是各種替代燃料中最早廣泛使用的一種，它分為壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG）兩種。作為汽車燃料，天然氣具有單位熱值高、排氣污染小、供應(yīng)可靠、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為世界車用清潔燃料的發(fā)展方向，而天然氣汽車則已成為發(fā)展最快、使用量最多的新能源汽車。國(guó)際天然氣汽車組織的統(tǒng)計(jì)顯示，近10年來(lái)天然氣汽車的年均增長(zhǎng)速度為20.8%，目前全世界共有大約1270萬(wàn)輛使用天然氣的車輛，2020年總量將達(dá)7000萬(wàn)輛，其中大部分是壓縮天然氣汽車。目前美國(guó)僅擁有11.2萬(wàn)輛天然氣汽車，不到全球總量的1%，也不到美國(guó)車輛總數(shù)的1/10，因而具有很大的發(fā)展空間。

    近年來(lái)美國(guó)境內(nèi)天然氣價(jià)格的大幅降低，為天然氣汽車的發(fā)展和進(jìn)一步推廣提供了新動(dòng)力。由于經(jīng)濟(jì)上的合理性，美國(guó)國(guó)內(nèi)重型長(zhǎng)途運(yùn)輸卡車采用液化天然氣取代柴油已成一個(gè)普遍選擇。一輛重型長(zhǎng)途運(yùn)輸卡車每年消耗燃料9萬(wàn)升（依目前價(jià)格計(jì)算約為8萬(wàn)美元），目前液化天然氣卡車用的低溫儲(chǔ)罐和相關(guān)配套設(shè)備售價(jià)為1萬(wàn)美元，其成本回收期為3到4年，未來(lái)隨著低溫儲(chǔ)罐和相關(guān)配套設(shè)備售價(jià)的逐步降低，其成本回收期會(huì)更短。重型運(yùn)輸卡車的續(xù)航里程為800到960公里，這需要每隔240到320公里建立一個(gè)天然氣燃料添加站。目前已有私營(yíng)部門計(jì)劃對(duì)這項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)進(jìn)行投資，其商業(yè)前景得以提升。此外，有關(guān)部門正在考慮在貨運(yùn)列車上使用液化天然氣為動(dòng)力燃料的方案。

    輕型車輛所耗燃料占全美陸路行駛車輛所耗燃料總量的75%，減少輕型車輛的耗油總量更有利于節(jié)能。目前美國(guó)境內(nèi)的公共汽車、貨運(yùn)卡車和輕型車輛已采用壓縮天然氣。在沒有補(bǔ)貼的情況下，需要開發(fā)低成本的壓縮天然氣儲(chǔ)藏技術(shù)，才能使汽車使用壓縮天然氣時(shí)較為經(jīng)濟(jì)合算。一輛平均行駛里程的汽車配置壓縮天然氣供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備后，其成本回收期為10到15年，年均行駛里程高于平均值的車輛或每公里耗油量較少的汽車，其回收期肯定會(huì)更短。如果能將成本回收期縮短到5年以內(nèi)，使用壓縮天然氣汽車和建立燃料充加系統(tǒng)的目標(biāo)就具有經(jīng)濟(jì)可行性。這就需要深入研發(fā)碳纖維復(fù)合材料以研制輕質(zhì)高壓存儲(chǔ)罐，同時(shí)也需要開發(fā)用于低壓天然氣儲(chǔ)藏的吸附劑。全美共有大約16萬(wàn)個(gè)加油站，如果建立類似遍布全美的壓縮天然氣供應(yīng)站，其耗資遠(yuǎn)超過(guò)1000億美元，這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。解決該問(wèn)題途徑之一是研制多種燃料內(nèi)燃機(jī)。如采用壓縮天然氣—汽油雙燃料內(nèi)燃機(jī)的汽車，以壓縮天然氣為驅(qū)動(dòng)燃料行駛30到60公里后，切換為以汽油為驅(qū)動(dòng)燃料行駛，可以保證車輛能正常抵達(dá)下一個(gè)壓縮天然氣充加站。

    當(dāng)然，也可以利用費(fèi)托合成技術(shù)或甲醇工藝將天然氣轉(zhuǎn)化液態(tài)燃料。目前已經(jīng)能夠大規(guī)模地從天然氣中生產(chǎn)工業(yè)用甲醇，其成本大致與汽油生產(chǎn)成本相當(dāng)。然而，以甲醇為基礎(chǔ)的燃料運(yùn)輸也將面臨添加站點(diǎn)的瓶頸。

    生物燃料

    生物燃料是指從植物特別是農(nóng)作物中提取適用于汽油或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，包括生物乙醇、生物柴油等。目前，主要以可食用農(nóng)作物為原料生產(chǎn)的第一代生物燃料已成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，而以非食用農(nóng)作物為主要原料生產(chǎn)的第二代生物燃料——纖維素乙醇目前仍處于中試和示范的階段。此外，研究人員也正致力于人工光合作用技術(shù)和電燃料技術(shù)的研發(fā)。

    作為替代化石燃料的理想選擇，未來(lái)生物燃料將步入高速發(fā)展時(shí)代。今年5月國(guó)際能源署發(fā)布的《交通用生物燃料技術(shù)路線圖》指出，在不對(duì)環(huán)境及糧食安全帶來(lái)重大負(fù)面影響的前提下，2050年生物燃料可以替代5500萬(wàn)噸到7500萬(wàn)噸石油，生物燃料在運(yùn)輸燃料中的比例將由目前的2%大幅上升為27%。生物燃料持續(xù)生產(chǎn)后每年可避免21億噸的二氧化碳排放，成為交通行業(yè)第五重要的減排源。美國(guó)、巴西和歐洲等國(guó)在發(fā)展生物燃料方面居世界前列。2009年美國(guó)發(fā)布《國(guó)家生物燃料行動(dòng)計(jì)劃》，提出到2020年生物燃料將占其能源總消費(fèi)量的25%，2050年將達(dá)到50%。巴西早在2006年就已實(shí)現(xiàn)40%以上的汽油消費(fèi)由乙醇汽油取代，成為世界上唯一不供應(yīng)純汽油的國(guó)家。

    第一代生物燃料以可食用農(nóng)作物（主要是玉米、大豆和甘蔗）為原料，主要是生產(chǎn)燃料乙醇和生物柴油。其最大缺點(diǎn)是與人畜爭(zhēng)奪食物資源，有可能導(dǎo)致糧食價(jià)格上漲并威脅全球糧食安全。3年前歐盟曾提出，要求2020年交通燃料的10%來(lái)自于可再生來(lái)源（其中大部分則是以糧食為基礎(chǔ)的生物燃料）。據(jù)報(bào)道，今年9月歐盟提出了一份立法草案，擬對(duì)以食用農(nóng)作物為原料的生物燃料加以限制。草案提出歐洲交通部門在2020年的總體能源消耗中，油菜籽、小麥等食用農(nóng)作物生產(chǎn)的生物燃料所占比例不得超過(guò)5%（目前這一比例為4.5%）。其主要原因就是歐盟組織的科學(xué)研究對(duì)這種燃料的減排效應(yīng)提出了質(zhì)疑，而重點(diǎn)糧食產(chǎn)區(qū)的歉收又引發(fā)了對(duì)糧食短缺的進(jìn)一步擔(dān)憂。

    第二代生物燃料則以非食用農(nóng)作物（如麥稈、草和木材等農(nóng)林廢棄物）為主要原料，采用生物纖維素轉(zhuǎn)化為生物燃料的模式發(fā)展纖維素乙醇。這種生物燃料具有很多優(yōu)點(diǎn)：首先是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不需要改造就可以直接使用摻入了生物乙醇的汽油或柴油；其次是秸稈等纖維素類農(nóng)業(yè)廢棄物大量存在，供給非常充足。此外其二氧化碳減排效果明顯。美國(guó)能源部的研究結(jié)果表明，第二代生物燃料有望減少最高達(dá)96%的二氧化碳排放；而第一代以玉米等為原料的燃料乙醇，平均僅可以減少約20%的二氧化碳排放。

    要真正實(shí)現(xiàn)纖維素乙醇生產(chǎn)的商業(yè)化，關(guān)鍵在于克服木質(zhì)素降解難度大、成本高等難題?？上驳氖?，2012年2月，丹麥諾維信生物技術(shù)公司面向全球市場(chǎng)推出了適用于纖維素乙醇商業(yè)生產(chǎn)的新型高效酶，這是目前市場(chǎng)上性價(jià)比最佳并確保纖維素乙醇工廠達(dá)到最低生產(chǎn)成本的酶制劑產(chǎn)品，這將成為推動(dòng)纖維素乙醇商業(yè)化的重要契機(jī)。今年2月，一份題為《通向新一代乙醇經(jīng)濟(jì)》的研究報(bào)告預(yù)測(cè)，2030年前以農(nóng)作物秸稈為原料生產(chǎn)生物燃料將為全球創(chuàng)造數(shù)百萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位，同時(shí)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，減少溫室氣體排放，提升能源供應(yīng)安全性。

    藻類生物燃料也是一個(gè)發(fā)展?jié)摿薮蟮姆较?。這種燃料是利用一些藻類（主要是硅藻和藍(lán)藻等）的代謝特征，以淡水、海水甚至生活污水作為營(yíng)養(yǎng)源，讓藻類在太陽(yáng)光和二氧化碳的環(huán)境中進(jìn)行光合作用，生產(chǎn)出某些特定物質(zhì)，將這些物質(zhì)提煉后就可以直接用作汽車等交通工具的燃料。目前用于生產(chǎn)藻類生物燃料的方法主要是光合反應(yīng)器法、封閉環(huán)路系統(tǒng)法和開放池塘法。

    藻類具有分布廣、油脂含量高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、生長(zhǎng)周期短、產(chǎn)量高等特點(diǎn)。截至目前藻類生物燃料的產(chǎn)量仍非常有限，但與其他非食物基原料相比，藻類的發(fā)展有明顯優(yōu)勢(shì)。2010年荷蘭科學(xué)家發(fā)表的研究成果表明，在過(guò)去的20年中微藻生產(chǎn)生物柴油的成本已從每加侖數(shù)百美元下降至數(shù)十美元，未來(lái)十年微藻生物燃料將與常規(guī)燃料的生產(chǎn)成本持平。美國(guó)Pike研究咨詢公司2011年的研究報(bào)告則預(yù)測(cè)，到2020年全球藻類生物燃料的市場(chǎng)將達(dá)到13億美元。

    電燃料技術(shù)是利用微生物特別是細(xì)菌吸收化學(xué)能或電能，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為液體運(yùn)輸燃料的新方法。通過(guò)代謝工程和合成生物學(xué)的方法，這種技術(shù)可以將二氧化碳高效地轉(zhuǎn)化為液體燃料，特別是開發(fā)能夠從氫、金屬離子、氧化還原活性物種或直接從電流中釋放能量的有機(jī)物。2010年4月，美國(guó)能源部撥款1.06億美元資助先進(jìn)的生物燃料技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目，其中與生物能源相關(guān)的領(lǐng)域就是電燃料。

    人工光合作用技術(shù)是借助于陽(yáng)光，用水、二氧化碳制造燃料和化學(xué)原料的技術(shù)。其最大優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)換為氫氣、甲醇或乙醇等化學(xué)燃料，可以直接用在汽車等燃燒液態(tài)燃料的機(jī)械中。在自然界中光合作用利用太陽(yáng)能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)變成糖和其他碳?xì)浠衔?，其效率不?%，人工光合作用的目標(biāo)是將轉(zhuǎn)化率提高到20%以上，為此必須研制出能快速讓水氧化的太陽(yáng)能催化劑，這是提高人工光合作用效率的關(guān)鍵。2010年美國(guó)能源部資助建立了“人工光合作用聯(lián)合中心”，5年內(nèi)將共投入1.22億美元致力于實(shí)現(xiàn)人工光合作用技術(shù)的實(shí)用化。

    經(jīng)濟(jì)合算是清潔能源和可再生能源發(fā)電的生命力

    2012年9月世界經(jīng)濟(jì)論壇與HIS劍橋能源研究協(xié)會(huì)聯(lián)合發(fā)布的《2012年最新能源展望報(bào)告》指出，目前已有100多個(gè)國(guó)家制定了可再生能源發(fā)展目標(biāo)，新能源產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)能夠?qū)夂?、能源和金融領(lǐng)域的危機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)槿碌目沙掷m(xù)增長(zhǎng)機(jī)遇，從而為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供新動(dòng)力。2011年全球可再生能源發(fā)電量比2010年增長(zhǎng)了17.7%，連續(xù)8年呈兩位數(shù)增長(zhǎng)，可再生能源發(fā)電量占當(dāng)年全球發(fā)電總量的3.8%。其中風(fēng)能發(fā)電量增長(zhǎng)了25.8%，首次超過(guò)當(dāng)年可再生能源發(fā)電總量的50%。受日本福島核事故的影響，2011年全球核電總發(fā)電量為2518太瓦時(shí)，比2010年減少了4.3%。

    盡管前景誘人，但要廣泛應(yīng)用可再生能源發(fā)電必須有效地降低其成本。2011年5月，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)發(fā)布的一份報(bào)告指出，目前全球已有的可再生能源技術(shù)潛力只有2.5%得到了利用，如果這些潛力能夠在正確的公共政策支持下得到充分利用，到2050年可再生能源將能提供全球每年能源需求的77%，并能減少總量高達(dá)2200到5600噸的二氧化碳排放。報(bào)告同時(shí)指出，可再生能源的推廣在經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)方面都將面臨巨大的挑戰(zhàn)。

    據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，未來(lái)很多國(guó)家都將會(huì)采取碳定價(jià)等措施，努力減少發(fā)電過(guò)程中溫室氣體的排放量，但可再生能源發(fā)電未來(lái)成本的降幅卻并不令人樂(lè)觀，如2020年海上風(fēng)能發(fā)電站的均化成本為每千瓦時(shí)90美元（以2010年美元的實(shí)際價(jià)值計(jì)算），美國(guó)能源信息署預(yù)測(cè)2016年其成本為每千瓦時(shí)80到120美元。

    從發(fā)電站的均化成本來(lái)看，風(fēng)能發(fā)電站（發(fā)電風(fēng)速為每秒7到7.5米）為每千瓦時(shí)73美元（不包含電力輸送成本），專家預(yù)計(jì)2020年將降為每千瓦時(shí)60美元以下。2011到2012年期間建成的公用事業(yè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電站，在沒有任何補(bǔ)貼的情況下其成本為每千瓦時(shí)150美元，這與《通向新一代乙醇經(jīng)濟(jì)》研究報(bào)告的估算基本吻合。在某些自然條件較好的地區(qū)，未來(lái)太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本可以降為每千瓦時(shí)60到120美元。目前美國(guó)傳統(tǒng)的天然氣循環(huán)發(fā)電站成本最低，為每千瓦時(shí)50到60美元。除了均化成本之外，電站規(guī)模、儲(chǔ)存電力的潛力等因素也同樣十分重要。

    對(duì)某些均化成本超過(guò)每千瓦時(shí)200美元的地區(qū)來(lái)說(shuō)，目前可再生能源發(fā)電已經(jīng)具備了價(jià)格優(yōu)勢(shì)。據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)全球范圍內(nèi)風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電的成本將會(huì)越來(lái)越趨于經(jīng)濟(jì)合算。此外，隨著高性能、低成本和耐用的儲(chǔ)能電池的研發(fā)，電力儲(chǔ)能技術(shù)將有望使中、小規(guī)模輸電網(wǎng)絡(luò)滿足偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)的用電需求。

    盡管未來(lái)各種可再生能源發(fā)電成本將會(huì)持續(xù)降低，但要充分發(fā)揮其作用必須將其與現(xiàn)有發(fā)電方式進(jìn)行有效整合，克服可再生能源發(fā)電在輸送、分配、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)的瓶頸。2050年可再生能源發(fā)電將占全美電力供應(yīng)總量的8%，即使要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的一半，依然需要在技術(shù)創(chuàng)新、運(yùn)營(yíng)程序、商業(yè)運(yùn)作模式和管理措施等方面對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)進(jìn)行改革。