The Long Slow Rise of Solar and Wind

The Long Slow Rise of Solar and Windby Vaclac Smil（Vaclac Smil是一位著名的加拿大曼尼托巴大学名誉退休教授，写过30本左右的书，多数是能源与环境相关方向的。

）著名科学家Amory Lovins在1976年提出了一个假想。

他声称在2000年美国的能源将有33%来自于许多微小的，分散的可再生资源。

数十年后的2008年7月，环保人士Al Gore 又宣称完全改变国家电力供应这一想法在十年内是“可实现、可承担以及可变革的”。

接着在2009年11月，Mark Jacobson和Mark Delucchi在《科学美国人》上发表的“2030可再生能源之路”一文中提出了一个计划，即只需20年全球能源将完全转变成由可再生能源提供。

然而，从1990年到2012年世界的能源来自于化石燃料这一现象几乎没有什么改变，只是从88%降到87%而已。

在2011年可再生能源的生产少于美国能源供应的10%，并且这其中大多数还来源于诸如水电站和燃烧伐木业产生的木屑等“旧”再生能源。

在长达20多年的高额补贴发展后，新的可再生资源比如说风能和太阳能以及如玉米乙醇这样的现代生物燃料也被证实只占国家能源供应的3.35%。

这种能源转化的缓慢步伐并不出人意料，事实上是情理之中的。

在美国甚至全世界，每一次从一种主要燃料向另一种燃料改变并广泛传播是需要50-60年时间的。

首先是木材到煤炭的转变，接着是煤炭到石油。

而现在美国正处于第三次主要能源转变期，从煤炭和石油到天然气。

在2001年到2012年间，美国煤炭消耗量下跌了20%，而原油则下降了7%，与此同时天然气的消耗量则上升了14%。

然而，即使天然气储备丰富、清洁且可负担得起，要想全面普及天然气仍需十到二十年的时间。

（全球主要的能源转化——从木材到煤炭到石油——各自经历了50到60年的时间。

而现在转化到天然气同样要花很长时间。

没有理由相信向可再生能源的转变会如预期的那样快。

在发达国家，“旧的”像水力发电这样的再生能源已经得到了最大利用。

因此必须要在2011年美国供应仅有3.35%这样的再生能源上有所发展，例如风能、太阳能及生物燃料。

但作者持反对意见，某些政策可能加速再生能源的发展。

这些包括许多科技研究中投入的经费，结束不必要的补贴，确保价格反应能源来源的环境与健康成本以及提高世界范围的能源效益。

）然而，伴随着全球能源需求的稳步增长，煤炭的重要性相对下降，原煤（不是原油）作为20世纪最重要的燃料退出了它的舞台：煤炭贡献了约5.3 YJ的能量，相比之下石油提供了4 YJ。

只有两个主要的经济国家完成了第三种化石燃料的过渡，即天然气的消耗超过原油消耗，一个是苏联在1984年完成，一个是英国在1999年完成。

我用来证明这种转变是平缓且漫长的方式是描绘一种能源的上升率。

我开始记下一种燃料达到总供应的5%时的数据，然后看当它到达一定程度的优势时的数据。

这三次连续的转变具有一些有趣的相似之处。

煤炭（替代木材）在1840年左右达到了全球市场的5%，1855年达到了10%，1865年达到了15%，1870年达到20%，1875年达到25%，1885年达到33%，1895年达到40%而1900年达到50%。

到达这些里程碑所需的时间序列是：15-25-30-35-45-55-60。

而对于石油代替煤炭来说，时间序列从1915年的5%开始后的间隔实际上是完全相同的。

天然气大概在1930年占全球燃料市场的5%。

它已经达到了供应量的百分之10，15，20以及25。

度过了20-30-40-50年这一时间序列，现在正在向总量的33%接近。

如果我们对比这个时间序列，我们会发现天然气显然用了更长的时间来达到全部市场的25%，与煤炭的35年和石油的40年相比，天然气用了大约55年的时间。

仅仅这三个序列并不能决定未来全球能源转换的速度。

而安全廉价的核能的实质突破或一个真正便宜的方式来有效地储存大量风和太阳产生的能源都可能加速另一种变化。

但两个世纪来这三种全球性转变中类似的步调是显著的。

特别是由于这三种燃料所需的生产技术，销售渠道以及将它们转换成可用能量的机械（无论是火车的柴油机还是家里的火炉）都是完全不同的。

世界范围内任何一种新的能源所需的巨额投资和基础设施要在市场上占有大量份额需要两到三代，即50到75年之久。

可再生资源的挑战性转变迄今为止再生能源技术也正处于这一相同的缓慢进程中。

2011年美国能源生产中可再生能源占9.39%：在97.301千兆BTU总耗量中占9.135千兆BTU（相当于约103兆焦耳）。

传统的再生能源提供6.01%：水电站占3.25%，木材（主要来源于伐木作业）占2.04%，而剩余的一小部分来源于生物量和地热能。

“新”可再生能源依旧微不足道：液态生物燃料占2.0%，风能1.19%，太阳能0.16%。

对新可再生能源而言，占总量的3.35%是一个有重要意义的数字。

事实上美国再生能源供应未来所有增长都将来源于这些资源，因为旧的再生能源，尤其是水电进一步增长的潜力十分有限。

要过渡到再生能源特别有挑战性，这么说是有多种原因的。

首先是规模，在2012年全球化石能源的使用量大约是450艾焦耳，是19世纪90年代煤炭刚取代木材后的20倍。

坦白说用任一新资源来生产这么多的能量是艰巨的，并且其中有显著份额将来自美国，因为在美国再生能源的消耗量正接近世界总额的五分之一。

另一个因素是风能和太阳能的间歇性性质。

随着夜晚空调使用量以及大城市电子基础设施（从地铁到网络服务器）耗电量的需求不断增长，当今社会需要可靠、不间断的电力供应。

煤炭与核电站是为美国提供电能的“基本负荷”，即日以继夜稳定的电力生产份额。

而可以快速启动与关闭的水电站和燃气发电厂，通常提供遇到短暂的用电高峰期对附加电量的需求，在这一特殊的时间段对电量的需求远超过了基本负荷所能承受的。

风能和太阳能为基本负荷做贡献，但他们无法单独提供所有能量，因为风不可能永远吹而太阳到了晚上就没有了，那么像这种供应源就不能可靠的预测。

在像德国这样的国家，可再生能源的利用已经大幅增长，风能和太阳能可以在某个晴朗和多风的时段里任何一个地方提供能源，从微不足道的量到近乎需求量的一半。

这样的大幅波动就需要有其他发电站做候补，通常是燃煤或燃气，又或者是增加进口电力。

在德国，这一切变动都会导致周边国家电流出现严重混乱。

（要想加快可再生能源的变迁最重要的方式就是通过提升效率来降低总体能耗。

随着全球需求上升的速度越快，就越难以维持大量的供应。

）取代世界能源还需要很多年每一种主导世界供应的主要能源在都用了50到60年的时间上升到首要位置。

煤炭在1840年达到了全球供应的5%，而在约60年后的1900年才达到50%，最终取代了木材。

随后煤炭至石油和天然气的转变也按着相似模式到达了供应的基准水平，在供应达到5%后稳步上升。

石油目前还没达到50%，或许也永远不能达到了。

天然气仍在这条路的中途并且还要很长时间去提升。

而所谓的“现代可再生能源”——风能、太阳能地热以及液态生物燃料——只达到了3.4%；除非出现一项颠覆性的技术或是政策改革来加速变化，否则它们的进程不会有变化，也许注定有很长一段过渡。

煤炭消耗产生的电力仍然占了美国电力的三分之一。

可再生能源起飞的速度并没有比其他新燃料曾经的速度快多少，而且也没有任何技术或经济上的推论使我们相信它将会快速增长。

从某种程度上来说正是由于能源需求在全球不断上升，这使得天然气仅仅是跟上步伐都已经很困难，更不用说其他可再生能源了。

在某些国家这种转变可能快速进行，但全球使用可再生能源的过程将继续缓慢进行，尤其是当前向天然气的转变才刚结束。

当然，总是有可能会出现一项突破性的技术或一项革命性的政策来加速这一转变，但总的来说能源的转换是需要很长时间的。

从木材到煤炭再到石油如今我们对快速而全面过渡到可再生能源抱很大希望的动力不过是痴心妄想，以及对近代历史的误解。

大多数人认为19世纪（快速工业化的年代）世界能源的消耗主要是煤炭，而20世纪则是石油的时代，那么我们所处的当代自然将属于可再生能源。

前两个想法是错误的，后一个尚有疑问。

即使随着工业机械的兴起，19世纪也并不是以靠煤。

而是靠木材、木炭和秸秆（主要是谷物秸秆），它们提供了全球能源的85%，约为2.4YJ。

煤炭开始提供5%以上的燃烧能是在1840年左右，而直到1900年它仍然只提供了需求量的一半。

从5%提高到50%要用50到60年。

有较好的美国统计数据表明1885年开始化石燃料所提供的能源（主要是煤炭、部分原油上很小体积的天然气）已经超过木柴和木炭提供的能源。

这一转折点出现在了1875年的法国以及1901年的日本，但苏联直到1930年才出现，中国在1965年而印度在20世纪70年代末。

同样，在20世纪最多的能源也不是石油，而是煤炭。

在20世纪初烟煤和褐煤在全球燃料消耗中所占份额达到最高，约为55%。

但原油当时虽然已在使用，却直到1964年才超过煤炭的使用量。

如果电力企业有一种便宜的方式来储存大量需求少时的风和太阳所产生的过剩电量，可以利用它来满足之后可能遇到的高峰需求，这样新的可再生能源将能得到更快的发展。

不幸的是，几十年的发展只提供了唯一好的、大范围的解决办法就是：把水抽送高位水库里，这样一来它就能回流通过涡轮机产生电流。

没有多少地方有这样的高程变化或是空间来完成这项工作，何况这一过程还会损失净能量。

替代解决方案则是在很大一片区域里（大约有一个大国或是陆地的一半那么大范围）建造一个广泛阵列的风能和太阳能发电站，并用输电线路把它们连接起来，使发电站的每一个单位都永远为输电网提供电力的机会最大化。

更好更长的输电线路在技术上是可行的，但他们的建造成本很昂贵并且会经常面对当地人的强烈反对：不出意料的话，不管是在美国还是德国批准这一新线路的过程会非常缓慢。

最终想要大量利用可再生能源可能需要从根本上重塑我们现代能源的基础设施。

对电力而言，它可能会从庞大的热电站或水电站中相对少的部分转变到许多小的大多数，即分布式风能和太阳能系统。

对液态燃料而言，它可能需要由提取高功率密度的石油转变成生产低功率密度的生物燃料。

在许多方面，可再生能源的过渡会比之前从煤炭到石油再到天然气的转变更加费力。

最后一个导致这种长期转变的因素就是目前基础设施的规模与成本。

即使我们要使用免费的可再生能源，对国家、企业或市政府来说，要放弃已经投资在全球化石燃料系统中基础设施上至少20万亿美元的资金（从煤矿、油井、燃气管道和炼油厂到数百万的当地加油站）经济上都是无法想象的。

根据我的计算，在2001年至2010年间，中国一个国家就花了500亿美元增加差不多300千瓦的新燃煤发电量，这个数量多于德国、法国、英国、意大利和西班牙化石燃料发电量的总和。