相对于现在的能源格局和趋势更大幅度地提高能源效率，更大量地使用可再生能源，可持续的能源未来就有可能实现。因为提高能源效率可以降低能源消费，减少投资需求，改善贫困国家和贫困家庭的能源服务，而在未来几十年以可再生能源替代化石能源，常规商业能源展望中能源未来相关的所有问题都能得以缓解。国际应用系统分析学会（International Institute for Applied Systems Analysis, IIASA）和世界能源理事会（World Energy Council, WEC）研究提出的生态驱动型“低增长低排碳”能源情景，勾画了可持续的能源未来（图1-5）。在此情景下，加速提高能源效率可以使21世纪能源消费年均增长率降低到0.8%。同时，20年内现代生物质能、太阳能及其他可再生能源将开始在全球能源供应中占据相当比例，2050年可再生能源将占能源供应总量的40%，21世纪末将占到80%（Nakicenovic, Grubler, and McDonald 1998）。

    比较IIASA-WEC提出的两种情境，到2050年，“低增长低排碳情景”比“高增长高煤炭情境”少排碳近65%，而到2100年少排90%以上（Nakicenovic, Grubler, and McDonald 1998）。“低增长低排碳情境”可以达到《京都议定书》设定的温室气体减排目标，在21世纪后半叶把大气中的CO2浓度稳定在450 ppmv，从而大大降低全球气候变暖的风险。

　　降低能源消耗总量，加大可再生能源比例，可以减少城市空气污染、酸雨以及其他地域和区域性环境污染。比如，到2050年，“低增长低排碳情境”比“高增长高煤炭情景”少排放2/3的SO2。提高能源效率，增加可再生能源利用，可以减少总投资需求33%～50%（Nakicenovic, Grubler, and McDonald 1998），同时可改善贫困家庭和发展中国家农村的能源服务。

　　与上述情景设计类似，IPCC（政府间气候变化问题小组）第三次评估报告也包括了大力提高资源效率、降低资源消耗强度、注重全球可持续性的假设情景，即到2100年CO2浓度为450～550ppmv，1990—2100年期间气温升高约2.5℉～3.6℉（1.4～2.0℃）（IPCC 2001a）。相比之下，IPCC编制的高需求增长，化石燃料高利用率方案中预计，2100年CO2浓度将达到700～970ppmv，1990—2100年期间气温上升高达10.4℉（5.8℃），地域和区域性空气污染更为严重（IPCC 2001a, 2001c）。

　　本书的独特之处在于聚焦能源革命相关政策。但在研究政策时，有必要了解借以实现能源革命的关键技术，以及这些技术、政策在21世纪得以实施的背景。以下内容将提供有关背景和环境信息。  

       1  可再生能源概况

　　可再生能源可以提供全世界消耗的所有能源，仅太阳能蕴藏的能量就足以满足2100年以后的全球能源需求（Rogner 2000）。此外，可用的陆地风能潜力达20万亿～50万亿kWh，相当于目前世界发电量的1.5～4倍（Turkenburg 2000），加上海上风能，世界风电潜力更大。按照未来可用于种植能源植物的土地面积计算，生物质能源可以提供目前世界能源消耗的1/4～3/4。

　　表1-3列出了主要可再生能源技术发展现状。过去20年这些技术的特性和成本都得以显著改善（Interlaboratory Working Group 1997, Turkenburg 2000），一批新的可再生能源技术在特定领域已经可以与常规能源竞争，例如风电已几乎可以与新建化石燃料发电厂相竞争。太阳能光伏发电（PV）、现代生物质能在发展中国家的农村已经达到经济合理。当考虑化石燃料的环境成本和其他客观因素时，经济平衡有利于在更多领域应用可再生能源（Nogee et al. 1999）。

    由于技术进步和成本降低，20世纪90年代风电技术已经成熟，世界并网风电装机容量从1990年的200万kW增加到2001年底的约2500万kW（BTM Consult 2001），目前风力发电量以年均30%的速度增长。随着风机大型化、叶片及控制系统的改善、海上风电的发展以及其他方面的创新，风电技术还在不断提高，成本也在不断降低。目前，在不同风速条件下，风电成本已经达到0.04～0.06美元/kWh，最终可能低至0.02～0.03美元/kWh（McGowan and Connors 2000, Short 2002）。

　　过去20年来，研究工作者及相关企业已经大幅度提高了太阳能光电板的性能，降低了其成本。到2000年，光伏发电全系统成本达到5～10美元/W，光伏发电成本降至0.25～1.25美元/kWh（Rever 2001）。尽管仍然高于工业化国家典型的电力成本，但这样的成本水平已经使光伏发电能够经济合理地在一些特定场合使用。比如远离电网、建设输配电线路成本很高的农村。此外，并网光伏发电也正在德国、日本等国迅速发展。

　　从1995年到2000年，在技术进步和政策支持的共同作用下，全球光伏发电市场扩大了近4倍（Maycock 2001）。为继续保持快速增长，光电企业正在开发新型光电电池，如与建筑一体化的光电板等新产品。随着技术进一步提高和市场不断扩大，光电系统的成本将在2005—2010年降至2～5美元/W，2015—2020年降至1～3美元/W（Turkenburg 2000），使光伏发电能够经济可行地得以更广泛应用。

　　生物质能包括木柴、森林工业和农业残余物、能源作物。只要生物质的生产方式是可持续的，生物质用作能源可以实现碳平衡。因为尽管生产、加工生物质需要额外的能源，但植物、树木可以通过光合作用吸收大气中的CO2。生物质可用于取暖、做饭、发电供热，还可转换为气体和液体燃料，巴西、中国、印度、美国等已这样做了（详见第四章市场改革案例）。

　　许多国家利用造纸和木材制品的残余物和城市固体垃圾发电、供热。1987—1999年，美国利用生物质能产生的发电量翻了一番（Short 2002）。有少数国家已经开始种植专用于能源的柳树等能源作物。如瑞典种植柳树，1999年瑞典能源供应的17%来自生物质，并准备到2020年将这一比例提高到40%（Turkenburg 2000）。

　　一批生产、加工生物质能的新技术正在开发中，包括用作能源作物新品种、优化过程生产、生物质气化技术、纤维素转化为乙醇的新方法等。另外，研究工作者和相关企业也正在研究开发新的方法，目的是把生物质转换为高价值的化学品和氢气等燃料。目前这些技术成本较高，但持续的研发将会降低其成本，扩大生物质能源市场（Kheshgi, Prince, and Marland 2000）。

　　地热能是利用地球内部的热量产生蒸汽、热水和电力。1998年，全世界利用地热生产了约450亿kWh电和几乎等量的热力（Turkenburg 2000）。冰岛的地热生产在能源供应总量中占有很大比例，菲律宾的地热发电占总发电量20%以上，在加利福尼亚州则占5%。受高品位地热资源不足所限，世界地热能生产年均增长5%。低温资源利用、钻深井和注水提取地下热岩所含热量等新技术的开发将加速地热能利用（Mock, Tester, and Wright 1997）。

　　水电厂每年发电2.6万亿kWh，约占世界总发电量的1/5。在OECD国家，大部分经济可开发的水能资源已经开发殆尽，而在有些发展中国家，仍有相当大量的水能资源未能开发，非洲已利用的水能还不到7%（Karekezi 2002a）。由于资源丰富，预计本世纪中叶水力发电量将达到每年6万亿kWh（Turkenburg 2000）。但是，环境和社会压力（比如反对建设大量移民的水电项目）可能会限制水电的发展①。但是新技术也在不断开发中，以致把水电对社会和环境的负面影响降至最小（Marsh and Fisher 1999, Turkenburg 2000）。

       2  提高能源效率的机会

　　提高能源效率是用较少的能源完成特定任务，是世界上一种重要的能源“资源”。过去几十年来，人们开发了大量的能效技术，以提高家用电器、照明器具、交通工具、建筑、发电和工业过程的能源效率。随着这些技术越来越多地被采用，很多国家的能源强度（单位经济产出（GDP）的能源消耗）显著降低。

　　图1-6表示1973年以来8个主要OECD国家能源强度的降低情况。从1973年到2000年，德国的能源强度降低了43%、美国降低了42%、英国降低了39%、日本降低了24%。能源强度降低的部分原因是经济结构的变化，比如从重工业转向轻工业和服务业，但主要原因是能源效率的提高（IEA 1997d, Schipper et al. 2001）。

    广泛使用已商业化的经济可行的能效技术，可以更大量地节约能源。这些技术包括：

　　（1） 能效更高的烹饪和热水设备；

　　（2） 更好地利用自然光和自然通风的建筑；

　　（3） 安装反光屋顶以减少空调负荷的建筑；

　　（4） 使用紧凑型荧光灯代替白炽灯；

　　（5） 其他高效照明器具；

　　（6） 使用高效压缩机和换热器的冷冻设备；

　　（7） 能源管理和控制系统；

　　（8） 低待机能耗的电子设备；

　　（9） 改善泵、空压机等电机系统的设计与控制；

       （10） 能效更高的机动车发动机、动力传动系统，轻型和混合动力机动车。

　　以上只是一些用于降低特定任务的能源消耗的技术。从洗衣到操作电子设备以及生产钢材、化学品和其他基础材料，都还有很多途径可以降低能源消耗。此外，采用集成“系统工程方法”，更优化地设计住宅、办公楼、机动车和工业过程，均可以显著地节约能源，并节约初投资（Hawken, Lovins, and Lovins 1999）。

       在任何一个国家，节约能源比供应能源的成本要低得多。表1-4列出了美国经济合理的节能潜力：家用照明和制冷设备、商用建筑的供暖制冷系统、新型汽车和轻型卡车的节能潜力高达33%以上，其他各类设备和过程的节能潜力也至少是20%（数据来自美国名列前茅的国家实验室）。对西欧和日本研究表明，其节能潜力与美国类似（Jochem 2000）。不过，我们应该懂得，节约能源不可能是一夕之功。存量资产需要很多年才能全部置换，从而实现如此大量的能源节约潜力。

　　表1-4所示节能潜力是根据20世纪90年代末已商业化的能效技术估算而得，但能效提高的潜力并非静止不变。在世界各地，不断开发和销售高能效的新家电、照明器具、建筑材料和机动车，已经成为常规（Martin et al. 2000, Nadel et al. 1998）；企业和研究机构还在开发使用更高效、更清洁的方法，生产钢材、铝材、纸张和化学品等基础材料，以及大大降低电力输配损失的超导材料；材料革命和数字革命，使得用高科技、轻便材料或信息流代替高耗能材料和活动成为可能（Hawken, Lovins, and Lovins 1999）。此外，材料的循环和产品的再利用正在扩大。上述所有革新，都意味着能源效率的“资源基础”正在持续不断地扩大。

       大量的节能潜力并非限于工业化国家。少数发展中国家尤其是中国和一些东南亚国家，几十年来虽然降低了其能源强度，但能源浪费现象仍很普遍，因此发展中国家的节能潜力巨大（PCAST 1999）。因为这些国家的家庭一般使用低能效的烹饪器皿和供暖系统，企业通常使用低效的照明设施、电机和工艺过程，低效的发电和输配电系统也很普遍。据估计，这些国家经济合理的总体节能潜力达40%以上（Jochem 2000）。

在能源供应、转换和终端使用方面提高能源效率都是可能的。新建的联合循环发电的电力转换效率可达到50%～55%，接近旧热电厂的两倍①。热电联产系统可以将80%～90%的燃料投入转换为有用的能源（Casten 1998）。各国正在大力开发的燃料电池技术，污染物排放低，能源转换效率高，用于联产电力和热力时效果尤为明显。

       3  天然气的作用

       天然气是最清洁、含碳量最低的化石燃料。在有天然气供应的地方，燃气联合循环发电通常成为此地扩大发电能力的优先选择。燃气联合循环发电较之新建燃煤发电，能源效率要高得多，投资成本也比较低，而且不排放SO2和可吸入颗粒物，单位发电量较新建的燃煤发电厂少排放氮氧化物90%，CO255%～65%（Williams 2000）。

　　天然气资源丰富，分布范围比石油要广。2000年底，前苏联探明天然气储量已经稍多于中东国家（BP 2001）。由于天然气需求增长、新的天然气发现、勘探开发技术进步，过去25年世界探明天然气储量翻了一番。因为天然气比其他化石燃料有优势，世界天然气使用正在扩大，未来几十年还将持续增长。据IEA参考情景预计，天然气在全球能源供应中的比例将从1997年的20%上升到2020年的24%（IEA 2000a），而按照国际应用系统分析学会（IIASA）和世界能源理事会（WEC）提出的“低增长低排碳情景”，到2050年，天然气在全球能源供应中将占28%。

　　在IIASA-WEC“低增长低排碳情景”中，21世纪下半叶，天然气消费的绝对量和所占比例都将下降，太阳能、生物质能等可再生能源最终将取代天然气等化石燃料，成为能源供应的主体。因此，天然气是世界能源使用向可再生能源顺利过渡的“过渡燃料”。从现在开始减少使用石油和煤炭是重要的，同时在未来几十年继续扩大使用天然气，使得未来地域性和区域性空气污染显著降低，气候变化的危险降低到可接受的水平，全球能源安全得以提高，全世界的人们都享受到现代能源服务。

　　天然气供应设施通常建在距需求中心较远的地方，而长距离输送的成本很高。建设天然气管道等供应设施的投资也很高，这对发展中国家是一个很大的问题，这就意味着，无论是用于发电还是用于家庭、工业等部门，天然气的使用效率都至关重要，而天然气高效利用技术包括先进的燃气轮机、热电联产系统、燃料电池、燃气热泵、以及高效建筑设计等（Nadel et al. 1998, Williams 2000）。

       4  关于核电发展

　　目前全世界共有435座核电厂，其发电量占世界总发电量的17%（IEA 2000a）。但核电发展已经停顿，其影响因素是多方面的，包括缺乏公众支持、未能开发出安全长久的核废料处置方法、切尔诺贝利核泄漏事件引发的安全问题、核武器扩散的潜在危险以及核电成本缺乏竞争力等。由于低成本替代技术的发展,如燃气联合循环发电和风力发电等，新建核电厂就显得不经济了。

　　核电不仅具有不排放CO2或其他温室气体的优点，①还有不排放危害人类健康的空气污染排放物，如SO2、氮氧化物和可吸入颗粒物等优点。当全世界为减缓气候变暖而限制温室气体排放时，核电又重新受到关注。尽管如此，人们普遍认为核电不会“复兴”，其发电量也会随着老旧反应堆退役而降低，除非所有上述问题都能得以解决，并重获公众支持（Beck 2001, PCAST 1999, Williams 2000）。

       由于已认识到上述这些问题,核工业现在正在研究开发新型的反应堆和反应堆燃料循环。新的设计将比现有设计安全、成本低，而且发生核武器扩散的可能性也小得多。这些选择包括先进的轻水反应堆和气体冷却反应堆，如卵石层模块反应堆（Williams 2000）。即使能完成这些技术工业，这些反应堆仍将耗费大量燃料并产生强放射性的核废料。因此，即使专家认为技术问题已经解决，也无法保证公众能接受这种新一代的核电厂。关于反应堆的脆弱性问题以及核废料存放地易受恐怖主义者袭击的问题，给重振核电提出了另一个挑战。最后看来，即使技术问题得到了解决，而且也获得了公众支持，但是与那些先进的和低成本的发电资源相比，还是不能保证新一代的核电在经济上更有优势。

       核燃料加工、核电厂建设、核废料处理、核电厂拆除过程中，都要消耗能源因而排放温室气体。同样，建造、生产可再生能源设施所需材料时，也排放温室气体。但与燃煤发电相比，温室气体排放减少了90%，比燃气发电也少得多（Holdren and Smith 2000）。

　　鉴于以上存在的问题核电复兴的前景并不光明。因此，各国政府必须决定是否继续支持核能研发，以“保持核能路径敞开”。过去50年，核工业从各国政府获得了巨大支持，用于研究开发和其他补贴。根据对核能存在的诸多问题和对其他能源的前景的认识，几乎所有国家都大幅减少了对核能研究开发的支持（IEA 2001e）。