2012年8月中旬，美國能源部長朱棣文博士和先進(jìn)能源研究項目署署長阿倫·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)性能源未來所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇》一文，提出為保障未來全球的持續(xù)繁榮、可持續(xù)性和安全的能源供應(yīng)，目前需要一場新的工業(yè)革命。文章以交通運輸和電力生產(chǎn)兩大領(lǐng)域為重點，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)會和挑戰(zhàn)，為讀者詳盡地了解該問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，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)增長和持續(xù)繁榮的重要基石，21世紀(jì)人類對能源的獲取和利用也必須具備可持續(xù)性的特點。然而，未來全球能源供應(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)增長將產(chǎn)生巨大的能源需求，在能源供給壓力陡增的同時，勢必會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的進(jìn)一步惡化，各國必須在既定時間框架內(nèi)實現(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)國際能源署預(yù)測，如果全球繼續(xù)實施現(xiàn)行的能源政策，上述兩項指標(biāo)2035年將分別增加為180億噸油當(dāng)量和430億噸；如果未來采取積極的應(yīng)對方案，它們將分別降為170億噸油當(dāng)量和360億噸。

    為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，全球需要一場新的工業(yè)革命，以保證未來能源供應(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、太陽能、風(fēng)能及核能等清潔能源和可再生能源是這場革命的必然選擇。

    目前，化石能源占全球能源消費總量的86%。從1980至2008年，全球每年消費的石油總量增加了31%，隨著近年來石油探測和采掘技術(shù)的進(jìn)步，全球已探明石油儲量也在增加。此外，近年來世界各地也相繼發(fā)現(xiàn)了豐富的頁巖氣儲量。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，對此必須保持清醒的認(rèn)識。

    能源系統(tǒng)可以分為運輸和固定兩個分系統(tǒng)。每個系統(tǒng)內(nèi)的供應(yīng)、需求和分配設(shè)施都是高度相適配的，但相互之間卻是獨立的。我們需要對一些重要研究領(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，以改善未來的能源供應(yīng)狀況。生物燃料、太陽能等技術(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。

    改善能源運輸系統(tǒng)和提高燃料使用效率

    在目前的能源運輸基礎(chǔ)設(shè)施中，運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)，一些國家嚴(yán)重依賴進(jìn)口石油，甚至對其貿(mào)易平衡和國家安全帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這給全球石油運輸帶來了巨大壓力。2011年，全球石油消費總量為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間運輸，未來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，運輸技術(shù)的進(jìn)步將會有助于緩解石油運輸系統(tǒng)所面臨的壓力。例如未來很多擬建基礎(chǔ)設(shè)施在選址時，將會統(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)合算的公共運輸功能將會與都市建設(shè)規(guī)劃更好地相融合，而在運輸系統(tǒng)中合理地使用信息技術(shù)也可望大大減少燃料消耗。

    美國能源部最新出版的四年一度技術(shù)評估報告，全面考察了可供未來研究的最新技術(shù)和機(jī)會。報告指出，采取措施提高交通運輸工具的效率能夠大幅降低人類對石油的依賴程度。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，這將大大減輕運輸車輛的自身重量。未來10到20年，在不降低安全性能的前提下交通運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)省燃料的一個途徑。車輛在正常行駛過程中，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摩擦阻力等所造成的損失等因素，用于驅(qū)動車輛正常運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15到25年最高可提升60%。

    未來幾十年，使用液態(tài)運輸燃料的內(nèi)燃機(jī)仍將居汽車動力的主導(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)火花點火式發(fā)動機(jī)的效率為25%到35%，壓燃式柴油發(fā)動機(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，美國汽車發(fā)動機(jī)的效率每年約提升1.4%，這些提升主要是通過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實現(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)號辛烷值燃料，火花點火式發(fā)動機(jī)效率也可以達(dá)到柴油機(jī)器的水準(zhǔn)。高性能計算機(jī)的模擬功能在內(nèi)燃機(jī)研制過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)效率和減少廢棄排放方面取得進(jìn)展。低成本的余熱回收也可以提高內(nèi)燃機(jī)的效率，這對重型車輛來說效果更佳。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。

    蓄電池混合動力燃料

    插電式混合動力車和全電動輕型、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。在過去5到6年內(nèi)，研究人員在電池陰極、陽極和電解質(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)計出具有微米和納米級內(nèi)部結(jié)構(gòu)的柔性導(dǎo)電膜。最先進(jìn)的石墨陽極電池和鋰電池正步入商業(yè)化階段。在未來幾年內(nèi)，能量儲存密度為每公斤200瓦時（是現(xiàn)有電池能量密度的2倍）、3個小時內(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650美元，2030年將降為150美元。

    2012年3月美國公布了“EV-Everywhere”計劃，將于2022年前建立世界通用的5人乘坐型普通價格電動汽車的量產(chǎn)體系。該計劃要求將電池系統(tǒng)的成本降為每公斤千瓦時190到300美元。采用陽極保護(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。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)測單個蓄電池的某些特性（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

    相對低價位的燃料電池電動車汽車，具有續(xù)航能力遠(yuǎn)和充電速度較快的優(yōu)勢。近年來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，但其昂貴的價格限制了燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用。自2005年以來，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)計制造（如濕度調(diào)節(jié)器、壓縮機(jī)以及熱流設(shè)計與成本等）來降低燃料電池的成本，提高其效率。

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

    另一個挑戰(zhàn)是加氫站的建立和氫氣來源。近年來頁巖氣的大量使用將對運輸部門產(chǎn)生重要的影響，低價格的頁巖氣可能會有助于加快氫氣充氣站的建設(shè)步伐。此外，通過改革商業(yè)運作模式（如建立混合發(fā)電廠）也可以獲取具有經(jīng)濟(jì)性的氫氣。但從長遠(yuǎn)來說，必須開發(fā)出一種具有成本優(yōu)勢、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、價格低等優(yōu)點，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。國際天然氣汽車組織的統(tǒng)計顯示，近10年來天然氣汽車的年均增長速度為20.8%，目前全世界共有大約1270萬輛使用天然氣的車輛，2020年總量將達(dá)7000萬輛，其中大部分是壓縮天然氣汽車。目前美國僅擁有11.2萬輛天然氣汽車，不到全球總量的1%，也不到美國車輛總數(shù)的1/10，因而具有很大的發(fā)展空間。

    近年來美國境內(nèi)天然氣價格的大幅降低，為天然氣汽車的發(fā)展和進(jìn)一步推廣提供了新動力。由于經(jīng)濟(jì)上的合理性，美國國內(nèi)重型長途運輸卡車采用液化天然氣取代柴油已成一個普遍選擇。一輛重型長途運輸卡車每年消耗燃料9萬升（依目前價格計算約為8萬美元），目前液化天然氣卡車用的低溫儲罐和相關(guān)配套設(shè)備售價為1萬美元，其成本回收期為3到4年，未來隨著低溫儲罐和相關(guān)配套設(shè)備售價的逐步降低，其成本回收期會更短。重型運輸卡車的續(xù)航里程為800到960公里，這需要每隔240到320公里建立一個天然氣燃料添加站。目前已有私營部門計劃對這項基礎(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列車上使用液化天然氣為動力燃料的方案。

    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。目前美國境內(nèi)的公共汽車、貨運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藏技術(shù)，才能使汽車使用壓縮天然氣時較為經(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)高壓存儲罐，同時也需要開發(fā)用于低壓天然氣儲藏的吸附劑。全美共有大約16萬個加油站，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1000億美元，這是一個巨大的挑戰(zhàn)。解決該問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)動燃料行駛30到60公里后，切換為以汽油為驅(qū)動燃料行駛，可以保證車輛能正常抵達(dá)下一個壓縮天然氣充加站。

    當(dāng)然，也可以利用費托合成技術(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)的燃料運輸也將面臨添加站點的瓶頸。

    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，未來生物燃料將步入高速發(fā)展時代。今年5月國際能源署發(fā)布的《交通用生物燃料技術(shù)路線圖》指出，在不對環(huán)境及糧食安全帶來重大負(fù)面影響的前提下，2050年生物燃料可以替代5500萬噸到7500萬噸石油，生物燃料在運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、巴西和歐洲等國在發(fā)展生物燃料方面居世界前列。2009年美國發(fā)布《國家生物燃料行動計劃》，提出到2020年生物燃料將占其能源總消費量的25%，2050年將達(dá)到50%。巴西早在2006年就已實現(xiàn)40%以上的汽油消費由乙醇汽油取代，成為世界上唯一不供應(yīng)純汽油的國家。

    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。其最大缺點是與人畜爭奪食物資源，有可能導(dǎo)致糧食價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%來自于可再生來源（其中大部分則是以糧食為基礎(chǔ)的生物燃料）。據(jù)報道，今年9月歐盟提出了一份立法草案，擬對以食用農(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)研究對這種燃料的減排效應(yīng)提出了質(zhì)疑，而重點糧食產(chǎn)區(qū)的歉收又引發(fā)了對糧食短缺的進(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：首先是汽車發(fā)動機(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。可喜的是，2012年2月，丹麥諾維信生物技術(shù)公司面向全球市場推出了適用于纖維素乙醇商業(yè)生產(chǎn)的新型高效酶，這是目前市場上性價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)》的研究報告預(yù)測，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)百萬個就業(yè)崗位，同時促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長，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發(fā)展?jié)摿薮蟮姆较颉＿@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養(yǎng)源，讓藻類在太陽光和二氧化碳的環(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)、生長周期短、產(chǎn)量高等特點。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。2010年荷蘭科學(xué)家發(fā)表的研究成果表明，在過去的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Pike研究咨詢公司2011年的研究報告則預(yù)測，到2020年全球藻類生物燃料的市場將達(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)化為液體運輸燃料的新方法。通過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)勢是能夠?qū)⑻柲苻D(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能催化劑，這是提高人工光合作用效率的關(guān)鍵。2010年美國能源部資助建立了“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現(xiàn)人工光合作用技術(shù)的實用化。

    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)會聯(lián)合發(fā)布的《2012年最新能源展望報告》指出，目前已有100多個國家制定了可再生能源發(fā)展目標(biāo)，新能源產(chǎn)業(yè)的增長能夠?qū)夂颉⒛茉春徒鹑陬I(lǐng)域的危機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)槿碌目沙掷m(xù)增長機(jī)遇，從而為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供新動力。2011年全球可再生能源發(fā)電量比2010年增長了17.7%，連續(xù)8年呈兩位數(shù)增長，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)電量增長了25.8%，首次超過當(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，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)合國政府間氣候變化專門委員會發(fā)布的一份報告指出，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。報告同時指出，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)國際能源署預(yù)測，未來很多國家都將會采取碳定價等措施，努力減少發(fā)電過程中溫室氣體的排放量，但可再生能源發(fā)電未來成本的降幅卻并不令人樂觀，如2020年海上風(fēng)能發(fā)電站的均化成本為每千瓦時90美元（以2010年美元的實際價值計算），美國能源信息署預(yù)測2016年其成本為每千瓦時80到120美元。

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

    對某些均化成本超過每千瓦時200美元的地區(qū)來說，目前可再生能源發(fā)電已經(jīng)具備了價格優(yōu)勢。據(jù)預(yù)測，未來全球范圍內(nèi)風(fēng)能、太陽能發(fā)電的成本將會越來越趨于經(jīng)濟(jì)合算。此外，隨著高性能、低成本和耐用的儲能電池的研發(fā)，電力儲能技術(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。

    盡管未來各種可再生能源發(fā)電成本將會持續(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%，即使要實現(xiàn)該目標(biāo)的一半，依然需要在技術(shù)創(chuàng)新、運營程序、商業(yè)運作模式和管理措施等方面對現(xiàn)有電力系統(tǒng)進(jìn)行改革。