能源短缺

考古学家对于人类何时懂得用火有着不同的说法：有的人认为那是在12.5万年前，其他人则指出有证据显示是在79万年前。无论哪种说法正确，当我们的祖先学会了摩擦两根树枝取火，并从中获得了巨大好处之后，便再也没有走过回头路了。火为人类提供了可靠的温暖以及光源，并且永远地改变了人类的历史。不幸的是，在今天的地球上，每三个人当中就有一个人仍然过着与10万年以前相差无几的生活。

根据联合国统计，目前全球仍然有15亿人过着没有电的生活，有35亿人必须依赖如木材或木炭这样的原始燃料做饭取暖。在撒哈拉以南的非洲地区，这样的人所占的比例甚至还要更高；在那里，有超过70%的人过着没有电的生活。这个瓶颈带来了一系列的后果。能源可以说是实现全球富足最重要的基石。如果拥有充足的能源，那么就能够解决水资源短缺的问题，同时也有助于解决目前绝大多数的健康问题。能源还能为我们带来光明，因而有利于促进教育的发展，进而减少贫困发生。能源与减少贫困是息息相关的，因此联合国发展计划曾经发出过这样的警告：如果发展中国家的能源服务无法获得显著的改善，那么旨在减少半数贫困人口的千年发展目标便一项也无法实现。

对于肯尼亚博士生默茜·吉玛（Mercy Njima）来说，她的祖国有85%的地区仍然饱受着能源短缺之苦。吉玛在奇点大学度过了2010年的夏天，她向我描绘了她在少年时期所观察到的各种复杂的问题：

想象一下，你不得不依靠燃烧劣质的木材、粪便或农作物收割后的废弃物来做饭，因而你也就不得不遭受到燃烧这些东西释放出来的有毒烟雾的残害，而这可能是致命的。想象一下，当你在病危的时候，诊所因为没有电，甚至连最简单的治疗也无法提供，从而将你拒之门外。想象一下，你的那些生活在各种绝症阴影下的朋友，他们因为没有冰箱，因而无法保存至关重要的疫苗。想象一下，你或你的爱人怀孕了，然而在分娩的晚上却没有灯光、没有止痛药，如果发生了并发症，将根本无法拯救母亲或新生儿的性命。请你想象一下这些情景吧。

吉玛形容自己是非洲新“猎豹世代”（cheetah generation）中的一分子。这些新“猎豹世代”是一群具有快速应变能力的企业领袖，他们正在努力拯救这个饱受贫困、腐败和糟糕的治理之苦的大陆。吉玛认为，如果能够获得更充足的能源，那么上面这3个问题（贫困、腐败和糟糕的治理）都将可以得到显著的改善。“想想那些妇女和儿童，他们每天都得花费大量的时间去找寻日益短缺的能源资源。他们随时都会面临着遭受野生动物攻击或者被人强暴的危险。每当他们开始燃烧生物燃料的时候，刺鼻的烟雾会给他们带来严重的肺部疾病，并且使厨房变成了死亡陷阱。儿童和他们的母亲是受害最多的人群，他们最容易面临窒息、反胃和哮喘的危险。吸入浓烟所造成的死亡要比疟疾所引起的死亡人数更多。再者，室内的空气污染也会造成呼吸系统疾病，如肺炎、支气管炎和肺癌等。每天长时间生活于传统的开放式火炉旁边的妇女和儿童，所吸入的废气量相当于每天抽两包烟。”

她还指出，由于儿童不得不在本来应该上学的时间里帮忙搜集燃料，所以他们可以接受教育的时间受到了严重的影响。在晚上，同样存在着问题：学生们需要做功课，但是却没有供他们温习功课的灯光。煤油虽然能够帮忙解决问题，但既昂贵又危险。此外，吉玛还说，老师们也不想在没有灯光、缺乏设备的社区工作。不仅如此，能源短缺所造成的后果已经完全超越了家庭和学校的范围。她说：“能源短缺同样也意味着，开始任何一项简简单单的业务，人们都要付出更加艰辛的努力。这种能源短缺的影响已深入到了肯尼亚人生活的各个层面，整个非洲大陆的情况也大致如此。大部分非洲人都生活在能源短缺之中。这是一个非常严峻的事实。”

然而，伊曼·安德鲁斯（Emem Andrews）却认为这并非是无法改变的现实状况。伊曼·安德鲁斯曾经担任壳牌石油公司尼日利亚分公司的资深项目经理，现在是一位硅谷能源企业家。她说：“毫无疑问，非洲完全有可能实现能源独立。仅尼日利亚一个国家的石油产量就足以满足整个非洲的需要了。但最终而言，能提供最多能源的还是太阳。因为只有太阳能才是去中心化的、完全免费的，而且是任何人都能取用的能源。非洲就拥有大面积的沙漠，这些沙漠目前远远没有得到充分利用，而且它们都处于日照量很高的低纬度地区，因此拥有既充足而又完全免费的阳光。我们所缺乏的只不过是开发太阳能的技术而已。”

跨地中海可再生能源合作组织是由罗马俱乐部创立的，它是一个由科学家和技术专家组成的全球性的国际网络。根据这个组织的报告，照射在非洲沙漠上1平方千米的充沛的太阳能，足以生产出相当于150万桶石油，或30万吨煤炭所能产生的能量。德国航空航天中心也估计，照射在非洲北部沙漠的太阳能如果被充分利用起来，就足够为人类提供相当于目前全世界用电需求量40倍的能量。此外，美国全球发展中心（Center for Global Development）研究员大卫·惠勒（David Wheeler）发现，非洲的太阳能潜力是欧洲的9倍，每年的能源量相当于1亿吨石油。再加上非洲所拥有的巨大的风力、地热、水力的蕴藏量，这个大陆将不仅能够满足自身的能源需求，而且还能把剩余的能源出口给欧洲。非洲要开发这种潜力巨大的可再生能源的最大困境也许在于，它目前几乎没有任何能源基础设施，但是，这也恰恰是非洲的优势所在，这是一个颇具悖谬性的事实。

在历史上，正因为非洲缺乏以铜线铺设的固定电话网络，才使得无线通信系统以爆炸性的速度发展起来。类似地，现在非洲缺乏大规模的、集中化的煤炭和石油发电厂，也许刚好能为去中心化的、可再生能源发电厂的建设铺平道路。而且，那些早期就采用传统发电方式的富裕国家（多数为第一世界国家），很可能会愿意出资来发展这些技术（最理想的情况是，它们与崛起中的10亿人以共同开发的方式来发展），一旦他们找到了进入非洲的方法，那么这些全新的能源系统将会带来立竿见影的好处。许多人都忘了，把燃料和发电机运送到偏远地区，其实是要付出巨大的代价的。在大多数地方，这么做会让每千瓦时的电力成本额外上升35美分。因此，即使在今天，太阳能的成本为每千瓦时20美分（这已经包括了所需的电池的成本），它仍然比现行技术便宜约每千瓦时25美分，这相当于节省了30%的成本。

而且，现有的太阳能技术仍然有非常大的改进空间。

美好的未来

如同许多从网络泡沫中全身而退的人一样，安德鲁·毕博（Andrew Beebe）也及时地抽身离去了。在2002年的时候，他卖掉了自己的网络公司Bigstep，开始另谋高就。受到富有远见的物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）的“破解光合作用”（hacking photosynthesis）理念的启发，毕博决定在可再生能源领域寻求发展机会。一开始，他与创意实验室的总裁比尔·格罗斯（Bill Gross）合作，创办了能源创新公司（Energy Innovations，简称EI），涉足高转换率的太阳光电产品（photovoltaic，简称PV）制造业务。但他们很快就把它拆分成了两家独立的公司，毕博选择的是负责系统安装业务的能源创新解决方案公司。在接下来几年里，他把能源创新解决方案公司发展成了一个价值2 500万美元的企业，为谷歌、索尼、迪士尼等公司的总部安装太阳能电池板，然后他又把这家公司出售给了全世界最大的光电制造商尚德电力公司。而他自己则留在该公司负责全球产品管理，接着他又接手了全球业务与营销工作——至今仍负责这块业务。作为全世界销售量最大的太阳能光电产品的营销负责人，毕博对太阳能技术的发展趋势了如指掌。据他所说，太阳能技术的发展势头仍然非常强劲。安德鲁·毕博这样说道：

太阳能市场是按经济学基本原则发展的绝佳范例。在过去的10年里，太阳光电产品的生产量和安装量每年都增长45%～50%。与全球其他能源产品的年增长率相比（其他能源的年增长率只有1%），太阳能光电产品的增长率可以说是非常巨大的。2002年，我刚进入这个产业时，每年的销售总量约为1 000万瓦。今年，这个数字已经高达差不多180亿瓦。在不到10年的时间里，增长了将近2 000倍。与此同时，成本却一直在下降。4年前，当我为谷歌购买太阳能电池板的时候，即使使用非常成熟的技术，价格也要每瓦特3.2美元。今天，全球平均安装价格为每瓦特不到1.3美元。不论是在白天，还是在晚上，我的电话都会不断地响起来，而由电话那端传来的却是更疯狂的降价数字。这个产业的目标是不断以更低的价格来销售自己的产品。这种事情听来很奇怪，但却是千真万确的，而且一直在发生。

何处才是成本的谷底？不知道，至少在目前仍然看不到。过去30年来的资料显示，全球太阳光电产品的累计产量每增加一倍，成本就会下降20%。这是另一种指数型的价格曲线，现在它被称为史旺森法则（Swanson’s law）——这一名字取自日能公司创办人之一迪克·史旺森（Dick Swanson）。根据史旺森法则，成本下降曲线实质上是制造技术和生产效率的一条学习曲线。

安德鲁·毕博还说：“昂贵的硅晶片一直是太阳能电池板中最昂贵的零件，而我们也一直在按部就班地制造更薄的晶片：比起5年前，同样生产1瓦特的能量，现在可以少用一半的硅晶片。”而1366科技公司（1366 Technologies）则把自己的使命确定为：把硅晶片的消耗降低到现在的1/10。这个公司是麻省理工学院机械工程系教授伊曼纽尔·萨克斯（Emanuel Sachs）创立的。（公司名称取自地球每平方米土地的年平均太阳能照射量。）1366科技公司已经找到了无需事先把整块硅原料切割成小块便可制成薄晶片的方法，这就大大降低了太阳光电系统中最昂贵部件的成本。

这种发现应该不会让大家感到惊奇。太阳能市场的巨大潜力，以及太阳能技术为人类带来无穷的好处，使得降低太阳光电的成本、提高安装的简便性和进行全球化的生产成为了成千上万的企业家、大公司和大学实验室追求的目标。在美国2010年的第一季度，清洁技术专利的数量创下了历史新高，达到了379项，而在2008年中期至2010年初这段时间里，与太阳能有关的专利数量几乎增加了两倍。

自此以后，探索的步伐继续加速前行。IBM的科学家最近宣布，他们已经找到了一种方法，可以用比较廉价的铜、锡、锌、硫和硒等元素来替代铟、镓等昂贵的稀土元素。与此同时，麻省理工学院的工程师们利用碳纳米管收集太阳能，使得太阳能电池板的效率比传统模式提高了100倍。“你再也不需要让你的整个屋顶都覆盖上太阳能光电池了，”该研究小组的负责人迈克尔·斯特拉诺博士（Dr. Michael Strano）说，“你只需用天线把一些微型太阳能电池板连接起来，就能使它们上面的光子发挥作用。”

但是，为什么一定要在屋顶上放一些太阳能电池板呢？位于马里兰州的新能源技术公司（New Energy Technologies）已经发现了一个能够把普通的窗户转变成太阳能电池板的方法。与传统的太阳能系统不一样，这种技术采用的是世界上最小的有机太阳能电池，这种电池能够利用人工光源与自然光源发电，而且，它的光电转换率是今天商业性的薄膜太阳能电池的10多倍。

更鼓舞人心的是，所有上面这些技术都可能很快就会因为更具革命性的技术突破而黯然失色。密歇根大学的物理学家斯蒂芬·兰德（Stephen Rand）最近发现，在适当的条件下，光在通过像玻璃这样的绝缘材料时，它所产生的磁场要比我们以前所认为的强上1亿倍。“你为了证明这是不可能的，可能会盯着这些方程看上一整天，”兰德说，“因为所有人都是这样被教导的，说这样的事情是不可能会发生的。”然而，在他的实验中，磁场的强度确实高到了足以提取能量的程度。这个结果将使得以下的理想变成现实：制造出无需使用半导体的太阳能电池板，从而使得生产成本大幅下降。

然而，毕博却认为，从目前的情况来看，可能并不一定需要这类激进的技术突破。“我们现在正处在一个价格不断下降的轨道上，对此，我很满意，”他说，“意大利和美国将分别在两年与5年内实现市电平价（grid parity，市电平价是指可再生能源的价格与传统能源的价格一样）。今天在加利福尼亚州，信用良好的业主无需支付订金就能安装太阳能电池板，而且在使用太阳能系统后的第一个月，他所需支付的安装太阳能系统的费用，就会比上个月从电网购买传统能源的费用更低。当然，加利福尼亚州之所以会出现这种情况，是因为它有30%的免税额。然而，一旦太阳能发电的成本再降低30%（预计再过4年就能实现这一点），我们就不会再需要这种税收优惠了。当然，如果太阳能一旦无需资助就能达到市电平价，那么，它的发展将会一飞冲天。当你飞到洛杉矶国际机场，低头往下看的时候，你看到的是绵延数英里的平坦的大楼屋顶。这些大楼为什么不都用上太阳能呢？只要能够实现市电平价，太阳能电池板很快就会覆盖这些建筑物的屋顶。”

把太阳能变得更便宜，便宜到足以覆盖所有屋顶，而且足以与煤炭竞争，是美国前能源部部长朱棣文公布的“太阳计划” （SunShot Initiative）的目标。他在公布这个雄心勃勃的计划时所作的演说，是以美国前总统约翰·肯尼迪于1961年发表的“登月计划”的演说为蓝本的。在当年，肯尼迪向全体美国人宣布，美国将在1970年前让人类登上月球。太阳计划的目的是为了促进美国的创新，并且在2020年前让太阳能系统的成本降低75%。这个目标实现后，太阳能发电系统的成本将下降到每瓦特1美元，或每千瓦时6美分——这个价格甚至足以与燃煤发电抗衡。

或许有人会有疑问，是不是过于关注太阳能了？那么，现在就让我们来说说风力发电吧。其实风力发电也已经快达到市电平价的水平了。根据《彭博新能源财经》（Bloomberg New Energy Finance）2011年的报告，在巴西、墨西哥、瑞典、美国的部分地区，陆上风力发电的成本已经下降到了每兆瓦68美元，而同一地区的煤炭发电的成本为每兆瓦67美元。同样地，人们对电力的需要也在不断地增加。据世界上最大的风力发电公司之一维斯塔斯风力系统公司（Vestas）的报告，它在2009—2010年间的订单增加了182%。而在2011年，全世界的涡轮机风力发电设备的装机量也增长了20%，预计到2015年将会增加一倍。

然而，尽管风能、太阳能这些能源会给人类带来巨大的收益，不过，其他形式的能源创新也是必不可少的。以美国为例，太阳能和风能都是现在美国重要的电力来源，不过，它们只能支撑全美40%的能源需求，还无法提供运输系统与家庭和办公室的供暖/制冷系统所需要的能源。在剩余的60%中，运输系统占29%，家庭和办公室的供暖/制冷系统占31%。运输系统所用的燃料，95%都是以石油为基础的；同时，建筑物的供暖/制冷设备所需要的能源依靠的也是石油和天然气。为了终结人类对石油能源的依赖，我们必须找到新能源来满足余下的60%的能源需求。许多人认为这并不是一件容易做到的事情。“石油产业和天然气产业不仅拥有雄厚的资金，而且这两大产业势力强大，根基很深，”毕博说，“现在的问题在于，如何去改变这种状态？这些产业并不想就此退出历史舞台，它们拥有足够的资金，仍然可以与其他替代能源抗衡很长一段时间。”

生物燃料

但是，如果这种改变恰恰来自这两个势力强大、根深蒂固的产业的巨头们本身，那么情况又将会变得怎么样呢？2010年，埃克森美孚国际公司研究与发展部的副总裁埃米尔·雅各布斯（Emil Jacobs）宣布了该公司的一项史无前例的计划：埃克森美孚国际公司承诺将投入6亿美元，花费6年的时间开发出新一代的生物燃料。当然，老一代的生物燃料主要是玉米制成的酒精，那对人类来说简直就是一场灾难。因为这些燃料会引发很多环境问题，并且需要耗费掉数以百万英亩^[1]计的良田生产的玉米，从而不可避免地推动粮食价格的上涨。但是，埃克森美孚国际公司所研发的新一代生物燃料既不依赖于粮食作物，也不像第一代生物技术那样需要耗用大量的土地。埃克森美孚国际公司打算让藻类生物生成生物燃料。

根据美国能源部的资料，在每英亩土地上，藻类所能生产出来的能源比传统的生物燃料要多出30倍。此外，由于藻类几乎可以在任何一个封闭的空间内生长，所以目前有关方面正在几个大型发电厂对藻类进行一项测试——让它作为二氧化碳的吸收器。把从烟囱里排放出来的废气注入池塘，然后利用藻类去“吃掉” 二氧化碳。这真是一件美妙的事情。为了使这件事情变得更加切实可行，埃克森美孚国际公司与生物界的“坏小子”克雷格·文特尔，以及文特尔最近成立的公司合成基因组公司（Synthetic Genomics Inc，简称SGI）组成了一个团队，共同投入了研究。

为了研究藻类生长的方式以及利用藻类提取“石油”的技术，埃克森美孚国际公司和合成基因组公司在圣地亚哥建造了一个新的测试基地。文特尔把这个新的测试基地称为“藻类中转站”。在2011年2月一个阳光明媚的下午，我参观了这个新测试基地。从外观上看，整个测试基地看上去像是一个高科技温室，它拥有透明的塑料窗格，白色支柱，还有一道道气闸门。当我们迈步通过这些气闸门时，项目主管保罗·罗斯勒（Paul Roessler）向我们解释了这个测试基地的基本运作原理：“生物燃料需要3种东西：阳光、二氧化碳和海水，我们之所以要利用海水，是因为不想与农业生产者争夺土地或淡水资源。二氧化碳则是一个更重大的议题。这正是为什么隔离与封存二氧化碳会如此重要的原因，因为这样做不但能减缓全球变暖，而且也提供了一个集中的能源来源。”

我们步行穿过了另一头的门，进入了主测试室。主测试室是一个巨大的房间，面积足足有一个足球场那么大。它没有太多的装饰，只放着6大桶的绿藻类植物，墙上贴着一张名为“细胞内的生命”的巨幅海报。罗斯勒指着海报说：“我不知道你还记得多少从中小学课堂上学到的知识，但是你肯定还有印象，光合作用就是指植物如何把光能转化为化学能的过程。白天，植物利用阳光将水分解为氢和氧，然后把它与二氧化碳结合起来，最后生成一种名叫‘生物石油’的碳氢燃料，这个过程通常在晚上完成。我们的目标是可靠地大量生产这种生物石油。”

文特尔也在这次参观者的行列中，他也加入了这个话题的讨论：“保罗说得太谦虚了，他实际上已经找到了方法，可以让藻类细胞‘自愿’地分泌出它们所收集到的脂类物质，这就是说，他使藻类变成了一种类似于微型工厂的植物。”罗斯勒则进一步解释道：“从理论上来说，等技术完善后，我们就可以不断地重复进行这个程序，不断地收获生物石油。这些细胞只会做一件事，那就是不断地生产出石油，你不需要收割所有的细胞，你只需要收集细胞排出的油就可以了。”

而且藻类的效率非常之高。“与传统的生物燃料相比，它的优势太明显了，”文特尔说，“每年每英亩玉米能够生产出68升（的生物燃料）。每年每英亩棕榈树能够生产出大约2 366升（的生物燃料）。而我们的目标是利用这些经过改良的藻类，每年每英亩都能稳定地生产出37 000升的生物燃料，而且在每个与这个测试基地类似的面积的约5平方千米的生产基地都能实现稳产。”

文特尔提出的是一个雄心勃勃的目标。他的雄心到底有多大？不妨先让我们来做一做如下这个计算：5平方千米相当于1 236英亩，而在每英亩生产37 000升燃料的情况下，5平方千米每年能生产出4 573万升的燃料。今天一辆车用1升燃料平均能跑10千米，而一辆车平均每年要跑19 000千米。因此一个5平方千米的藻类农场所生产的燃料就足够大约24 000辆汽车跑上整整一年了！那么要多少英亩藻类农场才能让美国所有的汽车跑起来呢？今天，全美国大约有2.5亿辆汽车，如果把所有的汽车摆放在一起，那么它们所占的面积大约为18 750平方千米，相当于美国国土面积的0.49%（或者，大约占内华达州面积的17%）。确实，还真不少呢！不妨想想看，如果汽车用每升燃料就可以跑40千米，或我们当中开始有越来越多人转而使用电动汽车时，会发生什么事！

就算合成基因组公司无法实现这个目标，埃克森美孚国际公司也并非是这场比赛中的唯一一名“运动员”。位于旧金山湾区的LS9能源公司也已经在和雪佛龙能源公司（Chevron）以及宝洁公司共同研发生物燃料了。而在离这家公司不远的加利福尼亚州的埃默里维尔市（Emeryville），阿米瑞斯生物技术公司（Amyris Biotechnologies）也在与壳牌石油公司进行同样的合作研究。波音公司和新西兰航空公司也已经开始开发以藻类为基础的飞机燃料。然而其他公司甚至已经走得更远了。维珍航空公司（Virgin Airlines）已经开始部分使用生物燃料（椰子油和棕榈树油）让747飞机航行于天际。2010年7月，总部位于旧金山的太阳酵素公司（Solazyme）更是已经为美国海军供应了35 700升以藻类为基础的生物燃料了，并且还赢得了美国海军的57万升生物燃料的订单。与此同时，美国能源部也正在资助三所不同的生物燃料研究机构研发新一代生物燃料，追踪可再生能源市场成长情况的清洁能源市场研究公司（Clean Edge）在它的第十届年度产业报告中概述，全球生物燃料的生产和批发价格总值在2010年时已达到了564亿美元，预计到2020年将增加至1 128亿美元。

由此可见，市场对碳中和技术以及低成本燃料的兴趣空前高涨。不过，问题依然存在。上述提及的每一家公司（或未提及的竞争者）都没能找到将这种技术应用于大规模生产的方法。美国前能源部部长朱棣文也说，要真正满足我们的要求，生物燃料的生产规模必须扩大百万倍，甚至千万倍。但是，他同时也指出，现在正在研究生物燃料的同一批科学家过去也曾经成功地大幅提高了诸如抗疟疾药物等产品的产量。“所以，这个目标是完全有可能实现的，”他说，“考虑到参与计划的科学家们的高素质，我很乐于相信这个目标是有可能实现的。”

但是为了满足能源需求，美国能源部并没有把所有的赌注都押在生物燃料上。美国能源部对“破解光合作用”的技术也非常有兴趣。朱棣文提倡的“太阳计划”，也正在为美国人工光合作用联合研究中心（Joint Center for Artificial Photosynthesis）提供资助。这是一个由加州理工学院、加州大学伯克利分校和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室共同领导的，经费高达1.22亿美元的多机构合作研究中心。这个中心的目标是开发出人造光合作用所需要的所有组件：光吸收剂、催化剂、分子连接器，以及分离膜。对此，该研究计划的首席科学家之一、加州理工学院可持续能源技术研究院（Caltech Center for Sustainable Energy Research）主任哈利·阿特沃特博士（Dr. Harry Atwater）是这样说的：“我们正在设计一个人工光合作用过程。但是，我在这里所说的‘人工’有特殊的含义，它是指整个系统中都不包含任何有生命的或有机的组成部分。我们基本上是直接把阳光、水和二氧化碳转化成可存储的、可转运的燃料——我们称之为‘太阳能燃料’，以此来满足通常的太阳能发电系统无法满足的另外2/3的能源需求。”

这些“太阳能燃料”能为汽车提供动力、为房屋提供热量，阿特沃特认为，更重要的是，这种方法的效率比传统的光合作用高10倍以上，这也就意味着，“太阳能燃料”可以完全取代化石燃料。“我们正在接近一个至关重要的转折点，”阿特沃特博士说，“很可能，在未来30年里的某一天，我们就会说：‘天啊！以前怎么会用燃烧碳氢化合物的方法来产生热量和能量呢？！’”

能源存储的圣杯

我们之所以会如此依赖碳氢化合物，是因为它们具有能量密度高、便于利用的特点，不过，另一个原因也很重要，那就是，它们都易于储存。煤炭可以成堆储存，石油则可以贮存在油桶里。相比之下，太阳能只在阳光照射时存在、风能则只在风吹过时存在。这些因素仍然是制约可再生能源广泛应用的最大障碍。在太阳能和风能能够每周7天、每天24小时提供可靠的电力之前，它们是不可能在能源供应中占据太大份额的。早在几十年前，巴克敏斯特·富勒就曾经提出过一个建议：建设一个全球性的能源网络，把在地球上处于白天的这一面收集起来的能源输送到地球上处于黑夜的另一面去。但是，大多数人依然把希望寄托在了立足于当地的、电网级的大量蓄能设施上，这些设施能够实现能源的“紧致化”或“时间转移”——将白天收集起来的能源在晚上释放出来使用。事实上，这种能源储存已经成了绿色能源运动的圣杯。

说到底，除非能够储存能源，而且是以过去从来没有实现过的巨大规模储存能源，否则太阳能再廉价也没有任何意义。电网级的储存需要容量极大的电池。今天的锂离子电池的容量显然是严重不足的。如果我们真的想用某种电池来储存能源，那么这种电池的存储容量至少还要比现在存储容量最高的电池再高10~20倍，而且它们必须用地球上储量非常丰富的元素来制造。如若不然，就只是用一个建立在大量进口锂的基础上的经济，去替代原来建立在大量进口石油的基础上的经济而已。

幸运的是，现在已经取得了相当巨大的进展。最近一段时间以来，电网级的能源储存技术已经得到了长足的进步，并且逐渐吸引了风险投资家们的注意。在这个领域处于领先地位的是KPCB风险投资公司（Kleiner Perkins Caufield & Byers，简称KPCB）。成立迄今，KPCB公司成功地投资了超过425个项目，其中包括美国在线、亚马逊、太阳微系统公司、美国艺电（Electronic Arts）、基因泰克和谷歌等。挑选最终的胜利者是KPCB公司一贯的传统，而且它的主要合伙人之一约翰·杜尔（John Doerr）又是一个热心于环境事业、致力于遏制全球变暖趋势的人，因此，KPCB公司投资的许多项目都属于新能源领域。

2011年冬季的一天，我联络上了比尔·乔伊，向他索取了一份关于能源储存技术进展的报告。乔伊曾经任职于太阳微系统公司，后来加盟KPCB公司，现在是该公司负责绿色能源领域投资的主要合伙人。乔伊告诉我，他们最近进行了两项投资，意在改变整个市场。第一项投资的对象是博智电力（Primus Power），该公司致力于制造“流式”可充电电池——电解质流过一个电化学装置，直接将化学能转换为电能。内置了这种“流式”电池的一套设备已经安装在了一个位于加利福尼亚州莫德斯托的新建的风电场，它的造价高达4 700万美元，装机容量为25兆瓦，整个电能存储系统的容量则为75兆瓦时。

KPCB公司的第二个投资项目是阿奎昂能源（Aquion Energy）。这家公司制造的电池与今天我们常见的锂离子电池类似，不过也有重要的改进。阿奎昂能源生产的电池不依赖于锂这种非常稀缺且有毒的元素。恰恰相反，它的电池直接利用钠和水，这两种物质不仅廉价、无处不在，而且还有一个锂所不具备的额外优势：它们不会致命，也不易燃烧。这种电池放电均匀，也不具有腐蚀性，而且是用地球上储量非常丰富的元素制造而成，同时又足够安全——事实上，吃进肚子里都没有大碍。

“我估计，使用了这些技术之后，”乔伊说，“我们将来存取每千瓦时电力所需要的总成本只要1美分。因此，我可以把间歇性的风能连接到阿奎昂系统，这样每千瓦时风电的成本只会增加1美分。这1美分已经包含了将风电存储起来并释放出来的所有成本。几年后，你就会在市场上看到这些产品。当那一天真的到来之后，就再没有理由认为我们无法拥有可靠的、稳定性完全不亚于现在电网的可再生能源了。”

麻省理工学院教授唐纳德·萨多伟（Donald Sadoway）是全世界最权威的固态化学学者之一，他也非常看好未来的电网级能源储存技术。萨多伟在美国先进能源研究计划署和比尔和梅琳达·盖茨基金会的资助下，开发出了一种液态金属电池（Liquid Metal Battery，简称LMB）。触发他最初灵感的是炼铝厂所用的高压电流，以及炼铝厂本身的超大规模。液态金属电池内部的温度非常高，足以令两种不同的金属处于液体状态。其中一种是密度较高的金属，如锑，这种金属会沉到底部；另一种是密度较低的金属，如镁，这种金属会浮在上层。在它们之间是有助于交换电荷的熔盐电解质。根据这种原理，萨多伟开发出了一种电流比现在最高端的电池还要高出10倍的电池，而且它所采取的简洁、廉价的设计使得存入1千瓦时的电力只需250美元——这一价格不到现在的锂电池价格的1/10。除此之外，萨多伟的设计也考虑了规模因素。

“现在，我们已经制造出了液态金属电池的原型，它的大小与一个曲棍球差不多，只能储存20瓦特小时的电力，”萨多伟说，“但是，我们还在研发容量更大的电池。试想象一下，如果一个冰箱大小的电池就能够储存足以供应你全家一天所需的30千瓦时电力，那该多好啊。我们的设计理念是：‘装上后你就忘了它吧。’这就是说，这种电池能够在不需要任何人工维护的情况下自动运行15~20年。它不仅便宜、安静、无需维修、不产生任何温室气体，而且是用地球上最丰富的那些元素制成的。”以每千瓦时250美元计算，一个家用液态金属电池的价格大概为7 500美元。如果分期付款的期限为15年，并且把资金成本和安装费用都考虑进去，那么一个家用液态金属电池每个月只需花费户主不到75美元的支出。

然而，这种系统真正的过人之处在于，它几乎拥有无限的可扩展性。一个集装箱大小的液态金属电池，足以供应整个街区所需的全部电力。一个沃尔玛大卖场大小的电池，足以供应一个小城市所需的全部电力。“我们计划在未来的10年内，推出集装箱大小的液态金属电池，再紧接着推出家用液态金属电池，”萨多伟说，“要实现这个目标，需要走哪几步，我们现在已经看得很清楚了，而且也根本不需要奇迹般的技术突破。”

当然，只要解决了能源储存问题，就能为太阳能和风能发展带来重大突破。但是，那些肮脏的燃煤发电厂应该怎样处理呢？这将是下一步要解决的一个重要问题。对此，比尔·乔伊也已经有了想法：“很难相信电力公司会关闭一个固定费用已经摊销完毕而且每天仍能赚钱的电厂。我们应该做的是，把现在这种模式翻转过来，即应该把燃煤发电厂当成紧急备用发电装置。我们可以百分之百地依赖可再生能源来满足基本能源需求，但是，当天气预报说我们即将面对真正的灾害性天气（以及由此而导致的问题）时，就可以启动燃煤发电厂。因此，只需向电力公司支付维修和偶尔运行这些燃煤发电厂的费用，就像你也必须偶尔使用紧急发电机一样。”

梅尔沃德与第四代核能技术

内森·梅尔沃德（Nathan Myhrvold）最喜欢接受强大的挑战——也许超过了所有其他事物。他14岁就上了大学，到23岁毕业时，他已经拿到了普林斯顿大学3个硕士学位和1个博士学位。然后，他又花了一年的时间跟随物理学家史蒂芬·霍金钻研宇宙学。再后来，他又成了举世闻名的古生物学家、屡获殊荣的著名摄影师，以及美食大师——所有这一切成就，都是他利用业余时间完成的。梅尔沃德的正式工作是担任微软公司的首席技术官。从微软公司退休时，梅尔沃德拿到了高额退休金——《财富》杂志对此的形容是“达到了9位数字”。然后，他又与别人共同创立了以促进创新为宗旨的高智风险投资公司（Intellectual Ventures）。不过，上面这些对于梅尔沃德来说，其实都不过是“热身运动”而已。“对我来说，本世纪最需要解决的问题是，我们该如何向全世界所有人提供与美国人现在所用的一样多的、完全没有碳排放的能源？”他说，“这是一个巨大的能源挑战。”

梅尔沃德没有说错。现代文明社会是建立在16太瓦（16亿千瓦时）的能源消耗基础上的，而且绝大部分能源都来自各种会产生二氧化碳的资源。如果人类真想解决能源短缺问题、真想提高全球民众的生活水平，那么就必须在未来的25年内把能源供应能力扩大3倍，甚至4倍。然而与此同时，如果想把大气中的二氧化碳的含量稳定在0.045%或以下（这是人们公认的能够避免灾难性的剧烈气候变化的二氧化碳含量标准），那么就必须把上述16太瓦能源中的13太瓦更换为清洁能源。我们也可以换一种说法来阐明这个问题：每一年，人类都要向大气排放260亿吨二氧化碳，或者按人头平均，每个人每年平均要排放5吨二氧化碳。必须在约20年的时间内将上述排放数字减少为零，而同时，为了满足崛起中的10亿人的需求，还必须扩大能源供应。

当然，很多人都相信，太阳能技术和能源存储技术必定会取得重大突破，因此完全可以利用可再生能源来满足上述需求。但是，也有许多人认为（梅尔沃德也包括在内），唯一的选择就是发展核能。事实上，相信这一点的人非常多，而且他们的信念也比以往任何时候都更加坚定。

无论是乔治·布什政府，还是目前的奥巴马政府，都支持这种看法。而且，甚至连一些重要的绿党人士，例如斯图尔特·布兰德、詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock）和比尔·麦克基本（Bill Mckibben），也是如此。核能这种曾经被忽视的技术，现在却得到了如此广泛的支持。这在普通民众看来或许有些令人费解，但是，仔细分析后就会发现，人们之所以会觉得不可理解，主要是因为他们还在根据40多年前的陈年旧事来看待这种技术。《拯救这个星球》（Prescription for the Planet）一书的作者汤姆·布利斯（Tom Blees）说：“大多数人在谈到核能时，他们所谈论的其实都是三里岛事件和20世纪70年代所用的技术，而那正是美国的核工业陷于停顿的时期。但是，关于核能的研究却从来没有停顿过，而是一直在向前推进。我们现在掌握的技术已经比那时整整先进了两代。变化是非常巨大的。”

在一代又一代科学家的推动下，核能技术已经更新换代了很多次。第一代核反应堆是在20世纪50年代和60年代建立起来的；第二代核反应堆则涵盖了美国本土现在仍然在服役的所有核电站。第三代核反应堆又比第二代核反应堆安全得多、便宜得多；不过，说到今天有这么多人支持核能的原因，则是更先进的第四代核反应堆。说到底，其实原因很简单。因为设计第四代核电站的出发点就是，既能解决长期以来一直困扰着核能的各种问题，包括安全、成本、效率、核废物、铀原料的稀缺性，甚至恐怖袭击的威胁，又不至于带来其他新的问题。

第四代核能技术大体上可以分为以下两类。第一类是快速反应堆。这种反应堆燃烧的温度更高，因为反应堆内部的中子的反弹速度要比传统的轻水反应堆快得多。由于温度更高，所以这种反应堆能够利用以前的核废料和剩余的武器级的铀和钚来发电。第二类是液体氟钍反应堆。这种反应堆燃烧的元素是钍，而地球上钍元素的储量比铀多4倍，而且在发电过程中不会产生任何可能长期残留的核废料。

而且，所有第四代核反应堆都要保证“被动安全”，这是一个一般规则。“被动安全”的意思是，万一出了问题，核反应堆必须能够自行关闭，无需任何人工干预。例如，绝大多数快速反应堆都是燃烧液态金属燃料的，如果液态金属燃料过热，它就会膨胀，因此它的密度就会下降，从而速度也会随之变慢。根据现已退休的阿贡国家实验室核物理学家乔治·斯坦福（George Stanford）的说法，这种反应堆是不可能融化的。“我们非常确信这一点，”他说，“因为阿贡国家实验室举办了好几次公开示范活动，我们复制了导致三里岛核电站事故和切尔诺贝利核电站灾难的所有具体条件，结果什么都没有发生。”

不过，最令支持者兴奋的是所谓的“后院核电站”。这是一种独立的、小规模的、模块化的第四代核反应堆，即中小型反应堆（简称SMRS）。它们是在特定的工厂中建造出来的（因而也是更便宜的），完全密封好后销售给用户，能够在无需任何维护的情况下运行数十年。进入这个领域的，既有许多熟悉的面孔，例如东芝和西屋公司，也有一大批新进入者，例如内森·梅尔沃德创办的泰拉能源公司（Terra Power），因为中小型反应堆确实拥有能为全世界提供无碳能源的巨大潜力。

利用来自比尔和梅琳达·盖茨基金会和风险投资家维诺德·科斯拉（Vinod Khosla）联合投入的资金，梅尔沃德创办了泰拉能源公司，致力于开发行波反应堆（简称TWR）。行波反应堆是第四代核反应堆的一种，梅尔沃德本人把它称为“全世界最简单的被动式快中子增殖反应堆”。行波反应堆没有任何可拆卸部件，也不会熔化，能够安全运行50多年，而且确实无需任何人工干预。难能可贵的是，它在做到上面这一切的同时，却无需更多的浓缩作业，而且用过的燃料也无需任何处理，也不需要对废物进行再加工或配备专门的废物贮存设施。更重要的是，反应堆容器本身就是非常可靠的埋葬用具。因此，从根本上说，行波反应堆确实是全世界第一个达到了“建造、埋葬、忘记”标准的核电电源，它发的电力足以保证一个城市或一个地区的需求，从而能够为发展中国家提供非常理想的能源解决方案。

当然，要为所有发展中国家提供电力，肯定需要好几万个这样的核电站。梅尔沃德已经清醒地认识到了这个挑战的艰巨性。他正确地指出：“如果我们要想实现预定的能源富足的目标，那么，像非洲和印度这样的地方将是最需要增加能源供应的地方。这也正是为什么我们致力于设计非常安全、易于维护保养、不会导致核扩散的核反应堆的原因。我们必须制造适合在发展中国家使用的核反应堆。”梅尔沃德还指出了他开发的这种系统对环境的巨大好处：“只需燃烧和适当处置以前积累下来的贫化铀和废燃料棒，就可以为全世界接下来的1 000年提供充足的能源。”

那么，究竟什么时候可以亲眼目睹这种核反应堆呢？梅尔沃德相信，在2020年以前，一个示范性的行波反应堆就可以建成并投入运行了。如果这个时间表是准确的，那么泰拉能源公司将在这个领域占据非常大的竞争优势。除了极少数项目之外，绝大部分第四代核反应堆都不会在2030年以前进入市场。而且，更重要的是，梅尔沃德认为，行波反应堆提供的电力的价格甚至会比燃煤发电厂更低。倘若真的如此，那么它必定很快就可以推广到全球各地。

完美能源

人类所需的电力（能源）从何而来？这只是我们要解决的部分问题。如何传送电力也同样重要。读者不妨先想象一下，如果有一个由电源线、开关器和无数传感器（传感器能够监控所有电器的用电，甚至一只小小的灯泡也不例外）构成的智能型网络，那该多好啊。这正是今天所有智能电网工程师的梦想。目前只有互联网在一定程度上可以称之为智能网络。事实上，鲍勃·梅特卡夫（Bob Metcalfe）之所以一再将今天的“笨蛋电网”比喻成早期的电话通信网络，原因也就在这里。梅特卡夫是3Com公司的创办人，现在是北极星创投伙伴公司（Polaris Venture Partners）的合伙人，也是能源领域大名鼎鼎的投资专家。在其职业生涯的早期，梅特卡夫还是阿帕网和以太网的创建人之一，因此他深知，要建立像全球互联网那样的巨大的网络需要耗费多少心血和精力。“在互联网刚刚诞生的那段日子里，每个环节都是由某个特定的单位负责的，”他说，“负责电脑的是IBM，负责通信的是AT&T。语音、视频和数据是相互独立的服务。语音大体上对应于电话，视频大体上对应于电视，数据则是嵌入在一个分时电脑系统内的电传打字机。这是3个不同的世界，各自拥有不同的网络和监管机构。现在的互联网早就把这些区别和界限溶解了。”

今天，我们在能源的世界也看到了类似的分裂状态。但是梅特卡夫却坚信，能源的生产、输送、传感、控制、储存、消费之间的界限，最终将会消失。他继续拿互联网的发展历程与能源网络做类比：“当阿帕网的流量开始爆炸时，我们的第一个反应是试图专注于压缩率，即把流量压缩得尽可能小，以便通过AT&T古老的基础通信设备来传输。我们曾经非常注重节约数据，今天也正在以同样的方式努力节约能源。在互联网发展的那个阶段，面临的问题与现在电网面临的问题一样，都在于中央化的网络不够强大，无法满足人类的需求。但是，在阿帕网问世40年之后，数据的节约已经根本无关宏旨了；事实上，恰恰相反，数据的丰富性才是互联网所追求的东西。而互联网的基础结构最终也足以胜任比原先大几百万倍的数据传输要求。因此，如果说互联网的发展历程能够指引方向的话，那么就必然是：只要成功地建成了下一代能源网络（我称之为‘能源网’），人类就肯定能拥有丰富的能源。事实上，我相信，一旦拥有了能源网，人类就将拥有几乎可供人们任意挥霍的充足能源。”

那么，这样一个智能电网将会拥有什么特点呢？根据梅特卡夫的设想，它将是一个网状分布式的网络，就像现在的互联网一样，这样一个智能电网将允许众多的生产者和消费者通过本地或广阔区域的网络进行能源交易。“这个网络必定也是不同步的，”梅特卡夫还补充道，“所以，任何人都可以轻而易举地输入能源或取走能源，就像今天的电脑、电话、调制解调器可以随时接入网络或从网络中断开一样。”

根据梅特卡夫的预测，电网最大的改变也许会体现在存储能力的急剧提升上面。“古老的电信网络根本没有任何存储空间，因此看上去与今天的电网非常相似。”他说，“你的模拟语音在一端进入网络，马上就会在另一端飞出网络。但是，现在这种情况已经出现了翻天覆地的变化。今天的互联网在每个可能的地点都充满了各种各样的存储空间——在交换机上、在服务器上、在你的大楼里，以及在你的手机里。明日的智能电网也将变得到处都有存储空间：在你的各种电器上、在你的家里、在你的汽车上、在你的大楼里、在你的社区里，以及在能源生产流程的每一个点上。”

作为全世界最大的网络科技公司之一，思科公司已经在建设智能电网方面投入了大量的资源。思科公司负责能源业务的资深副总裁劳拉·易普森（Laura Ipsen）是这样解释智能电网的巨大潜力的：“今天，互联网有超过15亿个接入点，但是与电网的接入点相比，这根本就是小巫见大巫。电网的接入点至少要比互联网多10倍。只要想一想你家里所有插电的电器，再想一想你家里所有被分配了IP地址的设备，把两者的数量比较一下，你就明白电网的潜力有多大了。”

易普森认为，我们正在迅速走向这样一个世界：在那里，每个要使用能源的设备都被分配了一个IP地址，同时也都是分布式人工智能系统的一个组成部分。“这些连接到了智能网络的设备，”她说，“无论怎么小，都会自动报告自己的能源使用状况，而且在不需要使用时，就会自动关闭电源。因此到最后，我们应该可以把一幢建筑物、一个社区的用电效率提高一倍甚至两倍。”

为了实现这个目标，思科公司制订了一个雄心勃勃的计划。易普森说：“在短期内，即在接下来的7年内，主导智能电网的将是‘传感和响应’。分配了IP地址、接入网络的大量传感器将会实现监测能源使用状况、管理能源需求的功能，例如，通过应用程序控制非关键用途的错峰用电——将你的洗碗机的开动时间推迟到后半夜（即能源比较便宜的时段）。

我们预计，从2012年开始的未来十几年内，太阳能发电技术和风能发电技术将迅速完成整合，从而使商业建筑和住宅物业的业主能够利用自己发的电来满足自己的大部分用电需求，而以电网供应的电力作为补充。”最终的目标是一个智能电网，它由大量彼此联网的分布式发电系统、无数分配了IP地址的智能家电，再加上无处不在的分布式能源存储系统组成，从而使易普森所称的“完美能源”成为现实。

能源富足到底意味着什么

在本章中，我们着重讨论了太阳能、生物燃料和核能。当然，除了这些之外，值得认真考虑的新能源技术还有很多。我还没有谈到天然气，由于美国的天然气非常丰富，所以天然气的使用在美国曾风靡一时。我也没有讨论地热能源，它也是一种相当可靠、相当清洁的能源，不过它的地理分布并不均匀，利用起来也不怎么方便。

本章之所以对太阳能着墨最多，是有充分的理由的。太阳能不仅是一种无污染、零碳排放的能源，而且是一种有利于促进自由的能源。如果能够提前解决在能源储存的基础设施方面所面临的挑战，那么太阳光就将成为一种无处不在的、民主的能源。一个小时照射在地球表面的太阳光蕴含的能量，就远远超过了全世界全年燃烧掉的所有化石能源，而且更重要的是，如果我们真的希望实现能源富足，那么就必须选择那些能够以指数形式增长的能源技术。太阳能技术就是如此。

根据碳作战工作室（Carbon War Room）首席运营官、普罗米修斯可持续发展研究所（Prometheus Institute for Sustainable Development）主任特拉维斯·布拉德福德（Travis Bradford）的报告，太阳能组件的价格每年都在以5%～6%的速度下降，同时容量却在以每年30%的速度增长。所以，当批评者们强调，太阳能目前只占美国能源消费的1%时，他们就已经犯了在一个指数型世界里采取线性思维方式的错误。如果保持30%的年增长率不变，那么虽然今天太阳能在全部能源需求当中所占的比例只有区区1%，但是18年之后就会达到100%。

而且，即使到了那一天，增长也不会嘎然而止；恰恰相反，它只会变得更有意思。再过10年（即从现在开始28年后），如果继续保持这个速度，我们将会利用太阳能电池生产出相当于今天的全球能源需求总量的1 550%的能源。而且，更令人向往的是，随着生产规模的不断扩大，技术的进步也将会提高每一个电荷的利用效率。例如，智能电网将使能源使用效率提高两三倍或更高倍，一只5瓦的LED灯就能像现在的100瓦灯泡那样使整个房间都亮堂起来。诸如此类的戏剧性的变化将数不胜数。一方面，能源利用效率的提高大大降低了能耗；另一方面，技术创新使得能源供应扩大了很多倍。这两方面结合起来，能源将会变得极端富足，完全可以供我们任意挥霍。

那么，当能源变得极端富足之后，我们又会做些什么呢？对于这个问题，梅特卡夫已经思考好长一段时间了。“首先，”他建议，“为什么不能把能源价格降低一个数量级呢？这样就能够保证这个星球的经济增长冲破天花板。其次，人类将可以在真正意义上展开太空探索，例如，利用几乎无限的能量把数以百万计的人运送到月球或火星上去。再次，在能源变得非常丰富之后，就可以为地球上的每个人按美国标准提供每天所需的清洁、卫生的水。最后，还可以利用能源来把地球大气层中的多余的二氧化碳‘移到’别的地方去。据我所知，加拿大卡尔加里大学的一位教授，大卫·凯斯（David Keith）博士，已经开发出了这样的装置。有了充足的廉价的能源，我们甚至可以解决全球变暖问题。我确信，这样的例子还有很多，完全可以列出一个非常长的单子。”

我想看一看这个单子到底有多长，因此在Twitter上发布了梅特卡夫的问题。推友巴克罗杰斯（BckRogers）给出的答案是我最喜欢的，他写道：“所有的争端实际上都是围绕着潜在的能源而展开的。因此，能源富足将彻底终结一切战争。”我不认为战争问题真的如此简单，但是，从本章中已经讨论过的这些东西来看，至少有一件事情是很确定的：我们将会找到能源富足之路。

^[1] 1英亩为4 047平方米。——译者注