2012年8月中旬，美国能源部长朱棣文博士和先进能源研究项目署署长阿伦·马宗达博士在《自然》杂志上，联名发表了题为《可持续性能源未来所面临的挑战和机遇》一文，提出为保障未来全球的持续繁荣、可持续性和安全的能源供应，目前需要一场新的工业革命。文章以交通运输和电力生产两大领域为重点，分析了人类在提高化石能源利用效率、开发利用新型电池，以及开发天然气燃料、生物燃料、风能、太阳能、核能等诸多清洁能源和可再生能源方面，所面临的各种机会和挑战，为读者详尽地了解该问题提供了全面而清晰的轮廓。
全球可持续性能源供应呼唤新的工业革命
自工业革命以来，能够利用稳定可靠、经济合算的清洁能源一直是保持全球经济增长和持续繁荣的重要基石，21世纪人类对能源的获取和利用也必须具备可持续性的特点。然而，未来全球能源供应将面临着双重巨大挑战：一方面，全球人口数量的增加和经济增长将产生巨大的能源需求，在能源供给压力陡增的同时，势必会增加二氧化碳排放量。工业革命初期全球总人口为7亿，目前为70亿，预计到2050年和2100年将分别增加到90亿和100亿;另一方面，为缓解全球气候变暖趋势的进一步恶化，各国必须在既定时间框架内实现二氧化碳减排目标。2009年全球能源需求总量为120亿吨油当量，二氧化碳排放量为290吨。据国际能源署预测，如果全球继续实施现行的能源政策，上述两项指标2035年将分别增加为180亿吨油当量和430亿吨;如果未来采取积极的应对方案，它们将分别降为170亿吨油当量和360亿吨。
为了应对上述挑战，全球需要一场新的工业革命，以保证未来能源供应的可靠性、经济性和可持续性。提高化石能源的利用效率、节约能源，以及实现能源的低碳化，大力开发利用新能源电池、天然气燃料、生物燃料、太阳能、风能及核能等清洁能源和可再生能源是这场革命的必然选择。
目前，化石能源占全球能源消费总量的86%。从1980至2008年，全球每年消费的石油总量增加了31%，随着近年来石油探测和采掘技术的进步，全球已探明石油储量也在增加。此外，近年来世界各地也相继发现了丰富的页岩气储量。相比之下，尽管全球零排放可再生能源的利用总量也在不断增加，但过去20年间其在全球能源供应总量中所占的比例基本没有变化，对此必须保持清醒的认识。
能源系统可以分为运输和固定两个分系统。每个系统内的供应、需求和分配设施都是高度相适配的，但相互之间却是独立的。我们需要对一些重要研究领域进行深入研究，如提高能源利用效率，将电力输送、分配和存储系统与各种可再生能源进行有机整合等，以改善未来的能源供应状况。生物燃料、太阳能等技术依然处于研发阶段，尚不能真正满足人类的能源需求，因而必须进行持续不断的创新，改进并完善现有技术或者开发全新的技术方案。
改善能源运输系统和提高燃料使用效率
在目前的能源运输基础设施中，运输由石油衍生的各种液态燃料占据主导地位。随着石油储藏量的新发现、勘探和采掘技术的进步，可资利用石油资源的地理分布也在发生变化。然而，通常情况下石油供应地和需求地在地理位置上相距甚远，一些国家严重依赖进口石油，甚至对其贸易平衡和国家安全带来了严峻挑战，这给全球石油运输带来了巨大压力。2011年，全球石油消费总量为26.9亿吨油，其中18.95吨原油和7.91吨油当量精炼油都需要跨国间运输，未来更多油田和天然气田的发现将有望改变这种状况。同时，运输技术的进步将会有助于缓解石油运输系统所面临的压力。例如未来很多拟建基础设施在选址时，将会统筹考虑如何最大限度地保证具有可持续性的石油输送潜力，理想的、经济合算的公共运输功能将会与都市建设规划更好地相融合，而在运输系统中合理地使用信息技术也可望大大减少燃料消耗。
美国能源部最新出版的四年一度技术评估报告，全面考察了可供未来研究的最新技术和机会。报告指出，采取措施提高交通运输工具的效率能够大幅降低人类对石油的依赖程度。其中增加轻型新材料的应用(如先进的超高抗拉强度钢、聚合物和碳纤维增强复合材料等)，尤其是在车辆中使用轻型材料更为重要，这将大大减轻运输车辆的自身重量。未来10到20年，在不降低安全性能的前提下交通运输车辆的自身重量将减轻20%到40%，而自身重量每减轻10%，就会节约燃料消耗量的6%到8%。
减少能量损失是节省燃料的一个途径。车辆在正常行驶过程中，废气排放热能损失、冷却损失占燃料燃烧所提供能量的60%以上，再加上克服空气阻力和轮胎的滚动摩擦阻力等所造成的损失等因素，用于驱动车辆正常运行的能量只占行车燃料所提供能量的21.5%。摩擦学、废热能量再利用和空气动力学等能够提高成本效益的技术进步，在短期内有望将效率提升20%，在未来15到25年最高可提升60%。
未来几十年，使用液态运输燃料的内燃机仍将居汽车动力的主导地位，进一步提升内燃机效率是降低化石燃料消耗量的最重要途径。目前大多数火花点火式发动机的效率为25%到35%，压燃式柴油发动机的效率大约是40%到50%。因此内燃机效率具备很大的提升空间。
美环保局的研究成果显示，从1987年到2006年，美国汽车发动机的效率每年约提升1.4%，这些提升主要是通过提高燃烧效率和热效率、降低机械摩擦损失和附件消耗等手段来实现。借助于缸内直喷技术、稀燃技术和涡轮增压技术，使用高标号辛烷值燃料，火花点火式发动机效率也可以达到柴油机器的水准。高性能计算机的模拟功能在内燃机研制过程中的作用也日益凸显，利用这种方式研究人员已在提高内燃机效率和减少废弃排放方面取得进展。低成本的余热回收也可以提高内燃机的效率，这对重型车辆来说效果更佳。其他技术途径包括采用朗肯循环回收并再利用内燃机废气能量、开发低成本高效率的固态热电系统等。
蓄电池混合动力燃料
插电式混合动力车和全电动轻型、中型及重型汽车将有潜力取代相当数量的液体燃料汽车。该技术所面临的主要挑战是电池系统的性能和成本。电池系统的性能是由能量密度、功率密度、循环寿命和耐用性等因素决定。在过去5到6年内，研究人员在电池阴极、阳极和电解质等方面的研发已经取得了一系列重要进展，有助于设计出具有微米和纳米级内部结构的柔性导电膜。最先进的石墨阳极电池和锂电池正步入商业化阶段。在未来几年内，能量储存密度为每公斤200瓦时(是现有电池能量密度的2倍)、3个小时内可以完成充电的电池有望得以应用。目前汽车用电池系统的成本为每公斤千瓦时650美元，2030年将降为150美元。
2012年3月美国公布了“EV-Everywhere”计划，将于2022年前建立世界通用的5人乘坐型普通价格电动汽车的量产体系。该计划要求将电池系统的成本降为每公斤千瓦时190到300美元。采用阳极保护材料和非可燃电解质的第三代锂电池，将具有在高压和高温(摄氏55℃)条件下保持稳定性的优势。锂硫电池和金属空气电池，则有望破解锂电池的成本和容量难题，其能量密度是现有锂电池的10倍，但这需要开发出理想的阴极和阳极保护材料、非可燃电解质，以确保电池的电化学稳定性。
通常情况下，电池组自耗电量为蓄电池容量的50%，为保证电池寿命必须限制其充电速度。如能成功开发出可持续监测单个蓄电池的某些特性(如温度、充电状态等)的声纳技术，就可以延长电池的使用寿命并增加其容量。利用能够与由原始设备制造商提供的电池组热管理系统相配套的标准化蓄电池，同样可以降低电池的成本。
燃料电池
相对低价位的燃料电池电动车汽车，具有续航能力远和充电速度较快的优势。近年来燃料电池的成本已经降低，其寿命也已增加，但依然有提升的空间。在氢燃料电池中，铂及铂合金是加快化学反应速度的最为有效的催化剂。铂是唯一能承受电池中酸性环境的金属，但其昂贵的价格限制了燃料电池的大规模应用。自2005年以来，科研人员已经成功地开发出一种新型催化剂，使燃料电池所需的铂仅为目前用量的五分之一。但依然需要进一步减少铂的用量，或开发出能够替代铂、成本更低的其他催化剂。此外，还可以通过采用具有更高温度和更好传导性能的质子交换膜、改进控制系统设计制造(如湿度调节器、压缩机以及热流设计与成本等)来降低燃料电池的成本，提高其效率。
燃料电池汽车的车用储氢器必须具有较高的单位质量储氢密度。美能源部认为，车用高压储氢的单位质量密度至少应为6%，即每立方米储存60公斤氢气。为了满足汽车480公里续航能力的要求，一次需储氢大约4到7公斤。目前小型汽车的车用储氢方式大多采用高压储氢，工作压力为70兆帕(Mpa)的碳纤维储氢瓶是目前家用汽车的最佳选择，其售价大约为3000美元。研究人员正在致力于开发新的材料和制造工艺，以进一步降低储氢气瓶成本。目前正在进行的另一研究方向是，通过采用高表面积材料研究低压吸附储存氢气。
另一个挑战是加氢站的建立和氢气来源。近年来页岩气的大量使用将对运输部门产生重要的影响，低价格的页岩气可能会有助于加快氢气充气站的建设步伐。此外，通过改革商业运作模式(如建立混合发电厂)也可以获取具有经济性的氢气。但从长远来说，必须开发出一种具有成本优势、二氧化碳净排放量低的氢气制取方法。
天然气燃料
天然气燃料是各种替代燃料中最早广泛使用的一种，它分为压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG)两种。作为汽车燃料，天然气具有单位热值高、排气污染小、供应可靠、价格低等优点，目前已成为世界车用清洁燃料的发展方向，而天然气汽车则已成为发展最快、使用量最多的新能源汽车。国际天然气汽车组织的统计显示，近10年来天然气汽车的年均增长速度为20.8%，目前全世界共有大约1270万辆使用天然气的车辆，2020年总量将达7000万辆，其中大部分是压缩天然气汽车。目前美国仅拥有11.2万辆天然气汽车，不到全球总量的1%，也不到美国车辆总数的1/10，因而具有很大的发展空间。
近年来美国境内天然气价格的大幅降低，为天然气汽车的发展和进一步推广提供了新动力。由于经济上的合理性，美国国内重型长途运输卡车采用液化天然气取代柴油已成一个普遍选择。一辆重型长途运输卡车每年消耗燃料9万升(依目前价格计算约为8万美元)，目前液化天然气卡车用的低温储罐和相关配套设备售价为1万美元，其成本回收期为3到4年，未来随着低温储罐和相关配套设备售价的逐步降低，其成本回收期会更短。重型运输卡车的续航里程为800到960公里，这需要每隔240到320公里建立一个天然气燃料添加站。目前已有私营部门计划对这项基础设施网进行投资，其商业前景得以提升。此外，有关部门正在考虑在货运列车上使用液化天然气为动力燃料的方案。
轻型车辆所耗燃料占全美陆路行驶车辆所耗燃料总量的75%，减少轻型车辆的耗油总量更有利于节能。目前美国境内的公共汽车、货运卡车和轻型车辆已采用压缩天然气。在没有补贴的情况下，需要开发低成本的压缩天然气储藏技术，才能使汽车使用压缩天然气时较为经济合算。一辆平均行驶里程的汽车配置压缩天然气供应系统设备后，其成本回收期为10到15年，年均行驶里程高于平均值的车辆或每公里耗油量较少的汽车，其回收期肯定会更短。如果能将成本回收期缩短到5年以内，使用压缩天然气汽车和建立燃料充加系统的目标就具有经济可行性。这就需要深入研发碳纤维复合材料以研制轻质高压存储罐，同时也需要开发用于低压天然气储藏的吸附剂。全美共有大约16万个加油站，如果建立类似遍布全美的压缩天然气供应站，其耗资远超过1000亿美元，这是一个巨大的挑战。解决该问题途径之一是研制多种燃料内燃机。如采用压缩天然气—汽油双燃料内燃机的汽车，以压缩天然气为驱动燃料行驶30到60公里后，切换为以汽油为驱动燃料行驶，可以保证车辆能正常抵达下一个压缩天然气充加站。
当然，也可以利用费托合成技术或甲醇工艺将天然气转化液态燃料。目前已经能够大规模地从天然气中生产工业用甲醇，其成本大致与汽油生产成本相当。然而，以甲醇为基础的燃料运输也将面临添加站点的瓶颈。
生物燃料
生物燃料是指从植物特别是农作物中提取适用于汽油或柴油发动机的燃料，包括生物乙醇、生物柴油等。目前，主要以可食用农作物为原料生产的第一代生物燃料已成功实现商业化，而以非食用农作物为主要原料生产的第二代生物燃料——纤维素乙醇目前仍处于中试和示范的阶段。此外，研究人员也正致力于人工光合作用技术和电燃料技术的研发。
作为替代化石燃料的理想选择，未来生物燃料将步入高速发展时代。今年5月国际能源署发布的《交通用生物燃料技术路线图》指出，在不对环境及粮食安全带来重大负面影响的前提下，2050年生物燃料可以替代5500万吨到7500万吨石油，生物燃料在运输燃料中的比例将由目前的2%大幅上升为27%。生物燃料持续生产后每年可避免21亿吨的二氧化碳排放，成为交通行业第五重要的减排源。美国、巴西和欧洲等国在发展生物燃料方面居世界前列。2009年美国发布《国家生物燃料行动计划》，提出到2020年生物燃料将占其能源总消费量的25%，2050年将达到50%。巴西早在2006年就已实现40%以上的汽油消费由乙醇汽油取代，成为世界上唯一不供应纯汽油的国家。
第一代生物燃料以可食用农作物(主要是玉米、大豆和甘蔗)为原料，主要是生产燃料乙醇和生物柴油。其最大缺点是与人畜争夺食物资源，有可能导致粮食价格上涨并威胁全球粮食安全。3年前欧盟曾提出，要求2020年交通燃料的10%来自于可再生来源(其中大部分则是以粮食为基础的生物燃料)。据报道，今年9月欧盟提出了一份立法草案，拟对以食用农作物为原料的生物燃料加以限制。草案提出欧洲交通部门在2020年的总体能源消耗中，油菜籽、小麦等食用农作物生产的生物燃料所占比例不得超过5%(目前这一比例为4.5%)。其主要原因就是欧盟组织的科学研究对这种燃料的减排效应提出了质疑，而重点粮食产区的歉收又引发了对粮食短缺的进一步担忧。
第二代生物燃料则以非食用农作物(如麦秆、草和木材等农林废弃物)为主要原料，采用生物纤维素转化为生物燃料的模式发展纤维素乙醇。这种生物燃料具有很多优点：首先是汽车发动机不需要改造就可以直接使用掺入了生物乙醇的汽油或柴油;其次是秸秆等纤维素类农业废弃物大量存在，供给非常充足。此外其二氧化碳减排效果明显。美国能源部的研究结果表明，第二代生物燃料有望减少最高达96%的二氧化碳排放;而第一代以玉米等为原料的燃料乙醇，平均仅可以减少约20%的二氧化碳排放。
要真正实现纤维素乙醇生产的商业化，关键在于克服木质素降解难度大、成本高等难题。可喜的是，2012年2月，丹麦诺维信生物技术公司面向全球市场推出了适用于纤维素乙醇商业生产的新型高效酶，这是目前市场上性价比最佳并确保纤维素乙醇工厂达到最低生产成本的酶制剂产品，这将成为推动纤维素乙醇商业化的重要契机。今年2月，一份题为《通向新一代乙醇经济》的研究报告预测，2030年前以农作物秸秆为原料生产生物燃料将为全球创造数百万个就业岗位，同时促进经济增长，减少温室气体排放，提升能源供应安全性。
藻类生物燃料也是一个发展潜力巨大的方向。这种燃料是利用一些藻类(主要是硅藻和蓝藻等)的代谢特征，以淡水、海水甚至生活污水作为营养源，让藻类在太阳光和二氧化碳的环境中进行光合作用，生产出某些特定物质，将这些物质提炼后就可以直接用作汽车等交通工具的燃料。目前用于生产藻类生物燃料的方法主要是光合反应器法、封闭环路系统法和开放池塘法。
藻类具有分布广、油脂含量高、环境适应能力强、生长周期短、产量高等特点。截至目前藻类生物燃料的产量仍非常有限，但与其他非食物基原料相比，藻类的发展有明显优势。2010年荷兰科学家发表的研究成果表明，在过去的20年中微藻生产生物柴油的成本已从每加仑数百美元下降至数十美元，未来十年微藻生物燃料将与常规燃料的生产成本持平。美国Pike研究咨询公司2011年的研究报告则预测，到2020年全球藻类生物燃料的市场将达到13亿美元。
电燃料技术是利用微生物特别是细菌吸收化学能或电能，将二氧化碳转化为液体运输燃料的新方法。通过代谢工程和合成生物学的方法，这种技术可以将二氧化碳高效地转化为液体燃料，特别是开发能够从氢、金属离子、氧化还原活性物种或直接从电流中释放能量的有机物。2010年4月，美国能源部拨款1.06亿美元资助先进的生物燃料技术开发项目，其中与生物能源相关的领域就是电燃料。
人工光合作用技术是借助于阳光，用水、二氧化碳制造燃料和化学原料的技术。其最大优势是能够将太阳能转换为氢气、甲醇或乙醇等化学燃料，可以直接用在汽车等燃烧液态燃料的机械中。在自然界中光合作用利用太阳能将二氧化碳和水转变成糖和其他碳氢化合物，其效率不到1%，人工光合作用的目标是将转化率提高到20%以上，为此必须研制出能快速让水氧化的太阳能催化剂，这是提高人工光合作用效率的关键。2010年美国能源部资助建立了“人工光合作用联合中心”，5年内将共投入1.22亿美元致力于实现人工光合作用技术的实用化。
经济合算是清洁能源和可再生能源发电的生命力
2012年9月世界经济论坛与HIS剑桥能源研究协会联合发布的《2012年最新能源展望报告》指出，目前已有100多个国家制定了可再生能源发展目标，新能源产业的增长能够将气候、能源和金融领域的危机转变为全新的可持续增长机遇，从而为世界经济发展提供新动力。2011年全球可再生能源发电量比2010年增长了17.7%，连续8年呈两位数增长，可再生能源发电量占当年全球发电总量的3.8%。其中风能发电量增长了25.8%，首次超过当年可再生能源发电总量的50%。受日本福岛核事故的影响，2011年全球核电总发电量为2518太瓦时，比2010年减少了4.3%。
尽管前景诱人，但要广泛应用可再生能源发电必须有效地降低其成本。2011年5月，联合国政府间气候变化专门委员会发布的一份报告指出，目前全球已有的可再生能源技术潜力只有2.5%得到了利用，如果这些潜力能够在正确的公共政策支持下得到充分利用，到2050年可再生能源将能提供全球每年能源需求的77%，并能减少总量高达2200到5600吨的二氧化碳排放。报告同时指出，可再生能源的推广在经济性和技术方面都将面临巨大的挑战。
据国际能源署预测，未来很多国家都将会采取碳定价等措施，努力减少发电过程中温室气体的排放量，但可再生能源发电未来成本的降幅却并不令人乐观，如2020年海上风能发电站的均化成本为每千瓦时90美元(以2010年美元的实际价值计算)，美国能源信息署预测2016年其成本为每千瓦时80到120美元。
从发电站的均化成本来看，风能发电站(发电风速为每秒7到7.5米)为每千瓦时73美元(不包含电力输送成本)，专家预计2020年将降为每千瓦时60美元以下。2011到2012年期间建成的公用事业太阳能光伏发电站，在没有任何补贴的情况下其成本为每千瓦时150美元，这与《通向新一代乙醇经济》研究报告的估算基本吻合。在某些自然条件较好的地区，未来太阳能光伏发电成本可以降为每千瓦时60到120美元。目前美国传统的天然气循环发电站成本最低，为每千瓦时50到60美元。除了均化成本之外，电站规模、储存电力的潜力等因素也同样十分重要。
对某些均化成本超过每千瓦时200美元的地区来说，目前可再生能源发电已经具备了价格优势。据预测，未来全球范围内风能、太阳能发电的成本将会越来越趋于经济合算。此外，随着高性能、低成本和耐用的储能电池的研发，电力储能技术将有望使中、小规模输电网络满足偏远农村地区的用电需求。
尽管未来各种可再生能源发电成本将会持续降低，但要充分发挥其作用必须将其与现有发电方式进行有效整合，克服可再生能源发电在输送、分配、存储等环节的瓶颈。2050年可再生能源发电将占全美电力供应总量的8%，即使要实现该目标的一半，依然需要在技术创新、运营程序、商业运作模式和管理措施等方面对现有电力系统进行改革。
