21世纪里人类面临的最大的挑战无可置疑是我们必须对过去200多年已知的能源基础结构进行根本的改变。这一根本改变由来自化石能源的燃烧释放到地球大气层的二氧化碳（CO₂）所导致的全球气候变化所驱动。自从工业革命以来，煤炭、石油和天然气已经成为我们主要的能源来源。它们不得不被消减和补充，也将迟早被无碳排放的能源所取代。

我们所面临挑战的规模是巨大的。图1.1给出了Hoffert等人^[1]对未来全球能源需求的预测。最上面的曲线表明我们当前（2013年）在全球正以大约18TW（或10¹²W）的平均速度消耗能源。到2050年，能源需求预期将达到30TW，到2100年将达到46TW。图1.1中不同的颜色代表不同能源按照一如往常的预估对未来能源需求的贡献。图1.1中曲线上标有的“WRE”代表把大气层中二氧化碳浓度稳定在350ppm、450ppm、550ppm、650ppm和750ppm^[1]原子比所对应的最大允许的化石燃料能源。这个预测是根据Wigley、Richels和Edmonds^[2]提出的模型。举个例子，对2050年大气中450ppm的二氧化碳浓度所能允许的最大化石燃料能约为8TW，也就是说清洁能源不得不提供22TW来满足总的30TW的能源需求。

图1.1 到2100年全球能源预期需求^[1]。经Macmillan Publishers Ltd允许转载。不同的颜色代表不同能源按照一如往常的预估对未来能源需求的贡献。曲线上标有的“WRE”代表稳定大气层中目标二氧化碳浓度所允许的最大化石燃料能

如图1.2所示，在约从1800年开始的工业革命^[3]之前的数千年里，大气中二氧化碳浓度始终稳定在约280ppm。在2013年5月，据美国国家海洋与大气管理局的数据，大气中二氧化碳浓度超过400ppm^[4]。大气中二氧化碳浓度的快速升高改变了到达地球的太阳辐照与反射出的热辐射间脆弱的能量平衡。二氧化碳的其中一个吸收峰位于红外光区约15μm附近。这与地球热辐射光谱的峰位一致^[5]，因此可以留住大气层中的热量，使得地表温度上升，如图1.3所示^[6]。从1880～2012年间，地表平均温度几乎上升了1℃。在过去30年的上升速度为每10年0.15℃。

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图1.2 过去两千年间大气中二氧化碳浓度^[3]。经联合国政府间气候变化专门委员会允许转载。其他两种温室气体也包括在内。据美国国家海洋与大气管理局发布，2013年5月大气中二氧化碳浓度超过400ppm[4]

由于能源基础设施的巨大惯性，也许已经太迟而不能将大气中二氧化碳浓度稳定在450ppm。图1.1表明如果大气中二氧化碳允许的最大目标浓度为750ppm，清洁能源到2050年不得不提供30TW总需求中的11TW，或者说约占总需求的37%。当今每个核能或火力发电站输出约1GW（或10⁹ W）。如果我们要建造的清洁发电站容量为1GW，那么为了将清洁能源到2050年累积到11TW的容量，我们不得不在下面37年里每天建造一个电站。如果这些无碳排放发电站的标价能减少到与核能发电站相似的水平，即约每瓦5美元，那么11TW容量大约需要55万亿美元投资。取决于系统的规模和当地的太阳光强度，目前基于按时间平均的太阳能光伏的价格为15～30美元/W。按照当前价格11TW太阳能光伏将需要165～330万亿美元的投资。如果我们展望到2100年并且大气中二氧化碳的目标仍然是750ppm，那么在2050～2100年之间需要额外增加17TW的清洁能源。我们将不得不每天建造一个1GW清洁能源发电厂直到21世纪结束，其建造总成本按照每瓦5美元为150万亿美元，或按照每瓦15～30美元计为450～900万亿美元。

图1.3 以1951～1980年为基准的从1880～2012年全球平均表面温度的异常^[6]。在1880～2012年之间表面温度升高了几乎1℃，其中过去30年中平均增长速度为每10年约0.15℃

这些粗略的计算仅包括新能源基础设施的一部分，也就是能源的产生。新能源的基础设施不仅包括能源的产生，也包括能源的存储、输运和使用。更远一些的相关事物还包括能源基础设施改变带来的经济、地域政治、社会、行为学和环境影响，这是因为廉价的可靠的能源已经成为我们现代社会的基础。对于作者一个人来说，提供关于新能源基础设施的综合分析是不可能的。上述讨论的目的是想说明，我们努力去结束对化石能源的依赖并留给我们子女一个宜居的星球，这一任务是非常艰巨的。