替代能源

替代能源（英語：alternative energy）指的是所有能夠代替化石燃料的能源資源。這些替代能源能夠解決人們對化石燃料的諸多顧慮。
隨著時間的推移，替代能源的構成以及有關能源使用的諸多爭議都發生了很大變化。如今，伴隨著可選擇能源的增加以及能源使用目的的多樣性，人們在是否將一種能源劃分為替代能源上產生了很大分歧。
但總體來說，現在所說的替代能源是在生產或回收過程中，不會像化石燃料那樣產生不良後果的能源。這些不良後果尤其指會造成全球暖化的一個重要原因——高二氧化碳（溫室氣體）排放。

發展歷程

經濟歷史學家已經觀察到了替代能源使用的關鍵性過渡期，並認為其對今後的重大經濟變革具有關鍵性的影響。當替代能源即將取代當時的主導能源時，主導能源的供應就會變得不穩定，同時還伴有能源價格的快速上漲。

石油替代鯨油

19世紀早期，鯨油是當時主要的潤滑油和照明燃料，到19世紀中期，人類對鯨魚的大量捕殺導致鯨魚數量急劇減少，鯨油價格扶搖直上，但也為石油的引進提供了時機，首批商品化的石油出現在1859年的賓夕法尼亞州。

乙醇替代化石燃料

1917年，亞歷山大·格拉漢姆·貝爾提倡使用從玉米、小麥和其他農作物中提取的乙醇作為煤和石油的替代能源，並聲稱人類離化石燃料用盡的那一天已經不遠了。在貝爾看來，需要替代能源是因為現有的主要能源再生能力都不強。從20世紀70年代開始，巴西就制定了乙醇燃料項目，並成為僅次於美國的世界第二大乙醇生產國和世界上最大的乙醇出口國。在該項目中，巴西使用現代化的生產設備，將廉價的糖蔗作為原料，把剩下的蔗渣用來供熱和發電，此後，巴西的街道上再也沒有完全依靠石油驅動的輕型車。到2008年底，巴西全國至少配有一個乙醇燃油加油泵的加油站已有35000家。
纖維素乙醇能從眾多原料中生產出來，並且能提高農作物的利用率。由於產出的有用原料增多，而一些養分密集型肥料和殺菌劑的使用量保持不變，所以這種新的方法能夠提升農作物總產量，並減少碳足跡。2008年，美國已有九家在建或已投入生產的商用纖維素乙醇工廠。
第二代生物燃料技術能夠從非食用生物中生產燃料，因此能夠儘量避免將食物變為燃料。截至2010年7月，丹麥已有一家第二代（2G）商用乙醇燃料工廠（因必肯生物煉油廠）在運行生產。

氣化煤替代石油

20世紀70年代，吉米·卡特總統的政府提倡用煤的氣化氣化煤代替昂貴的進口石油，但是80年代的石油價格急劇下跌讓該計劃宣告破產，同時遭殃的還有人造燃料公司（一家政府出資成立的新能源開發公司），實際上，氣化煤的碳排放量和造成的環境污染也是不容小覷的。

使能技術

熱泵和熱能存儲都要求使用一些非常規能源。熱泵能從一些低質的能源（如海水或湖水，不論是地面的還是空氣中的）中吸收額外的能量來產生電能（在一些條件下也可以是機械能或熱能）。
熱能存儲技術能夠讓溫度在幾天甚至幾個月內保持不變，不論是保熱還是保冷， 而且還能儲存顯熱（通過改變介質的溫度）或潛熱（通過改變物體的狀態，也就是從固態向液態轉變或逆向轉換， 比如說從水到冰水混合物或到冰）。能量來源可以是自然能源（通過太陽能集熱板吸收熱量或乾式冷卻塔來收集冬天的低溫）和廢料能源（比如來自暖通空調系統、工業生產過程或者發電廠）或者過剩能源（比如由於水力發電的季節性或風力
發電的間歇性而產生的）。加拿大阿爾伯特省的德雷特-蘭丁太陽能社區就是一個很好的例子。地孔熱能存儲器通過車庫屋頂上的太陽能收集器為該社區提供一年中所需熱量的97%， 其中大部分熱量都是在夏天收集的。存儲器可以是保溫儲罐，以碎石子到基岩等各種石材為構成的鑽孔群， 或者排列整齊能夠保溫的淺坑。其中有些應用需要熱泵技術。

可再生能源與不可再生能源的競爭

可再生能源是指來自自然資源， 例如太陽光、風、雨、潮汐、地熱等自然資源，這些資源有可再生性（可以自動再生）。可再生能源與化石燃料釋放能量的過程有著一些本質上的區別。石油、煤炭或者天然氣燃料的生產是一項複雜艱難的過程， 需要大量的複雜設備和一系列的化學和物理反應；但相比之下，替代能源的生產只需要一些基礎設備和簡單的自然反應就可以實現。木材作為可再生能力最強，分布最廣泛的替代能源， 燃燒時所產生的碳與自然降解時釋放的碳是等量的。

生態友好型替代能源

一些如生物質這樣的可再生能源被看做是對生態有害的化石能源的替代品， 但可再生能源並不是一開始就被當做替代能源的。比如說，荷蘭曾是把棕櫚油當做生物燃料使用的大國，但現在卻取消了所有對棕櫚油的補助，因為有科學證據表明棕櫚油的使用有時可能會對環境產生比化石燃料還要大的危害。目前， 為了給民眾一個交代，荷蘭政府和一些環保組織正在努力追蹤進口棕櫚油的來源，以查清這種燃油是怎麼生產出來的。至於用農作物生產生物燃料的方法，現實情況是，就算把全美國收穫的所有穀物物都用來生產生物燃油，結果也僅能滿足16%的汽車用油需求。為了生產生物燃料，巴西能夠吸收大量CO₂的熱帶雨林已經遭到極大破壞，這些無疑是讓糧食市場與能源市場競爭，其結果必然是食品價格上漲，對一些環境問題，如全球暖化也是百害而無一利，還會提高本國對外國能源的依賴性。最近，人們陸續發現了一些能夠取代這些名聲不太好的可持續燃料的能源，如可用於商業用途的纖維素乙醇。

藻類生質燃料

藻類生質燃料是從海藻中得到的生物燃料。在光合作用時，海藻與其他光合生物將吸收的二氧化碳和陽光轉化為氧氣和生物質能。藻類生質燃料的好處在於它可以進行工業生產，因此可以避免占用耕地和使用糧食作物（比如大豆、棕櫚、油菜等），而且同其他的生物燃料資源相比，它的產油量也更高。

生物質成型燃料

生物質成型燃料在開發中國家是作為木炭的替代品來開發的。該技術能將幾乎所有的植物轉變為壓縮型煤，其中所含的熱值通常是木炭的70%。世界很少有大規模生產生物質成型燃料的例子，剛果民主共和國東部的基伍省便是其中一個，那裡的人們為了生產木炭毀壞了大量森林，對山地大猩猩的生存環境構成了極大威脅。維龍加國家公園的工作人員已經成功培訓並部署了超過3500名員工來生產生物質成型燃料，以此來取代公園內非法製造的木炭，同時也為受衝突影響而生活極端貧困的人們提供了工作機會。

沼氣發酵

沼氣發酵利用的是廢料分解時釋放的甲烷氣體，這種氣體能夠在垃圾或下水道中收集。沼氣池能利用細菌在厭氧環境下分解生物質產生甲烷。沼氣經過收集和提煉後，可以作為多種產品的能量來源。

生物制氫

氫氣是一種完全意義上的清潔能源；它的唯一副產品就是水。和其他燃料相比，由於它的化學結構獨特，它所含的能量也相對較多。
2H₂ + O₂ → 2H₂O + 大量能量
大量能量 + 2H₂O →  2H₂ + O₂
由此可見，此過程需要大量的能量輸入，使得商業制氫效率低下。如果使用生物媒介分解水來生產氫的話，那麼唯一的能量消耗就是太陽輻射了。生物媒介包括細菌，或者更常用的海藻，該過程就是通常所說的生物制氫，其中需要使用單細胞生物通過發酵來產生氫氣。在沒有氧氣參與的情況下，即厭氧環境中，植物有規律的呼吸作用被抑制，取而代之的是一種發酵過程。該過程的主要產物就是氫氣。如果我們能大規模應用該技術的話，就可以利用陽光、養分和水來製造氫氣，將其作為一種主要能源。大規模生物制氫被證明是困難的，直到1999年才通過硫剝離技術創造了厭氧環境。但由於發酵實質上是一種在高壓狀態下發生的進化上的倒退，細胞在幾天後就會死亡。2000年，研究人員開發了一個兩階段的工藝，能夠將細胞放入厭氧環境中並及時拿出，因此細胞可以保持活性。在過去的10年裡，研究目標主要是找到將該過程推廣使用的方法。在大規模推廣使用之前，為了確保其生產效率，一些細緻的工作正在進行中，但是，一旦該機制形成，這種生產方式將解決我們的能源需求問題。

海上風能

海上風電場和普通的風力發電廠相似，但前者是處在海洋中。海上風電場能夠被放在40公尺（130英尺）深的水中，浮式風力渦輪機也會相應放在700公尺（2,300英尺）深的水中。浮式海洋風力發電廠的優點在於它能利用來自寬闊海面的海風。沒有了山坡、樹木和建築物的阻擋，海風的速度能夠達到海岸地區風速的兩倍。
海上風能已經對歐洲和亞洲的電力供應做出了極大貢獻，如今美國第一個海上風力發電廠也已在規劃當中。雖然海上風力發電在過去幾十年間發展迅猛，特別是在歐洲，但是這些風電廠的修建和運行是否對海洋生物和海洋環境存在影響，還有很大的不確定性。
傳統的海上風力發電機是放在近海環境淺水區的海床上，隨著海洋風力發電技術的不斷成熟，一些懸浮裝置開始裝備在蘊藏有更多風能的深水區。

釷

釷是一種可核分裂物質，用於釷燃料發電。釷反應爐的支持者聲稱其比鈾燃料循環有幾個潛在的優點，例如如：釷比鈾更豐富，能更好地避免核武器擴散，並能減少鈽和其他錒系元素的生產。釷反應爐可以被改造用來產生鈾-233，然後可以加工成高濃縮鈾；該技術已在低產量武器中測試，但尚未在商業規模上得以驗證。

對替代能源的投資

作為一個新興的經濟增長部門，民眾卻沒有多少投資替代能源的機會。民眾可以從股市上購買能源公司的股票，但是其收益卻極不穩定。「太陽城」直到最近才上市就證明了該領域還處在開始階段，但在幾周之內，它的市值就飆升到替代能源領域的第二位。
投資者可以選擇投資追蹤相關替代能源指數的交易所交易基金（ETF），比如WilderHill新能源指數。此外，一些共同基金如Calvert全球替代能源基金能讓你在選擇投資方式時比別人更快一步。
最近，Mosaic搭建了一個能讓加利福尼亞州和紐約州居民直接投資太陽能的網絡平台。之前對太陽能項目的投資僅局限在一些有資信的投資者和小數量的銀行間。
在過去的三年內，一些上市替代能源公司的經營狀況一直處於不穩定的狀態：一些公司在2007年的收益超過了100%；一些公司到了2008年的收益便下降了90%甚至更多，2009年收益的峰谷比值再次超過了100%。「替代」能源投資總體上有三個方向：太陽能、風能和混合動力車。和當下能源相比，碳排放更少，並且免費、可再生的替代能源是風能、太陽能、地熱能和生物燃料，這四個領域所面臨的技術和資金問題都各有不同。
比如說，光伏太陽能技術需要依賴半導體工藝，並且相應地，從微處理器行業中實現的成本削減（通過擴大應用範圍，提高模塊效率，升級加工工藝）中獲利，光伏太陽能發電可能是唯一一種能在未來五年內將其成本降低一半甚至更多的發電技術。一些更好且更有效率的生產過程以及像高階薄膜太陽能電池這樣的新技術，就是減少業界成本的典範。
太陽能光伏發電市場受矽的價格影響很大，甚至一些依靠其他原料的公司（如第一太陽能公司）都會受到矽市場供求平衡的影響。 而且，由於一些公司向市場銷售太陽能成品電池，（比如Q-Cells），使得另一些公司很輕易就能製造出太陽能組件電池，而這反過來會形成一個不合理的價格環境。
相反，由於人類利用風能的時間已經超過了一個世紀，所以相關的技術相對比較穩定。風能的效益主要是取決於選址（也就是風力的大小和電網投資）和鋼材價格（風力渦輪中使用最多的原材料）以及上好的複合材料（用來製造風車的葉輪）。由於現有風車高度大多超過100米，物流管理和全球生產平台成為影響競爭力的主要因素。桑福德•伯恩斯坦公司對其中的問題曾進行過研究，並得出很多重要結論。

替代能源在交通運輸方面的應用

2008年，由於油價持續攀升，導致當年美國每加侖普通無鉛汽油的平均價格曾一度超過了4美元，因此一些公司一直致力於為顧客開發出更多種更高效的替代燃料車。結果，一些小公司迅速加大對完全採用不同方式驅動汽車的研究開發。混合動力和電動汽車如今已經進入商業化階段，所占市場份額正在逐步擴大，也越來越得到世界範圍內民眾的認可。
比如說，日產美國首次批量生產了電動汽車「日產聆風」；一款可充電混合動力車—「雪佛蘭沃藍達」也已經被研發出來，該車使用電動馬達驅動，配有一個小型四汽缸引擎來產生額外的電能。

讓替代能源成為主流

要想讓替代能源成為主導能源就必須解決幾個關鍵問題：首先，要提高人們對替代能源運作的理解，以及替代能源有哪些好處；然後，相關系統元件的可用性需要提高；最後，投資回收周期應該被縮短。
舉例來說，電動載具（EV）和插電式混合動力汽車（PHEV）的數量在不斷增加。這些交通工具需要依賴諸如「智慧電網」這樣的高效充電設施來讓電力成為未來交通工具的主導能源。

相關研究

在學術界、政府和商業部門中，許多組織都在替代能源領域進行大規模尖端研究。這些研究涵蓋了替代能源領域的幾個主要部門，大部分研究都旨在提高能源效率和增加能源產量。
近年來，許多政府資助的研究機構已經將替代能源作為研究重點。其中成就最突出的兩個研究機構就是桑迪亞國家實驗室和國家可再生能源實驗室（NREL），兩者都由美國能源部出資建立，還有多家公司為其提供資金支持。桑迪亞國家實驗室的總預算為24億美元，而國家可再生能源實驗室（NREL）則有3.75億美元的預算。

太陽能

太陽能可用來加熱、冷卻以及發電。
太陽能供熱在主動和被動供熱建築以及區域供熱系統中早有使用。後者的實例包括加拿大亞伯達省的德雷克太陽能社區以及在丹麥和德國的許多區域能源系統。在歐洲有兩個太陽能供熱項目：「太陽能分區供熱」（SDH）以及國際能源署的「太陽能加熱與冷卻」項目（SHC）。
太陽能還未能被廣泛應用的原因就在於現在的太陽能技術效率低而且花費高。目前的光伏板只能將所接收陽光的16%轉變為電能。
桑迪亞國家實驗室和國家可再生能源實驗室（NREL）都對太陽能研究項目給予了大量資金支持。NREL在太陽能項目上的預算是7500萬美元左右，並且在光伏技術、太陽熱能、太陽輻射等領域也設有研究課題。桑迪亞太陽能研究部的預算還不清楚，但可以肯定的是，在整個實驗室24億美元的預算中，該項目占有很大比重。
近年來，一些學術項目將太陽能視作重點研究對象。北卡羅來納州州立大學（UNC）太陽能研究中心（SERC）的唯一目標就是研發出更加高效的太陽能技術。2008年，麻省理工學院的研究人員通過使用太陽能從水中生產氫氣燃料來儲存太陽能。這些研究意在解開阻礙太陽能發展的有關夜晚無陽光時太陽能儲存的相關問題。
2012年2月，德國西門子公司在北卡羅來納州的一家太陽能開發公司Semprius宣布他們已經研發出世界上效率最高的太陽能板。該公司宣稱他們所造的原型太陽能板能夠將所接收到陽光的33.9%轉化為電能，這比以前最高的轉化率高出了兩倍多。

風能

風能的相關研究可以追溯到上世紀70年代，當時NASA設計了一款分析模型來預測強風情況下風力渦輪機的發電量。如今，桑迪亞國家實驗室和國家可再生能源實驗室都設有專門的風能研究項目。桑迪亞的實驗室注重材料科技進步、空氣動力學和傳感器。而NREL則將重點放在提高風力發電量、減少資金投入以及如何讓風能的成本效率更高等方面。
加州理工學院的「優化風能現場實驗室」（FLOWE）成立的目的就是研究出可能減少當下風電成本，占地面積及環境影響的新技術。
風能、太陽能、生物質能和地熱能等可再生能源相結合，在2013年提供了全球最終能源消費量的1.3％。

生物質

生物質（生物質量，biomass），也即來源於活的或者最近活的生物體的生物物質（某種意義上的生物材料）。它通常是指植物或植物衍生物質，此類物質被特別地稱作木質纖維素生物質。生物質作為一種能量來源，既可以直接通過燃燒產生熱量，也可以間接將其轉化為各種形式的生物燃料。生物質轉化為生物燃料的過程，可以由不同的方法實現，大致分為：熱的，化學的和生物化學的。木頭至今仍然是最大的生物質能源；例子包括森林殘留物（如枯死的樹木或樹枝、樹樁），庭院修剪物，木屑，甚至城市的固體垃圾。另一方面，生物質包括多種植物或動物物質，這些物質可以轉化成纖維或其他工業化學品，包括生物燃料。工業上，生物質可以通過種植各種植物而得到，包括芒草、柳枝稷、麻、玉米、楊樹、柳樹、高粱、甘蔗、竹子，和各種各樣的樹種，從桉樹到油棕（棕櫚油）。
生物質、生物（沼）氣和生物燃料，通過燃燒產生熱量和動力，也同時會危害環境。污染物如硫氧化物（SOₓ），氮氧化物（NOₓ），和顆粒物（PM）都會從燃燒中產生。世界衛生組織估計，每年有700萬人的過早死亡是由空氣污染造成的，而其中生物質燃燒是一個主要貢獻者。如果使用時間跨度夠長，生物質的燃燒是零碳排放的，但其他方面則類似化石燃料的燃燒。

乙醇生物燃料

乙醇作為北美洲的主要生物燃料形式，許多機構已經在該領域展開研究。政府方面，美國農業部在美國進行了大量關於乙醇生產的研究，其中大部分都是圍繞乙醇生產對國內農產品市場的影響。
國家可再生能源實驗室對乙醇項目展開了大量研究，尤其是在纖維素乙醇領域。同傳統的以玉米為原料生產的乙醇相比，纖維素乙醇具有更多優勢。因為纖維素乙醇可以從樹木、雜草或其他植物身上不可食用的部分中生產，所以不必挪用農作物甚至直接與糧食供給競爭。而且，一些研究表明，纖維素乙醇和玉米乙醇相比成本效益更高，經濟可持續性更強。桑迪亞國家實驗室則開展了內部纖維素乙醇研究，它同時也是聯合生物能源研究所（JBEI ）的成員之一，該研究所由美國能源部創建，其目標是開發出纖維素生物燃料。

其他生物燃料

從1978年到1996年，國家可再生能源實驗室在「水生物種計劃」中將海藻作為生物燃料進行實驗。Michael Brigges在新罕布希爾大學生物燃料研究小組中自行出版的文章中估計，今後所有機動車燃油都將被從含油量超過50%的海藻中生產的生物燃料所取代，而這些海藻，Briggs表示，可以在污水處理廠里的海藻池中培養。這種含油量豐富的海藻可以從該系統中提取出來加工成生物燃料，干化的剩餘部分還可以被重複利用來生產乙醇。
利用海藻生產生物燃料所需原油的技術還未能進行商業推廣，但是相關可行性研究正在進行中，使產量盡力達到預期產量的最大值。除了高產之外，由於生產過程不需要土地和淡水，藻產業不會像其他以農作物為原料的生物燃油那樣引起農作物產量的減少。出於各種原因，多家公司目前正在開發海藻生物反應物，其中就包括將生物燃料的產量擴大到商業範疇。
來自不同部門的幾個小組正在研究麻風樹，一種類似灌木的有毒樹種，許多人認為其種子可被當做生物燃料原料油的來源。許多研究都力圖通過基因技術、土壤科學和園藝學來提高麻風樹總體的畝產量。聖地亞哥的一家麻風樹開發商SG生物燃料公司已經利用分子育種和生物科技生產出高產的雜交麻風樹種，其產量比第一代的變體產量要高很多。「可持續能源農業中心」（CfSEF）是一家位於洛杉磯的非盈利性研究機構，它致力於在農業科學、農業經濟學和園藝學領域內研究麻風樹。在這些學科指導下探索的目標是：在接下來的10年內將麻風樹種產量提高到原來的兩到三倍。

地熱能

地熱能是通過開發地球內部產生和儲存的熱能而生產的。它被看做是可持續能源的原因在於其熱能總能自動補充。但是，與地熱能相關的科技還不成熟，在經濟上的可行性也還不強。一些機構，如國家可再生能源實驗室和桑迪亞國家實驗室的一些研究正在試圖建立一門以地熱能為核心的科學。德國的一家地球科學研究機構「國際地熱研究中心」（IGC）主要就是研究地熱能的開發利用。

氫能

美國聯邦政府在氫燃料的研究和開發上已經投入超過10億美元。美國國家可再生能源實驗室和桑迪亞國家實驗室都設有針對氫的研究部門。

弊端

這些有望取代化石燃料、改變全球氣候變化的替代能源有可能會對環境產生極大的不良影響。比如說，生物燃料生產要提高7倍才能滿足如今一些最基本的能源需求，而根據經濟和能源增長的預測，到2100年將是40倍。人類在世界範圍內已經占用了光合作用固定碳的30%到40%，這預示著額外生物量的收穫很可能會給生態系統帶來壓力，在一些情況下會奪走某些物種的食物來源，從而導致生物物種的急劇下降乃至滅亡。在美國，每年植物的能量獲取總額在58庫德（61.5EJ）左右，其中的一半已經作為農作物和木材被收穫了，餘下的生物質會用來維持生態系統的正常運作及其多樣性。美國人民一年消耗的能量約為100庫德，生物質能只能提供其中很小的一部分。要想單純依靠生物質成型燃料來滿足當下全球能源需求的話，那麼則需要犧牲全球超過10%的土地，而這相當於全球所有的農業用地（150億公頃），由於當下的飢餓問題，將來所種植的植物是用來產油還是生產糧食作物，這個問題勢必會引起一場道德衝突，而這將使未來生物質燃料的推廣困難重重。
一些由開發水電修建大壩而造成的環境問題（如魚類洄游、對敏感水生態系統的破壞等等）已經阻礙了美國水電站的近一步擴展。而為了取代化石能源大規模部署風力發電的話，那麼民眾很可能會堅決抵制。如果全美的用電量都由風力發電供應的話，8000萬公頃（比全美可耕種土地的40%還多）的土地將被大型風車（輪轂高度為50米，間距為250米到500米之間）所淹沒。因此不難理解風力發電對環境的影響主要是與土地利用有關，而與野生動物的（鳥類、蝙蝠等）死亡聯繫不是很大。除非只是一小部分電量靠風力發電產生，並且是在偏遠地區，否則公眾是不可能忍受風力發電帶來的噪音和美觀問題的。
在向替代能源轉變的過程中還會引起其他問題。「加大天然氣發電的力度會對經濟發展產生與預期相反的後果」，尤其是「現在天然氣價格是煤炭價格的四倍」。而且，如果現在大規模地由煤炭發電轉為天然氣發電的話，一些國家對外國能源供應的依賴度會持續增加。另外，「大規模能源轉型需要擴充管道容量和存儲能力，而這需要持續的資金投入，還要修建新的中轉站來處理進口的天然氣」。
如何處理現有的燃煤工廠也是個問題，是將其加以改造還是修建新的工廠呢？「要想利用現有的煤炭工廠燃燒天然氣，需要有配套的管道線路來滿足工廠能源供應的需求」，同時也需要「州際和州內管道線路的擴張來運輸日益增多的天然氣」。總之，修建新的天然氣工廠比沿用老的燃煤工廠要更具可行性，成本也較低。