剥离我们最大的能源来源，只剩下火——燃烧化石燃料。要建立一个可持续的能源未来，我们将不得不更多地依赖其他三种经典元素：水、风和土。今年，《发现》杂志与美国机械工程师学会、电气电子工程师学会（IEEE）以及美国国家科学基金会合作，汇聚顶尖能源专家前往国会山，他们向华盛顿的内部人士介绍了情况，并梳理了通往新能源经济的道路上所面临的科学、技术和政治挑战。
1 地：利用脚下的热量
挑战 地热能存在已久，以至于它几乎不配被称为“替代能源”；一个世纪以来，人们一直在利用地表下的热水发电。但在美国，地热能每年仅产生约16太瓦时（terawatt-hours）的电力，不到总用电量的0.5%。与风能一样，地热能的原理很简单，但实际操作却很难成功。钻井常常得到热水但没有水，或者根本不够热。该行业困境的一个迹象是，地热能的联邦资助已从1979年的约4.5亿美元（按2011年美元计算）下降到今年的不足5000万美元。
新能源经济 南卫理公会大学（Southern Methodist University）的地球物理学家大卫·布莱克威尔（David Blackwell）认为，忽视地热能是一个错误。他估计，美国地底下蕴藏着100到500吉瓦（gigawatts）的地热能潜力。据内华达州地质学家詹姆斯·福尔兹（James Faulds）介绍，要成功开发所有这些能源，需要投资于更详细的地质测绘、地下水流的三维建模以及可以指示地下水温度的水化学测试。对古代温泉的更多调查，它们可以指示仍活跃的地热系统的位置，也有帮助。
由于一个不太可能的朋友——天然气行业，对地热能的支持突然变得更有可能。天然气行业目前正处于一个疯狂的繁荣期，这得益于被称为“水力压裂法”的争议性钻井技术的广泛采用。“我们发现，许多已经钻探的天然气井会产生大量热水，”地热能源协会（Geothermal Energy Association）执行董事卡尔·加威尔（Karl Gawell）说。其中许多被水力压裂过的井可以被重新设计，获得第二次生命，成为地热能的来源。
未来的废水处理 如今，一个典型的污水处理厂每处理一立方米废水需要消耗0.7千瓦时的能量。但同样的一立方米废水中含有约2千瓦时的潜在化学能。下一代污水处理厂不仅会更有效率，还会从污水中的有机物和氮中提取能量。 | NULL
2 水：将废水转化为能源
挑战 每天，你都在把能源冲进马桶。“你不能把能源和水作为独立的资源来讨论，”美国国家科学基金会（National Science Foundation）的工程师汤姆·彼得森（Tom Peterson）说。仅在加利福尼亚州，就有19%的电力和30%的天然气用于输送、处理和加热水。
新能源经济 由于输送水消耗大量电力，开发回收下水道水的途径可以节省大量能源。全国的这种创新典范是拉斯维加斯。“我们几乎100%地再利用了我们的废水，”拉斯维加斯谷水区（Las Vegas Valley Water District）总经理帕特里夏·穆罗伊（Patricia Mulroy）说。在过去的20年里，该区现代化了其水回收系统，该系统目前每年将700亿加仑的处理后废水回流到米德湖（Lake Mead），米德湖是拉斯维加斯90%水源的来源。斯坦福大学的工程师理查德·卢西（Richard Luthy）表示，随着国家水基础设施接近设计寿命的尽头，现在是时候建立一个更节能的系统了。“我们需要避免长距离泵水，并专注于在产生水的地点进行就地回收利用，”他说。
而每一次冲水所浪费的能源不仅仅在于水——废物本身也蕴含着能量。一加仑典型的生活污水含有足够的有机物和氮，可以为一个100瓦的灯泡供电五分钟。令人兴奋的启示是，下一代污水处理厂可以使用新技术，包括微生物燃料电池，从废水中捕获足够的甲烷、氢气和其他燃料，以满足自身能源需求，甚至还有剩余。“我们可以以几乎零能耗的成本从废水中回收高质量的水，”卢西说。“它可能从一种负担变成一种资产。”
3 风：驾驭狂野之风
挑战 过去几年里进行过一次横跨美国旅行的人，都会看到美国转变为世界领先的风能生产国的转变。如今，从加利福尼亚州到纽约州，风力发电场点缀着大地，每年总共产生近100太瓦时的电力，占总需求的近2.5%。但与燃煤电厂产生的45%相比，这仍然是小巫见大巫。在风能能够seriously挑战化石燃料之前，还有许多科学问题需要克服，其中一个令人惊讶地基础：我们仍然不完全理解风的吹动方式。风在高200到400英尺的高度（风力涡轮机实际运行的高度）与近地面处的风的行为不同。“我们国家有数千个监测站，测量高达约30英尺的风，”科罗拉多州博尔德市美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research）的副主任威廉·马霍尼三世（William Mahoney III）说。“但高于这个高度的很少。”
新能源经济 由于数据不足，风力发电场的能源预测可能高度不准确，在地形不平的地区建造的风力发电场可能出现高达20%的误差。风的微小变化会产生巨大影响：10英里/小时的风可以产生65千瓦，但15英里/小时的风，同一个涡轮机可以产生300千瓦。山丘和山脉上的复杂气流会产生风切变和湍流，对涡轮机的叶片、齿轮箱和轴承造成压力。由于涡轮机在没有完全理解这些风流的情况下设计，它们的故障率高于预期。无法预料的阵风尤其成问题，因为它们既可能损坏涡轮机，也可能导致输电线突然过载。这种情况类似于航空业的早期，当时飞机设计师们通过试错法工作，因为大气层并未得到充分理解。
能够将平均风速预测到小数点后几位，将产生巨大影响。马霍尼说，实现这一目标的方法是收集缺失的数据。政府、学术界和工业界需要投资于新的风流研究，这将使我们能够真正理解那里发生了什么——并充分利用风能的好处。
4 效率：利用人类行为
挑战 最好的清洁能源和最有效的技术，如果没人愿意使用，就毫无意义。有时，阻力反映了工程上的问题（例如，电动汽车的续航里程短、成本高、充电时间长）。但更多时候，问题在于观念。“我们的默认是现状，我们近视地关注当下，”哥伦比亚大学（Columbia University）研究人们为何从事有风险的环境行为的心理经济学家埃尔克·韦伯（Elke Weber）说。她认为，理解消费者行为是制定有意义的能源政策的核心。
新能源经济 一些帮助消费者克服对改变的抵触的最有效的策略非常简单。韦伯发现，仅仅将节能选项作为默认选择，就能大大提高其接受度。她研究了熟悉的灯泡选择：是购买紧凑型荧光灯泡（CFL）还是选择更熟悉但更耗电的白炽灯泡？（一个普通的白炽灯泡价格为0.50美元，每使用10000小时的成本为49美元。紧凑型荧光灯可能需要3美元，但每使用10000小时的电费仅为11美元。）
在一项调查中，当韦伯将白炽灯泡设为默认选项时（例如，在一个新装修的房屋中），44%的消费者表示会继续选择。但当CFL被设为默认选项时，80%的消费者选择了它们。消费者对CFL有一些抱怨，但似乎最强烈的抱怨之一是改变的麻烦。
纽约大学（New York University）经济学家亨特·阿斯科特（Hunt Allcott）已证明，竞争也能促使人们做出更节能的选择。他研究了总部位于弗吉尼亚州阿灵顿的Opower公司，该公司向用户发送能源“成绩单”，将其能源使用情况与邻居进行比较。
Opower现在将这些比较纳入了美国1500万户家庭的公用事业账单中。阿斯科特（Allcott）的分析表明，收到通知的客户更加关注能源使用，平均比那些未收到邮寄比较的客户少消耗2%的电力。没有政府强制，没有公用事业激励，只是一种更好的沟通方式。
一些公用事业公司正在使用这些信件来定位那些可能不知道自己浪费能源（也浪费钱）的大电力用户。
专家
亨特·阿斯科特（Hunt Allcott） 经济学家，纽约大学
大卫·布莱克威尔（David Blackwell） 地球物理学家，南卫理公会大学
詹姆斯·福尔兹（James Faulds） 主任，内华达矿产地质局
卡尔·加威尔（Karl Gawell） 执行董事，地热能源协会
罗布·格拉姆利希（Rob Gramlich） 高级副总裁，美国风能协会
理查德·卢西（Richard Luthy） 主任，斯坦福大学国家城市水基础设施再造工程研究中心
威廉·马霍尼三世（William Mahoney III） 副主任，美国国家大气研究中心研究应用实验室
帕特里夏·穆罗伊（Patricia Mulroy） 总经理，拉斯维加斯谷水区
托马斯·彼得森（Thomas Peterson） 助理主任，美国国家科学基金会工程局
赛弗·拉赫曼（Saifur Rahman） 主任，弗吉尼亚理工大学先进研究学院
埃尔克·韦伯（Elke Weber） 联合主任，哥伦比亚大学决策科学中心
