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当能源"具有满足人们当前的需求，又不损害后世子孙满足其自身需求的能力"时，就可称为可持续能源（英语：sustainable energy）。[1][2]能源是否永续，要看其对于环境、经济及社会产生何种影响。这些影响包含有温室气体排放、空气污染、能源贫困和排放有毒废弃物等。风能、水力、太阳能和地热能等再生能源也可能造成环境破坏，但通常比化石燃料能源更具永续性。
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不可再生能源在可持续能源中的作用存在争议。核能发电不会产生碳排放，或是空气污染，但有放射性废弃物、核子武器扩散和发生事故风险等缺点。从使用煤碳转向使用天然气具有环境效益（包括降低对气候的影响），但可能会推迟人们使用更永续的能源。发电厂可内建碳捕集与封存（CCS）设施，以捕集二氧化碳，但这项技术价格昂贵，少有实施。
化石燃料提供世界能源消耗量的85%，而此类能源系统排放全球76%的温室气体。发展中国家中约有7.9亿人无电力可用，有26亿人依赖燃烧木材或木炭等会排放污染的燃料来烹饪食物。燃烧生物质来烹饪，加上燃烧化石燃料所产生的污染物估计每年导致全球700万人过早死亡。将全球升温限制在2°C (3.6°F，相对于第一次工业革命之前的平均气温) 需要把能源的生产、分配、储存和消耗方式改变（参见能源转型）。当人们能普遍获得清洁电力时，就能对气候、人类健康和发展中国家的经济提供重大好处。
已提出的气候变化缓解途径，目标为将全球升温控制在2°C (3.6°F)。做法中包括逐步淘汰燃煤发电厂、节约能源、利用风能和太阳能等清洁能源生产更多电力，以及停止使用化石燃料，在交通运输和建筑物供暖方面改用电力。一些由再生能源产生的电力会因风力变化和阳光照射的时间而有间歇性问题。使用再生能源就须将输电网络升级，以及增加储能设施。一些难以电气化的过程可使用经由低排放能源生产的绿氢作为燃料。在国际能源署（IEA）提出的2050年实现净零排放提案中，约有35%的减排量需依靠截至2023年仍在开发中的技术。
于2019年，风能和太阳能产生的电力已占全球的8.5%，且成本仍在持续下降中。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）估计在2016年至2035年间，每年需要将世界国内生产毛额（GDP）的2.5%投资于新能源系统，才有机会将全球升温限制在1.5°C (2.7°F) 以内。政府可就新清洁能源技术的研究、开发和示范提供资助。它们还可实施电气化和建设永续交通基础设施。最后，政府可通过碳定价、建立再生能源组合标准和逐步淘汰化石燃料补贴等政策来鼓励清洁能源部署。这样做也能促进各国的能源独立及提高能源安全。
联合国布伦特兰委员会在1987年提出名为《我们共同的未来》的报告，其中描述永续发展的概念，能源于其中是一关键组成因素。报告将永续发展定义为"一种满足当代人的需要，又不损害后世子孙满足自身需求的能力"。[1]此后，这种描述已在可持续能源的许多定义和解释中被引用。[1][4][5][6]
对于永续性的概念如何适用于全球能源，目前尚无普遍接受的看法。[7]可持续能源的工作定义涵盖永续性的多个维度，例如环境、经济和社会。[6]从历史上看，可持续能源发展的概念一直关注于排放和能源安全两项。而从1990年代初开始，此一概念又扩大到涵盖更广泛的社会和经济层面。[8]
在环境层面的永续性包括温室气体排放、对生物多样性和生态系统的影响、危险废弃物和有毒物质排放、[7]水资源消耗[9]及不可再生资源将耗用殆尽的问题。[6]对环境造成较小影响的能源有时也被称为绿色能源或是清洁能源。在经济层面的永续性涵盖经济发展、能源有效利用和能源安全，以确保每个国家能持续取得充足的能源。[7][10][11]社会层面的议题包括所有人获得负担得起且可靠的能源、劳工权利和土地权利。[6][7]
目前的能源系统已产生许多环境问题，包括气候变化、空气污染、生物多样性丧失、释放有毒物质进入环境中以及水资源短缺。截至2019年，全球消耗的能源中有85%是透过燃烧化石燃料而来。[13]截至2018年，能源生产和消费所产生的温室气体排放占年度人为排放量的76%。 [14][15]于2015年签订的《巴黎协定》，目的在将全球升温限制在远低于2°C (3.6°F) 的范围内，最好不超过1.5°C (2.7°F)。而要实现这一目标，则需尽快减少排放，并在本世纪中叶达成净零排放。[16]
人类燃烧化石燃料和生物质是导致空气污染的主要原因，[17][18]每年估计造成全球700万人过早死亡，其中又以低收入和中等收入国家中的人数最多。[19]发电厂、车辆和工厂燃烧化石燃料是导致酸雨发生的主要原因。[20]空气污染是导致非传染性疾病死亡的第二大原因。[21]估计全球有99%的人口，其居住环境的空气污染水平均超过世界卫生组织（WHO）建议的上限。[22]
使用木材、动物粪便、煤碳或是煤油等污染性燃料烹饪几乎是所有室内空气污染的罪魁祸首，估计每年导致160至380万人的过早死亡，[23][21]这同时也是造成室外空气污染的重要原因。[24]受害者集中在负责烹饪的女性和幼痛身上。[24]
化石燃料造成的环境影响不止在其燃烧。发生于海上的油外泄会危害海洋生物，并可能引发火灾及释放有毒排放。[25]全球约10%的水用于能源生产过程，主要用于火力发电厂的冷却用途。在干旱地区，会因此导致水资源短缺。生物能源生产、煤碳开采和加工以及石油开采也需大量用水。[26]过度伐木和采伐其他可燃材料，燃烧后会对当地环境造成严重破坏，包括沙漠化。[27]
在限制气候变化、维持经济成长和提高生活水平方面，以永续的方式满足现有和未来的能源需求是种严峻的挑战。[28]提供人民可靠且负担得起的能源，特别是电力，对于医疗保健、教育和经济发展非常重要[29]截至2020年，发展中国家有7.9亿人无电力可用，约有26亿人使用会产生污染的燃料烹调食物。[30][31]
改善最不发达国家的能源取得以及提升能源洁净度是实现联合国2030年永续发展目标的关键要点。[32]永续目标涵盖有气候行动及性别平等等一系列议题。[33]永续发展目标7中呼吁"人人获得负担得起的、可靠的、可持续的现代能源"，包含到2030年有普及的电力供应和清洁烹饪设施。[34]
能源效率 - 使用更少的能源而能提供相同的商品或服务，或用更少的商品而能获得类似的服务 - 是许多可持续能源策略的基石。[36][37]IEA估计，提高能源效率可实现《巴黎协定》中将温室气体减排40%的目标。[38]
要节约能源，可透过提高电器、车辆、工业流程和建筑的效率来达成。[39]另一种方法是透过更好的建筑设计和材料回收，而用到更少的材料（通常生产这些材料需要耗用大量能源）。另一种节约能源的做法是行为改变，例如利用视讯会议取代长途出差，或透过骑自行车、步行或公共交通而非驾车进行城市旅行。[40]政府提高能源效率的政策可包括制定建筑规范、最低能源效率标准、碳定价以及开发节能基础设施以鼓励交通方式划分。[40][41]
全球经济能源强度（单位国内生产毛额（GDP）所消耗的能源数量）是经济中的能源效率粗略指标。[42]于2010年，全球能源强度为每美元GDP消耗5.6兆（万亿）焦耳（1.6千瓦时（度））。[42]联合国的目标是能源强度要在2010年至2030年间每年降低2.6%。[43]但近年来此一目标尚未实现。例如在2017年至2018年间，能源强度仅下降1.1%。[43]效率提高后往往会带来反弹效应（参见杰文斯悖论），即消费者将节省下来的钱购买更多能源密集型商品和服务。[44]例如最近交通和建筑方面的效率改进在很大程度上被消费者行为所抵消（他们通常会选择购买更大的车辆和房屋）。[45]
再生能源对可持续能源而言非常重要，因为其通常可加强能源安全，且比化石燃料排放更少的温室气体。[49]再生能源专案有时会引起重大的永续性问题，例如当具有高生态价值的地区转变用于生产生物能源，或是用作风能或太阳能发电场所时，会危及当地的生物多样性。[50][51]
水力发电是最大的再生发电能源，而太阳能和风能发电正在迅速成长。对大多数国家而言，太阳能光电和陆域风能发电是便宜的发电能源。[52][53]对于目前无法享用电力的7.7亿人中，到2030年会有一半以上可透过迷你太阳能光电网等分散式再生能源取得便宜供电。.[54]联合国的目标是在2030年大幅增加再生能源的占比。[34]根据IEA，风能和太阳能等再生能源现已成为常见的发电能源，在全球发电新投资中的占比达到70%。[55][56][57][58]IEA预计再生能源将在未来三年内取代煤碳成为全球发电的主流。[59]
太阳是地球的主要能源，在许多地区都是清洁且丰富的资源。[60]于2019年，太阳能发电约占全球电力供应的3%，[61]主要透过太阳能光电 (PV) 的面板模组实现。预计太阳能光电到2027年将成为全球装置容量最大的发电能源。[59]这些面板模组安装在建筑物顶部或安装在公用事业规模的太阳能园区中。太阳能光电模组的成本迅速下降，推动全球产能强劲成长。[62]在许多地方新太阳能光电的电力成本已较现有燃煤电厂的更为便宜。[63]对未来能源的各种预测都将太阳能光电视为可持续能源组合中的重要成分之一。[64][65]
太阳能光电面板模组的大多数均可轻松回收，但在缺乏监管的情况下并不一定会达成。[66]面板通常含有重金属，如果将其送入垃圾掩埋场，[67]会带来环境风险。一块太阳能面板只需不到两年的时间就能产生足以生产同样面板的电力。如果将材料回收而重复使用，而非完全新造，将会用到更少的能源。[68]
在聚光太阳能热发电的发电方式，太阳光线被透镜/反光镜聚集，加热流体介质，推动热机发电。聚光太阳能热发电可储存热能，在夜间继续发电，用来支持可调度发电。[69][70]太阳热能除可用来发电以外，还可用于为水加热、为建筑物供暖、作干燥用和进行海水淡化。[71]
风力在过去几千年来一直是人类发展的重要推力，为工业过程、水泵和帆船提供动力。[72]现代则透过风力发电机发电，于2019年提供全球约6%的电力。[61]陆域风电厂的电力成本通常比现有燃煤电厂便宜，可与天然气和核能发电竞争。[63]风力发电机也可装置在海上，海上的风力比陆地上更稳定、更强，但建造和维护成本更高。[73]
陆域风电厂通常建在野外或是乡村地区，对景观会有视觉上的影响。[74]虽然蝙蝠和鸟类与风力发电机碰撞，会造成死亡，但其程度低于窗户和架空输电线路所造成的。[75][76]发电机产生的噪音和闪烁的灯光可能会为邻近造成干扰，因此不适合在人口稠密地区附近架设。风力发电不会如核能和化石燃料发电厂般要消耗大量的水。[77]建造风力发电机所需的能量很少。[78]发电机的叶片无法完全回收，目前正研究，以制造更易回收的叶片。[79]
水力发电厂将流动水的能量转化为电能。 于2020年，水力发电占全球电力生产的17%，而在20世纪中后期，水力发电的占比曾经接近20%。[80][81]
传统的水力发电通常是筑坝蓄水，形成水库。传统水力发电厂能提供高度灵活、可调度的电力供应。它们与风能和太阳能发电相结合，以满足电力的尖峰需求，同时在风能和太阳能发电较少时，增加发电作为补充。[82]
川流式发电与筑坝式发电相比，对环境的影响通常较小。然而此种发电能力取决于河流的水量，而河流水量会随着日常和季节性的天气变化而异。水库则提供水量控制，用于防洪和灵活电力输出，同时也为干旱期间的饮用水和灌溉需求提供保障。[83]
水力发电是单位能源产生温室气体排放量最低的能源之一，但不同项目的排放量差异很大。[84]最高的排放量往往发生在热带地区的大型水库。[85]当水库开始蓄水，淹没于其中的生物质在分解后会将二氧化碳和甲烷排放进入大气。森林砍伐和气候变化会导致水库的发电量减少。[82]在不同地点建造大型水库可能会导致当地居民流离失所，并对环境造成严重破坏，潜在的水坝溃决可能会让周围的居民面临危险。[82]
地热能是利用地下深处的热能[86]来发电，或是加热水和为建筑物供暖。使用地热能集中在能经济取得此种热能的地区：需要高温、热量流动和渗透性（流体能够通过岩石的能力）三者结合。[87]电力是经由地下水库产生的蒸气来生产。[88]于2020年，地热能占全球能源生产的比例不到1%。[89]
地热能是一种再生资源，因为热能不断从邻近较热地区补充而来以及天然放射性物质衰变的结果。[90]平均而言，地热能发电的温室气体排放量不到燃煤发电的5%。[84]地热能发电有诱发地震的风险，需要有效保护以避免造成水污染，同时可能会排放有毒物质。[91]
生物质是来自植物和动物的再生有机材料。[92]可燃烧来产生热能和电力，也可转化为生物燃料，例如生质柴油和乙醇，为车辆提供动力。[93][94]
生物能源对气候影响的程度有很大差异，取决于原料的来源及种植方式。[95]例如燃烧木材获取能量会释放二氧化碳，如果在管理良好的森林中用新树取代被砍伐的树木，这些排放量可被大幅抵消，因为新树在生长时会大幅吸收空气中的二氧化碳。[96]然而种植生物能源作物可能会扰乱自然生态系统，导致土地退化，并消耗水资源和化学肥料。[97][98]在热带地区传统上用于加热和烹饪的木材中，约有三分之一是以不可持续的方式采伐。[99]生物能源的材料通常需使用很大能量来采集、干燥和运输，这些过程会排放温室气体。在某些情况下因为土地利用变化、耕种和加工的影响而导致生物能源的整体碳排放量较使用化石燃料为高。[98][100]
在农田种植生物质会导致原可用于生产粮食的土地减少。美国约有10%的车用汽油已被玉米乙醇取代，要耗用玉米收成中很大部分来生产。[101][102]在马来西亚和印尼，砍伐森林以生产用于生质柴油的棕榈油已导致严重的社会和环境影响，因为这些森林是重要的碳汇和多个物种的栖息地。[103][104]由于植物的光合作用仅捕捉阳光中能量的一小部分，因此生产一定数量的生物能源需要大量土地。[105]
由非粮食作物或废弃物生产的第二代生物燃料可减少在粮食生产方面的竞争，但又可能会产生其他负面影响，如与保护区和当地空气污染的权衡。[95]相对上具永续性的生物质来源有藻类（参见藻类生质燃料）、废弃物和在不适合粮食生产的土地上种植的作物。[95]
碳捕集与封存技术可用于捕集生物能源发电厂的排放。这种过程被称为生物能源与碳捕获和储存（BECCS），可产生大气中二氧化碳净移除的结果。但BECCS也可能导致二氧化碳净增加的结果，具体取决于生物质材料的种植、收获和运输方式。在某些气候变化缓解途径中所描述的BECCS部署，需要用到大量农地。[106]
目前海洋能在能源市场中的占比最小。此类能源有海水温差发电法（OTEC）、潮汐能（接近成熟的技术）和波浪能（处于早期发展阶段）。于法国和韩国的两个潮汐拦坝发电系统占全球此类发电量的90%。虽然此类单一设备对环境构成的风险很小，但扩展成大规模后的影响却鲜为人知。[107]
从煤碳改用天然气在永续性方面有其好处。对于生产的特定单位能源，天然气的生命周期温室气体排放量（参见不同能源的生命周期温室气体排放）约为风能或核能排放量的40倍，但远低于煤碳的（燃烧天然气发电时产生的排放量约为煤碳的一半，用于产生热量时的排放量约为煤碳的三分之二）。[108]燃烧天然气产生的空气污染也比煤碳为少。[109]然而天然气本身就是一种强效温室气体，开采和运输过程中的泄漏可能会将其较煤碳具有的优势抵消。[110]遏制甲烷泄漏的技术已广为存在，但少有受到利用。[110]
放弃煤碳，改用天然气可在短期内减少排放，有助于减缓气候变化。但从长远来看，它并不能提供实现净零排放的途径。发展天然气基础设施存在碳锁效应和搁浅资产的风险，新的化石基础设施或是会产生数十年的碳排放，或是必须在获利之前就须废除。[111][112]
利用CCS可显著减少化石燃料和生质能发电厂的温室气体排放。大多数研究所采的假设是CCS可捕集发电厂85-90%的二氧化碳排放量。[113][114]但纵然燃煤发电厂的90%的二氧化碳排放量受到捕集，未捕获的排放量仍比核能、太阳能或风能单位发电量的排放量高出许多倍。[115][116]由于采CCS的燃煤电厂效率较低，因此需要使用更多煤碳，而将与煤炭开采和运输相关的污染升高。 CCS的成本高昂，在很大程度上取决于所处位置是否接近适合将二氧化碳封存的地质条件。[117][118]此种技术的部署数目仍然有限，全球截至2020年只有21座配备有大型CCS设备的发电厂在运作。[119]
核能发电从1950年代起一直被用作低碳的基本负载电力来源。[121]全球有30多个国家的核电厂，其电力产量约占全球的10%。[122]截至2019年，核能发电量在所有低碳能源的占比为四分之一以上，排名仅在水力发电之后。[89]
核电生命周期的温室气体排放（包括铀的开采和加工）与再生能源的相似。[84]核电表面功率密度（即每生产单位电力占用的土地面积）较其他主要再生能源少很多。此外，核电不会造成当地空气污染。[123][124]用于核电厂燃料的铀矿是不可再生资源，但其存量足以提供人类数百至数千年的使用。[125][126]然而目前能够以经济可行的方式取得的铀资源有其限度，铀生产在电力生产扩张阶段很难跟上需求的增加。[127]与具有恢弘目标的气候变化缓解途径中，通常会将增加核电供应作为选项。[128]
关于核电是否为可持续能源存在争议，部分原因是对放射性废料、核武器扩散和事故的担忧。[129]放射性废料必须花费数千年的时间管理，[129]核电厂产生的易分裂材料可用于军武用途。[129]对于生产的每单位电力，核能造成的意外和与污染相关的死亡远少于化石燃料，且核能的历史死亡率与再生能源相当。[115]公众对核能的意见常使核电厂成为政治问题，而难以进行。[129]
几十年来，将建造新核电厂的时间和成本降低一直是个目标，但成本仍然很高，时间跨度也很长。[130]目前有不同的新型核能电厂正在开发中，希望能将传统核电厂的缺点克服。快增殖反应堆能回收放射性废料，因此可显著减少所需的地质处置工作，但尚未能作大规模商业部署。[131]使用钍燃料发电（而非铀）的核电或许能为没有大量铀供应的国家提供更高的能源安全。[132]小型模组化反应器炉较目前大型反应堆可能具有几个优点：可更快兴建，而且这种模组化可让营运透过边做边学的过程把成本降低。[133]
一些国家正进行可控核聚变反应堆的开发工作，这种反应堆会产生少量废弃物，且无爆炸风险。[134]虽然核聚变发电已在实验室中取得进展，但将其商业化和规模化需要花费数十年的时间，表示此法不太可能让全球在2050年达到净零排放的目标上发挥作用。[135]
将全球升温控制在2°C以下所需的减排需要将整个系统内能源的生产、分配、储存和消费改变。[13]对一个社会而言，要用一种能源形式取代另一种，必须将能源系统中的多种技术和行为改变。[61]:202–203以燃油车辆转换为使用太阳能发电的电动载具为例，这个过程需要许多方面的配合:电网升级与改造，及引入电网储能设备以适应太阳能光电输出的间歇性、扩大使用电动载具，以及扩充电动载具的充电设施和维修/保养网络。[137]
许多气候变化缓解途径所设想的三个主要低碳能源面向为：
一些能源强度高的技术和流程很难电气化，例如航空业、航运业和炼钢业。目前有多种选项可减少这些部门的排放：生物燃料和合成碳中和燃料可为许多原本使用化石燃料的车辆提供动力，但生物燃料无法以可持续的方式大量生产，且目前成本非常昂贵。[139]目前电气化最突出的替代方案是开发绿氢作为燃料使用。[140]
将全球能源系统完全脱碳，预计需花费几十年的时间，且大部分可透过现有技术来实现。[141]由IEA发布，全球到2050年实现净零排放的提案中，约35%的减排量将依赖截至2023年仍在开发的技术来达成。.[142]相对不成熟的技术包括有使用电池和制造碳中和燃料的工艺。[143][144]开发新技术需要研发、示范并经由广泛部署以将成本降低。[143]
向零碳能源系统转型将为人类健康带来巨大的共同效益：WHO估计仅透过减少空气污染，将全球升温限制在1.5°C的工作，每年就可挽救数百万人的生命。[145][146]透过良好的规划和管理，到2030年可透过符合气候目标的方式让多数人获得电力和清洁烹饪设施。[147][148]史上一些国家利用煤碳而取得快速的经济成长。[147]然而，如果能有充足的国际投资和知识移转，许多贫穷国家和地区仍有机会透过发展再生能源系统来跳脱依赖化石燃料的困境。[147]
为将风能和太阳能等间歇性能源转化为可靠的电力供应，电力系统需要灵活性。[150]大多数电网都为提供不间断能源（例如燃煤发电厂）而建造。[151]当有越来越多的太阳能和风能电力并入电网，就须对系统进行变革，以确保电力供应与需求匹配。[152]全球于2019年，此类能源发电量的占比有8.5%，且在迅速增长中。[61]
目前已有多种方法可让电力系统更加灵活。在许多地方，风能和太阳能发电在日常和季节范围内有互补的作用：当太阳能发电量在夜间和冬季较低时，风能反能产生较多的电力。[152]透过长距离传输线将不同的区域连结可进一步将间歇性消除。[153]可透过能源需求管理和智慧电网将电力需求高峰进行变动。透过电网储能，可在有需要时释放多余的能量。[152]Power-to-X（利用电力将多余的再生能源转换成其他形式的能量载体 (X) 过程）可以提供进一步的灵活性。[154]
建造冗余的风能和太阳能发电能力有助于确保即使在恶劣天气下也能提供足够的电力。在最佳天气时，如果无法使用或储存多余的电力，则可能要将发电量降低。在用电尖峰时期，可透过使用水力、生质能源或天然气等可调度能源来发电作弥补。[155]
储能有助于克服间歇性再生能源的缺点，是可持续能源系统中的重要功能。[156]最常用的方法是抽水蓄能发电，这种发电方式需用到两个具有相当高低差的水库。[156]电池（特别是锂离子电池），也有广泛的部署。[157]电池通常用于短期储存电力，具有足够能力供整个季节使用的技术也在研究之中。[158]美国自2015年以来，公用事业规模电池的成本已下降约70%，但电池的成本和低能量密度使得它们对于平衡能源生产的季节间变化，而需建立的超大储存能力而言是不切实际。[159]抽水蓄能和电转气（将电力转换为可燃气，再用来发电）已在一些地方实施，可供为时数月的使用。[160][161]
在能源系统中，电力部门进行排放量减少的速度会比其他部门为快。[163]截至2019年，全球有37%的电力由低碳能源（再生能源和核能）生产。其余的由化石燃料（主要是煤碳）提供。[164]减少温室气体排放最简单、最快的方法之一是逐步淘汰燃煤发电厂并增加再生能源发电。[163]
减缓气候变化的途径设想出广泛的电气化 - 用电力取代直接燃烧化石燃料为建筑物供暖和供交通运输使用。[163]积极的气候政策目标是要在2050年之前，将电能占最终能源消耗的比例提高，从2020年的20%提高到40%。[165]普及电力供应的挑战之一是向农村地区提供。例如利用小型，独立式太阳能光电和迷你电网为乡村提供足够的电力，是种重要的解决方案。[166]当有可靠的电力供应，可将发展中国家将常见的煤油照明和柴油发电机的使用减少。[167]
产生和储存再生电力的基础设施需要用到矿物和金属（例如用于制造电池的钴和锂，以及用于制造太阳能面板的铜）。[168]如果产品生命周期配置良好，可透过回收以满足部分制造需求，但实现净零排放仍需大幅增加17种金属和矿物的开采量。[168]这些商品的市场往往由一小群国家或公司主导，而引发地缘政治问题。[169]例如世界上大部分钴是在刚果民主共和国开采，该国的政治并不稳定，采矿往往与人权风险产生关联。[168]将采购的地理范围多样化可确保有更灵活、且较不脆弱的供应链。[170]
氢气是一种能源载体，可降低温室气体排放，在能源领域中受到广泛讨论。[171][172]但前提是氢气必须能以清洁的方式大量生产，才能满足各个部门和应用领域的需求，特别是在更便宜、更节能的减排替代方案有限的情况下。这些应用领域包括重工业和长途运输。[171]
氢可用于燃料电池中发电，或透过燃烧来产生热量。[173]当燃料电池消耗氢气时，唯一的排放物是水蒸气。[173]氢气燃烧会导致有害的氮氧化物形成。[173]氢气的整个生命周期排放取决于其生产方式。目前世界上几乎所有的氢都是由化石燃料所产生。[174][175]主要是采蒸汽重整法 - 蒸汽与天然气的主要成分甲烷发生化学反应而产生氢气。此种过程生产一吨氢气会排放6.6–9.3吨二氧化碳。[176]虽然CCS可消除大部分排放，但截至2021年，从天然气产生氢气的整体碳足迹很难评估，部分原因是天然气本身在开采过程中发生的甲烷排放（包括宣泄排放和泄漏排放）。[177]
使用由可持续方式产生的电力来分裂水分子，可产生可持续的氢气。但这种电解过程目前比在不使用CCS的情况下从天然气制造氢气更为昂贵，且转换效率不高。[140]当间歇式再生电力过剩时，可用于生产氢气，然后储存，再用来产生热或电力。[178]或可进一步转化为绿氨、绿甲醇等液体燃料。[179]发生于水电解设备的创新，可大规模用电来生产氢气，提升成本竞争力。[180]
氢燃料可产生钢铁、水泥、玻璃和化学品工业生产过程中所需的高热，而与其他技术（例如钢铁业的电弧炉）共同促进工业脱碳。[181]对于炼钢来说，氢气可作为清洁能源载体，同时作为替代焦炭的低碳催化剂。[182]用于交通运输氢气可在航运、航空以及较小程度的重型货车中有最大的应用。[183]对于包括乘用车在内的轻型交通工具，氢远不如其他新能源的应用，特别是与纯电动车相比，在未来可能不会发挥重大作用。[184]
氢的缺点包括具爆炸性、较其他燃料的体积大以及容易导致管道变脆，而造成高储存和分配成本。[177]
交通运输产生的温室气体排放占全球的14%，[[186]但有许多方法可让交通运输更具永续性。因为火车和巴士可同时运载更多的乘客，每位大众运输乘客排放的温室气体通常比使用私家车为少。[187][188]短程飞机航班可用高速铁路代替，效率更高，特别是在电气化的情况下。[189][190]推广步行和使用自行车等非机动移动方式，特别是在城市，可让交通更加清洁和健康。[191][192]
汽车的能源效率会随时间不断提高，[193]但转向使用电动载具是实现交通脱碳和减少空气污染的重要一步。[194]与交通相关的空气污染很大部分由道路灰尘以及轮胎和刹车片产生的颗粒物造成。[195]电气化无法大幅减少这些非废气排放源的污染，而需采取诸如减轻车体重量和减少驾驶次数等措施来达成。[196]轻型汽车尤其是使用电池脱碳的重要候选者。目前世界二氧化碳排放量的25%仍由交通部门产生。[197]
长途货运和航空两产业依目前的技术仍难以实现电气化，主要是因为所需的电池重量、电池充电时间和有限的电池寿命问题难以克服。[198][159]通常船舶和铁路货运比航空和公路更具永续性。[199]氢是卡车等大型车辆的可能燃料选项。降低航运和航空排放的许多技术仍处于开发初期，其中氨（由氢而来）是航运燃料的适合候选者。[200]如果能在航空生物燃料制造过程中将排放物捕集及封存，可让使用生物能源成为更好的选择。[201]
全球有超过三分之一的能源消耗是用于建筑物及其建造的用途上。[205]向建筑物供暖，取代燃烧化石燃料和生物质的方案有利用热泵或电热设备（电气化）、地热能、中央式太阳能供暖、废热再利用和季节性热能储存。[206][207][208]热泵透过单一设备即可提供热能和空调用途。 [209]IEA估计将来热泵可满足全球90%以上的空间和水加热所需。[210]
区域供暖是一种高效的建筑物供暖方式，热量在一集中所在产生，然后通过绝缘管道分送到多个建筑物。传统上，大多数区域供热系统都使用化石燃料，但现代和位于寒带的区域供热系统均已使用高比例的再生能源。[211][212]
透过被动式太阳能建筑设计、降低城市热岛效应的规划以及使用管道冷水进行的区域冷却系统，[213][214]可提高建筑物的冷却效率。空调需要大量电力，贫困家庭可能无能力负担。[214]一些空调机组仍使用属于温室气体的冷媒，因为仍有国家尚未批准仅能使用气候友善冷媒的基加利修正案（《蒙特利尔议定书》的附加条款）。[215]
在能源匮乏的发展中国家，人们经常使用木材或动物粪便等污染性燃料来烹饪。使用这些燃料会释放有害烟雾，而且采伐木材会导致森林退化。[216]清洁烹饪设施在富裕国家已经无所不在，[203]普遍采用可大幅改善健康，且对气候产生最小的负面影响。[217][218]清洁烹饪设施，例如产生较少室内油烟的设施，通常使用天然气、液化石油气（两者都会消耗氧气并产生二氧化碳）或电力作为能源，在某些情况下，生物燃气是一种有前途的替代方案。[203]改良的炉灶比传统炉灶更能有效燃烧生物质，是转型到清洁烹饪系统之前的短期解决方案。[219]
工业消耗的能源超过全球的三分之一。大部分用于产生热量、进行干燥和冷却之用。 于2017年，再生能源在工业中的占比为14.5% - 主要是生物能源和电力提供的低温热能。工业中能源密度最高活动中，使用再生能源的比例最低，因为它们仅能产生不高于200°C (390°F) 的温度。[220]
对于某些工业流程，需要将尚未建成或大规模运作的技术商业化，以将温室气体排放消除。[221]例如炼钢很难电气化，因为传统上它使用焦炭，既能产生非常高的温度，又可作为钢铁本身的成分。[222]塑胶、水泥和化学肥料的生产也需要大量能源，脱碳的可能性有限。[223]转向循环经济将让工业更具永续性，因为开采和提炼新原料所需的能源远高于将材料回收所需的。[224]
政府透过精心设计的促进能源转型政策可同时降低温室气体排放和改善空气质量，在许多情况下还可提高能源安全并减轻使用能源的财务负担。[226]
世界各地自1970年代开始即使用环境法规来促进能源更永续的利用。[227]一些政府已承诺逐步淘汰燃煤电厂，并结束新化石燃料勘探。政府会要求新车零排放，或新建筑使用电力而非瓦斯取暖。[228]一些国家的再生能源组合标准要求公用事业公司升高再生能源发电的比例。[229][230]
政府可透过引领建设长距离输电线路、智慧电网、氢气管道等基础设施来加速能源转型。[231]在交通运输领域，适当的基础设施和激励政策可提高出行效率并减少对汽车的依赖。[226]阻止都市扩张的规划可减少当地交通和建筑的能源使用，同时提高生活品质。[226]政府资助的研究、采购和激励政策历来对于太阳能和锂电池等清洁能源技术的发展和成熟有重要的作用。[232]在IEA发布，全球到2050年实现净零排放能源系统的设想中，公共资金将被迅速动员，将一系列更新的技术引入示范阶段，然后进行部署。[233]
碳定价（例如对二氧化碳排放征税）可激励产业和消费者减少排放，同时让它们选择如何进行。例如他们可转而使用低排放能源、提高能源效率，或是减少使用能源密集的产品和服务。[234]碳定价在一些司法管辖区遭遇到强烈的政治阻力，而采行特定目的的能源政策往往会具有更高的政治安全性。[235][236]大多数研究结论显示为将全球升温限制在1.5°C，除制定碳定价外，尚需辅以严格的能源政策。[237]截至2019年，全球大多数地区的碳价格过低，将难以实现《巴黎协定》中设定的气候目标。.[238]碳税成为一种收入来源，可用其降低其他的税收[239]或帮助低收入家庭负担更高的能源成本。[240]欧盟和英国等一些政府正在探索实施环保关税，[241]对从气候政策较不严格的国家进口产品征收关税，以确保境内受碳价格影响的产业能维持竞争力。[242][243]
但截至2020年，启动改革的规模和步伐远低于能实现《巴黎协定》气候目标所需。[244][245]除各国制定与实施国内政策外，还需加强国际合作，以加速创新并帮助较贫穷国家建立一条实现全面取得可持续能源之路。[246]
各国可支持再生能源以创造就业机会。[247]国际劳工组织估计将全球升温限制在2°C的做法将可为大多数经济部门创造出就业机会的净增加。[248]报告预测到2030年，再生能源发电、提高建筑能效以及向电动车转型等领域将可创造2,400万个新的就业机会，而采矿和化石燃料等产业将失去600万个工作机会。[248]政府可透过确保以化石燃料产业为生的从业者和地区实现公正转型，让他们有替代经济出路，最终导致可持续能源转型在政治和社会上更为可行。[147]
要达成能源转型，先决条件是能筹集足够的资金用于创新和投资。[250]IPCC估计将全球升温限制在1.5°C之内，于2016年至2035年间每年需投资2.4兆美元于能源系统。许多研究报告认为这种占全球GDP2.5%的支出远小于其在经济上和健康上能取得的利益。[251]预计到2050年，低碳能源技术和能源效率的年均投资需比2015年增加六倍。[252]资金不足的状况在最不发达国家尤为严重，这类投资对私部门不具吸引力。[253]
《联合国气候变化纲要公约》中估计全球于2016年的气候融资总额为6,810亿美元。[254]其中大部分是私部门在再生能源部署的投资、公共部门对永续交通的投资以及私部门在能源效率的投资。{sfn|United Nations Framework Convention on Climate Change|2018|p=9}}参与签署《巴黎协定》的发达国家承诺每年向贫穷国家额外提供1,000亿美元，用于减缓和调适气候变化。然而这一目标尚未实现，且由于会计规则不明确而让对进展的衡量难以进行。[255][256]在交通运输领域，可持续能源如氢气和合成燃料到2050年可能占能源消耗的20%到30%之间。而在工业领域，其使用量可能达到总能源消耗的5%到20%之间，如果化工、肥料、陶瓷、钢铁和有色金属等高耗能产业投入大量研发资源，此比例可能会更高。[257][258]
目前持续对化石燃料产业的融资和提供补贴是能源转型的重大障碍。[259][250]于2017年，全球对化石燃料的直接补贴为3,190亿美元。 如果计入间接成本（例如空气污染的影响），[260]这一数字将上升至5.2兆美元。取消这些补贴可能导致全球碳排放量减少28%，源于空气污染的死亡人数减少46%。[261]COVID-19大流行并未对清洁能源的资金挹注造成影响，反倒是相关的经济刺激计划也为绿色复苏带来契机。[262][263]
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