编者按：鉴于奥巴马政府重新关注如何在不使大气中充满温室气体的情况下为国家提供动力，我们发布了 2006 年 9 月刊的这篇文章。
如果我们诚实地面对，世界上较富裕国家的大多数人都会承认我们喜欢我们的交通系统。它们允许我们随时出行，通常是门到门，独自一人或与家人朋友同行，并携带行李。看不见的货物配送网络为我们提供货物，并支持我们的生活方式。那么，为什么要担心未来，尤其是担心驱动我们交通的能源可能会对我们的环境产生什么影响呢？
原因在于这些系统的规模以及它们看似不可阻挡的增长。它们以难以想象的规模使用石油燃料（汽油和柴油）。这些燃料中的碳在燃烧过程中被氧化成温室气体二氧化碳，而它们的大量使用意味着进入大气层的二氧化碳量同样巨大。交通运输占全球温室气体排放量的 25%。随着发展中国家迅速实现机动化，全球对燃料的需求不断增加将对控制大气中温室气体的浓度构成最大的挑战之一。美国轻型车辆（汽车、皮卡、SUV、厢式货车和小型卡车）目前每年消耗 1500 亿加仑（5500 亿升）汽油，或每人每天消耗 1.3 加仑汽油。如果其他国家以相同的速度燃烧汽油，全球消耗量将增加近 10 倍。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑订阅以支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
展望未来，我们有哪些可能性以可接受的成本使交通运输更加可持续？
我们的选择
有几个选择可以产生重大影响。我们可以改进或改变车辆技术；我们可以改变我们使用车辆的方式；我们可以缩小车辆的尺寸；我们可以使用不同的燃料。我们很可能必须全部做到这些，才能大幅减少能源消耗和温室气体排放。
在研究这些替代方案时，我们必须牢记现有交通系统的几个方面。首先，它非常适合其主要背景，即发达国家。几十年来，它有时间发展，以便在经济成本与用户需求和愿望之间取得平衡。其次，这个庞大的优化系统完全依赖于一种方便的能源——石油。而且，它已经发展出与这种高能量密度液体燃料很好地匹配的车辆运行技术——陆地上的内燃机和用于航空的喷气发动机（燃气轮机）。最后，这些车辆的使用寿命很长。因此，快速变化是双倍困难的。限制然后减少交通能源对当地和全球的影响将需要几十年。
我们还需要记住，效率评级可能会产生误导；重要的是实际驾驶中消耗的燃料。今天的汽油火花点火发动机在城市驾驶中的效率约为 20%，在其最佳工作点的效率为 35%。但是，许多短途旅行中，发动机和变速箱都是冷的，再加上寒冷的天气和激进的驾驶，都会显著降低油耗，发动机怠速时的相当长时间以及变速箱的损失也会降低油耗。这些真实世界的驾驶现象会降低发动机的平均效率，以至于只有大约 10% 的储存在油箱中的化学能量真正驱动车轮。阿莫里·洛文斯 (Amory Lovins) 是一个大力倡导更轻、更高效车辆的人，他这样表示：对于一辆效率为 10% 的车辆，加上驾驶员、一名乘客和行李——大约 300 磅的有效载荷，约为车辆重量的 10%——“只有 1% 的燃料能量在油箱中真正移动了有效载荷。”
我们必须在我们的计算中包括生产和分配燃料、使车辆在其 150,000 英里（240,000 公里）的寿命内行驶以及制造、维护和处置车辆所需的成本。车辆运行的这三个阶段通常称为“从油井到油箱”（这一阶段约占总寿命能源使用和温室气体排放的 15%）、“从油箱到车轮”（75%）和“从摇篮到坟墓”（10%）。令人惊讶的是，生产燃料和车辆所需的能量并非微不足道。当我们考虑不来自石油的燃料和新型车辆技术时，这种全面的生命周期核算变得尤为重要。重要的是在这个整体意义上被使用和排放的东西。
改进现有的轻型车辆技术可以做得很多。通过投入更多资金来提高发动机和变速箱的效率、减轻重量、改进轮胎和减少阻力，我们可以在未来 20 年左右将油耗降低约三分之一——平均每年提高 1% 到 2%。（这种减少每辆车将花费 500 美元到 1000 美元；在未来可能的燃料价格下，这个金额不会增加所有权的终身成本。）在过去的 25 年中，这些类型的改进一直在稳步发生，但是我们购买了更大、更重、更快的汽车和轻型卡车，因此我们有效地为了其他属性而牺牲了我们本可以实现的利益。虽然在美国最为明显，但这种向更大、更强大的车辆的转变在其他地方也发生了。我们需要找到激励买家利用降低油耗和温室气体排放的潜力来实际节省燃料并控制排放的方法。
在短期内，如果能够减少车辆的重量和尺寸，并且如果买家和制造商都可以不再追求不断增加的马力/性能，那么在发达国家，我们或许可以减缓石油需求的增长速度，在 15 到 20 年内将其稳定在比当前需求高约 20% 的水平，并开始缓慢的下降路径。这个预测似乎不够激进。然而，它既具有挑战性，又与我们目前每年约 2% 的石油消耗量稳步增长的轨迹截然不同。
从长远来看，我们还有其他选择。我们可以开发替代燃料，以取代至少一部分石油。我们可以转向使用氢气或电力的新型推进系统。我们可以在设计和鼓励接受更小、更轻的车辆方面走得更远。
除非替代燃料与现有的分配系统兼容，否则替代燃料的选择可能难以实施。此外，我们目前的燃料是具有高能量密度的液体：低密度燃料将需要更大的燃料箱或提供的续航里程比今天的大约 400 英里要短。从这个角度来看，一种突出的替代品是非传统石油（油砂或焦油砂、重油、油页岩、煤）。然而，将这些来源加工成“石油”需要大量其他形式的能量，例如天然气和电力。因此，所使用的工艺会排放大量的温室气体，并对环境造成其他影响。此外，这种加工需要大量的资本投资。然而，尽管存在更广泛的环境后果，非传统石油资源已经开始被开采；预计它们将在未来 20 年内提供约 10% 的交通燃料。
生物质燃料，如乙醇和生物柴油，通常被认为每单位能量排放的二氧化碳更少，也已经在生产中。在巴西，用甘蔗制成的乙醇约占运输燃料的 40%。在美国，大约 20% 的玉米作物被转化为乙醇。其中大部分以 10% 的比例与汽油混合，即所谓的重整（清洁燃烧）汽油。美国最近的国家能源政策法案计划到 2012 年将乙醇产量从目前占运输燃料的 2% 翻一番。但是，目前在用玉米生产乙醇时消耗的化肥、水、天然气和电力将需要大幅减少。用纤维素生物质（通常不用作食物来源的植物的残渣和废物）生产乙醇有望更高效，并降低温室气体排放。它还不是一个商业上可行的过程，尽管它很可能变成这样。生物柴油可以由各种作物（油菜籽、向日葵、大豆油）和废弃的动物脂肪制成。现在少量生产的生物柴油与标准柴油燃料混合。
生物质燃料的使用很可能会稳步增长。但是，考虑到大规模将生物质作物转化为燃料对环境影响的不确定性（对土壤质量、水资源和整体温室气体排放的影响），这种来源将有所贡献，但不太可能在短期内主导未来的燃料供应。
天然气在世界各地的交通运输中的使用量从不足 1% 到少数几个税收政策使其经济的国家占 10% 到 15% 不等。在 20 世纪 90 年代，天然气进入美国市政公交车队以实现较低的排放；具有有效尾气净化的柴油现在被证明是一种更便宜的选择。
那么，新的推进系统技术呢？可能的创新将包括显著改进的汽油发动机（例如，使用带直接燃油喷射的涡轮增压器）、更高效的变速箱以及带有催化剂和尾气中颗粒捕集器的低排放柴油，或许还会包括新的燃料燃烧方法。混合动力汽车，它结合了小型汽油发动机和电池供电的电动机，已经上路，产量正在增加。这些车辆在城市驾驶中使用的汽油明显减少，在高速公路速度下的效益较低，并且购买成本要高出几千美元。
研究人员正在探索更激进的推进系统和燃料，特别是那些具有较低生命周期二氧化碳排放潜力的推进系统和燃料。一些组织正在开发以氢为动力的燃料电池汽车，并采用带有电池和电动机的混合动力形式。此类系统可以将车辆效率提高一倍，但大部分效益会被制造和分配氢气所消耗的能量和产生的排放物所抵消。如果氢气可以通过低碳排放工艺生产，并且可以建立一个实际的分配系统，那么它就具有低温室气体排放的潜力。但是，在基于氢气的交通运输成为现实并产生广泛影响之前，还需要技术突破和几十年。
当然，氢气是一种能量载体，而非能源。电力是另一种有希望在不释放二氧化碳的情况下产生能量的能量载体，许多研究团队正在研究其在交通运输中的应用。主要的挑战在于研发出能够储存足够能量以满足合理行驶里程，且成本可接受的电池。一个技术障碍是电池充电时间过长。我们习惯于在四分钟内加满 20 加仑的油箱，但可能需要等待几个小时才能给电池充电。解决电动汽车续航里程限制的一个方法是插电式混合动力汽车，它配备一个小型发动机，在需要时为电池充电。这样，使用的能量大部分可以是电力，只有一部分是发动机燃料。我们尚不清楚这种插电式混合动力技术是否会在市场上广泛受欢迎。
除了采用改进的推进系统外，改用更轻的材料和不同的车辆结构可以在不缩小尺寸的情况下减轻重量并提高燃油效率。显然，将更轻的材料和更小的车辆尺寸相结合会产生更大的效果。也许未来我们使用车辆的方式将与我们今天对“通用车辆”的期望大相径庭。未来，专门为城市驾驶设计的汽车可能更有意义。例如，大众汽车有一款小型双人概念车原型，重 640 磅（290 公斤），每 100 公里消耗一升汽油（约合每加仑 240 英里——现有美国轻型车辆平均每 100 公里消耗 10 升，或略低于每加仑 25 英里）。有人认为缩小尺寸会降低安全性，但这些问题可以尽量减少。
促进变革
更好的技术无疑会提高燃油效率。在发达国家，市场甚至可能会采用足够多的这些改进措施来抵消预期的车辆数量增长。而且，在未来十年及更长时间里，汽油价格几乎肯定会上涨，这将促使消费者在购买和使用车辆的方式上做出改变。但是，仅靠市场力量不太可能抑制我们对石油日益增长的需求。
为了从这些未来的改进中实现燃料减少的效益，需要采取一揽子协调的财政和监管政策。有效的政策包括“费率”计划，即客户购买大型耗油汽车时支付额外费用，但如果购买小型、节油车型则可获得退款。“费率”计划与更严格的企业平均燃油经济性（CAFE）标准相结合效果良好——换句话说，就是制定法规要求汽车制造商生产消耗更少燃料的产品。在该方案中增加更高的燃料税将进一步促使人们购买节油车型。税收优惠可以刺激新技术的生产设施更快地发生变化。所有这些措施可能是我们继续前进所必需的。