——技術的發展能否解決二者之間的矛盾

　　Rudolf Petersen

　　1 總 論

　　在所有的工業化國家中，客運交通都高度依賴于汽車這一交通工具。盡管交通阻塞和區域大氣污染使環境保護主義者迫切呼吁建立可持續發展的交通系統，但汽車在今后的幾十年中還將繼續保持著其主導地位。為了減輕環境的壓力和污染排放對人體健康的不利影響，幾乎所有的國家都實施了污染排放標準，特別是在大城市和衛生城環繞的大都市。美國和日本已經著手于低排放機動車的技術開發。歐共體從80年代中期就已經開始實施嚴格的機動車技術標準，以便減少機動車交通帶來不利影響。在美國最近(1990年)頒布的《清潔空氣法修正案》的強制下，超低污染排放技術有了進一步的發展。目前，加利福尼亞發起了開發引導使用零排放汽車，即電動車的運動，這一運動意味著將從2003年正式開始使用電動車。

　　是否存在解決汽車和城市環境之間的矛盾的辦法呢?在這方面我們確實取得了很大的進步，但結果是我們的努力仍沒能成功地通過技術手段在所有人口密集地區解決環境和公共健康的問題。所以目前還沒有達到“可持續發展的交通”的目標。現在，礦物燃料燃燒排放的二氧化碳所引起的溫室效應，對于機動車的設計者和工程師又增加了一項挑戰。我們必須在機動車設計、交通運輸和城市規劃中尋求新的解決方法來滿足可持續發展的要求。

　　今天汽車的制造和優化選擇并不是為了城市的交通。它們的設計是為了在運載五名乘客和大量行李的情況下，高速行駛。在多數交通狀況下，汽車發動機過大，造成低效率能源和高排放污染物。目前，為城市交通而設計的轎車還沒有進入市場。這種轎車應當是：可供5名乘客進行舒適的旅行，使用的卻是小型但高效的發動機，每小時可行駛 80或 100km以下，并且能夠達到超低排放和超低噪聲。它們可提供用于保證乘客安全的所有設備，并通過電子設備輔助駕駛員對采用非機動化交通成員作出適當的反應。

　　從長遠的角度來看，汽車必須進行一定的改進以便使其對人和自然的負面影響減少到1/10。目前，還沒有足夠的技術手段來達到此目標。通所指有關電動車和燃料電池的概念具有明顯的缺陷，能源的平衡仍然是一個關鍵問題。只有采有非礦石燃料，才能完成這種生態循環。

　　以機動車為主的城市交通規劃，即使利用“綠色汽車”，其結果也只能是進入死胡同。有限的空間是城市交通問題的主要功能性缺陷。傳統的歐洲城市模式，仍然為采用更好的公共交通和具有更高比例的非機動車交通提供了余地。這兩種交通方式都比汽車交通更具有優勢。在公共和私人交通之間還可以增加新的交通模式。將富裕的國家已經建立可供選擇的替代結構提供給發展中國家，以支持它們建立可持續發展的交通是很重要的。這可以避免重蹈西方國家覆轍。

　　2 導言：機動車與環境

　　在所有工業化國家中，機動車數量的增長都造成了嚴重環境破壞、并通過大氣污染和噪聲影響居民。盡管已在70年代初引入機動車污染和噪聲排放的標準，并從那時起進行十分嚴格的控制，但汽車總體數量的增長大掩蓋了汽車本身的技術改進。

　　隨著歐共體出臺的同美國相類似的嚴格的轎車排放標準，以及關于限制未來汽車尾氣排放的最新決定，歐共體已表明了要集中現有的技術來發展更清潔的

　　機動車的決心。 然而，長期的調整措施并不一定能解決有關我們國家汽車使用的重大問題。參考美國的情況可看出美國在汽車尾氣排放這一領域取得的技術進步，并不足以達

　　到國家環境空氣質量標準(NAAQS)，也不符合氣候政策目標。這主要歸咎于機動車數量的增加和機動車行駛里程的增長(VMT)。歐洲面臨著類似的情況：很多的方案都預見了轎車在數量上以及同商用機動車(貨車和面包車)分擔的貨運中的份額上都會有更大的增長。公共交通和鐵路貨運交通已經失去了其市場份額，并且這種狀況還將繼續下去。

　　汽車系統可以看作是一個具有正反饋效應的系統。汽車使用量的增加，引起了交通的功能方面的問題，這可以通過增加道路建設來解決，然而這又會引起額外的交通需求。同時，非機動車交通模式和公共交通的情況正日趨惡化，交通空間的結構越來越適合汽車發展的需要。

　　毫無疑問當今全球規模性的氣候變化，主要是由于排放具有溫室效應的氣體造成的。OECD(經濟合作和發展組織)國家排放了25%的二氧化碳，它們大部分是富裕并且工業化程度很高的國家的機動車排放。因此這些國家必須采取行動來穩定和減少污染的排放來平衡氣候變化。另一方面，發展中國家面臨著對更高機動化的交通的迫切需求。如果這些發達國家不徹底減少它們的能源消耗(尤其是石油和煤)，就沒有機會在世界范圍內實現可持續發展。

　　盡管有對于第三世界國家人口爆炸性的增長問題的種種擔心，我們仍需指出工業化的國家交通部門的貢獻率在持續增長，我們注意一下，交通方面每年平均增加大約1900萬t二氧化碳，其中大約不到50%(少于 870萬 t)為非OECD國家貢獻，也就是85%的非 OECD國家的二氧化碳排放的增長占不到50%。貧富國家之間的財富差距不但在不斷增大，而且富裕的國家對環境問題和不斷增多的資源浪費負有相對完全的責任。很明顯這種行為是不可持續的。

　　將可持續原則應用于交通可得出這樣結論：以汽車為中心的交通體系在很多方面是不可持續發展的;它對能源資源需求過大，改變全球的氣候，排放有毒致癌物質，使數百萬人喪命，更多的人受到傷害，令人們暴露在有害的噪聲中，嚴重的破壞了自然環境等等。機動車對環境的負面影響在城市環境中表現得尤為突出。人們更嚴重地暴露在被污染的氣體和噪聲中，生活在發生意外事故和失去公共空間的恐懼之中。汽車占據了本可以用于城市生活和經濟活動的有限空間，居民只有到鄉村尋找更健康的生活環境。他們每天乘著汽車從鄉村進入城市地區，這樣使交通情況變得更糟。

　　盡管有這種關于汽車對城市的破壞力而引起的哀嘆，但汽車在過去的數十年中越來越普遍了，城市規劃者未能改變這一過程。汽車仍然而頗為人們所接受;除了在特殊的地理和政治情況下，如新加坡，好像不存在禁止或限制汽車的使用和組織不同的交通方式的機會。在世界其它地區，車輛的機動化還在不斷的增高。還沒有跡象表明，美國大眾要改變他們對汽車的態度。在歐洲、前中央計劃經濟國家、亞洲和拉丁美洲情況也是如此。甚至在最貧窮的非洲國家，大城市汽車的隊伍也在穩定地增長。

　　從理性的觀點看，可以在公共交通和非機動化的交通方式基礎上，有效地組織城市的運輸。在這方面歐洲國家——瑞士是很好的典范。但是多數情況下，只要人們經濟上能夠承擔得起，就會購買汽車，由此又形成一種前面提到的惡性反饋循環體系。因此機動車在趨于富裕的社會中會不可避免地成為一種大眾現象。

　　如果我們還希望達到交通的可持續發展，那就不得不從新技術尋求解決方法，使人們的生活中既可以使用汽車，又能將其負面的作用降低到人們可承受的程度。對于反對機動車的評論，汽車制造商常用未來的技術會解決所有的問題來回答。電動車和氫燃料電池就是“未來”解決方法的實際例子。盡管對這個問題已經討論了數十年，我們仍希望將來能有最后的解決辦法，以允許我們更廣泛的使用汽車。

　　如果我們能夠接受目前并不存在的運輸系統，作為可持續交通警的技術解決方法的事實，我們就應進行選擇：是繼續使用我們喜愛的汽車，并且在不可持續方面越陷越深;或者，告別大量使用汽車的方式。

　　本文將討論更具有可持續性的交通體系的技術選擇。國際的非政府組織對汽車的發展狀況研究已經進行了分析。為定義可持續性，這里采用實用的方法，指適合最近OECD國家研究的標準。見表1。

　　符合這些標準不僅有技術上的要求，而且要求改變投資的優先性和汽車使用者的行為。在這里，我們集中在技術方面。

　　為了進一步具體“未來”所包含的內容，我建議如IPCC一樣選擇2010年和2050年為準。德國的議會在其“保護地球大氣的防護措施”中也提到的這幾個年份。還必須指出 2005年，2005年將要第一次嘗試將溫室效應氣體的排放比 1987年降低25%。但很明顯，在今后的 8年，不會有新技術進入市場。2005年汽車將同今天使用的汽車很類似，可能在燃料的消耗上會減少幾個百分點，在有毒氣體的排放上，減少50%。這在可持續性上并沒有突破，到那時交通方面二氧化碳排放可能沒有實質性減少。

　　以新技術為基礎的2020年汽車隊伍的更新會要求現在或2000年進行政治性和經濟性的決策，以便為汽車工業的研究及發展方面的規劃提供基礎。這樣現在就為我們展現了2020年更加引人關注的前景。

　　2050年好像很遙遠，但是要將這些政策有效地付注實施，這確實是相對很短的時間。這一年份可以作為我們必須“完成生態循環”的時刻：即已達到真正的零排放(不同于加利福尼亞，只將問題從某一特定的地區轉移出去的作法)，并實現全部供應可再生能源。

　　3 汽車未來的技術選擇

　　目前，三個旨在減少汽車能耗和排放的主要發展領域是：

　　(1) 高效的內燃機(達到50%)

　　(2) 能源儲備系統(特別作為內燃機的替代產品);

　　(3) 減輕機動車體重量以減少行駛的能源需求，重量減輕可達40%-50%。

　　在本文我們將把重點放在傳統內燃機(汽油機和柴油機)的改善，代用燃料、電動車和燃料電池的發展上。對各種未來的汽車來說，減少車輛的重量都是一個迫切的要求，因為車輛質量和能源消耗相互之間關系很密切。

　　3.1 短期的選擇：傳統技術的優化

　　采用現代的尾氣排放控制手段是由先進的美國、日本和歐洲法規所規定的。自80年代初以來，高質量的無鉛汽油、三元催化和閉環控制已得到認可(在歐洲：大約開始于1985年)。柴油機的排放標準也更加嚴格。研究和發展的重點是在氮氧化物和微粒物的改善上。隨著一些車型已達到歐洲最新頌布的EURO IV標準，傳統汽車技術將要達到使繁忙的路段周圍環境空氣質量也能達標。

　　但是能量的消耗和二氧化碳的排放仍然是懸而未決的問題。機動車的總效率很低主要有2個原因：過大的發動機;車的重量過重，特別是轎車。1年中，大多數的時間只有1人開車上下班、購物或到其它地方。每天汽車只平均使用幾分釧(在德國城市和有衛星城的大城市大約平均45到50分鐘)，速度在每小時50km以下，大概僅在高速公路上有幾分鐘會達到每小時80-100km。

　　很時顯，今天的汽車并不是按此目標制造和優化的。它們可以容納5名乘客和大量的行李，行駛時速可達到200km或更高(目前在德國銷售30%的轎車最高時速超過180 km)，它們的發動機在多數交通狀況下動力過剩。發動機平均排量、汽車尺寸和重量幾乎每年都在增加。替代前一車型的新車型都速度更快，體積更大，發動機動力更大并且更重。這樣，就更加偏離實際需要了。

　　為滿足交通和環境情況的挑戰而設計的汽車還沒有進入市場;它為4名乘客提供了空間，裝備2000瓦的發動機可達到時速80-100km，特別低的排放再加上最低的噪聲，具有在這種低車速下保證乘客安全的所有設備，并且使駕駛員能對采用非機動交通方式參與者的行為做出負責的反應(常速行駛的車速控制在每小時30-50 km)。為家庭周末設計的稍大的車型，燃燒效率仍應高于每100 km消耗2-3公升汽油(柴油機，見此后敘述)。

　　這種車能滿足我們今天大部分的交通運輸需要。它并不是新增添的一種“城市車”，而是能夠在大多數情況下代替普通車。依賴現有的技術同一九九五年的標準相比，有毒物質的排放減少1/5。由于采用發動機限速器和已改進的密閉艙，城市內的噪聲會基本與目前水平相同，而市中心噪聲水平可減少 3-5dB(A)。

　　盡管這里應用的傳統技術沒有達到前面定義的可持續性的目標，但是因為所有的組成部分都已得到了證明并且可以利用，這些技術可以在很短的時間內取得進展。它們的使用有助于減少燃料的消耗和平均降低轎車50%的氣體排放。

　　問題和前景

　　由于熱力學的原因，內燃機最理想的效率大約是45%-55%。能源效率最高的內燃機是直噴式柴油機。盡管氮氧化物和微粒物的排放水平還較高，目前美國研究的“新生代汽車的伙伴”直噴式發動機是達到每加化行駛80 km目標的最好選擇(美國中型六座的家庭車每100 km耗2.8公升汽油)。 根據德國聯邦環境署的調查，目前柴油機的微粒排放是城市地區與大氣污染造成癌癥的主要原因。與其它物質的排放不同，事實上機動車排放的柴油機微粒并沒有技術上的杜絕方法。因此根據表1，柴油機不在可選擇范圍之內。

　　3.2 可替代燃料

　　新的替代燃料或能源能否解決目前進退兩難的情況?它們能否為可持續發展提供技術上的途徑?

　　由于70年代初期的石油危機，大量資金投入用于發展“代用“燃料。以便不依賴石油輸出國家組織。如今與那些燃料特性有關的排序已經改變：在美國，有關的研究開發工作并非是由于對囤積石油的危險性的擔憂，而是為了達到更低的污染排放。致力于降低二氧化碳排放的組織和政府也在密切關注可代用燃料。

　　目前，關注的焦點在兩種替代燃料上：首先是從天然氣或各種生物原料生產的酒精。因為酒精在其化學結構上含氧，燃燒比汽油更充分，排放更少的碳氫化合物和一氧化碳。這是目前在美國正進行有關討論的主要原因。

　　一般認為，來源于天然氣產生的甲醇燃料的二氧化碳的排放情況并不比汽油和柴油更好，從煤炭生產獲得的甲醇，則會產生更多的二氧化碳。

　　幾乎所有的植物都生產乙醇。根據植物的具體生理功能，在耕種，收獲和化學加工過程中要考慮能量的需求，以便計劃凈二氧化碳收益。在能源的輸入來源于生物原料的情況下，如甜菜、馬鈴薯、小麥或玉米，對這類植物來說能源的收益大約有10%-20%。對于大規模生產生物原料，其生態方面的影響應給予認真的考慮。巴西的乙醇計劃已在這方面產生嚴重問題。

　　第二類代用燃料是為了替代柴油機燃料。在德國特別推薦菜籽油用于柴油機。盡管一些研究已成功地在柴油發動機中燃燒未經重整的菜籽油，但是由于閥門和活塞的堵塞現象，使它看起來并不能滿足耐久性的需要。通過化學處理將菜籽油變為甲基酯就可解決這個問題，但是這需要進一步消耗能量。平衡計算在耕種(包括化肥和除草劑)、收獲和加工過程的能量的輸入和輸出，預計這中途徑的二氧化碳凈收益同柴油機燃料相比大概可達20%-25%。預計法規控制的排放物與使用柴油燃料處于同一水平。但是也有很多人反對這項替代，因為它排放的NO2具有很大的溫室效應。在歐洲只有小部分的柴油市場能被取代，這種替代原料價格十分昂貴。

　　液體燃料如酒精和菜籽油因為其簡單的儲存方式，被認為是汽油和柴油燃料較好的替代品。氣態的燃料，壓縮或者液化的天然氣(CNP，LNP)和液化石油氣(LPG)也可以應用于傳統的內燃機，但是需要特殊的昂貴的儲存設備。能源的輸入，特別是用于壓縮或液化天然氣的過程，惡化了能量和二氧化碳的平衡。

　　然而由于與使用來自礦物油的燃料相比，這些燃料有更低的碳含量，因此使用這些燃料會帶來二氧化碳方面的收益。另外使用裝有催化器的汽車，若使用氣態燃料時，其法規規定的污染排放物比汽油發動機要低。

　　問題和前景

　　生物質燃料的生產成本會使其市場價格高于化石燃料。如果因環境的原因而決定使用它們——這需要因為有關工業化農業和大規模生產過程所產生的一些生態問題而對它們進行研究——并且如果從當今燃料價格的基礎上轉而使它們，需要巨大的投資。在另一方面，如果原油的價格成倍增長，那么其價格會有競爭性。

　　如今，通過使用更好的發動機和“小型化”來節省燃料，比代用燃料具有更高的成本效益。

　　3.3電動車(EVS)

　　電池機動車的又被稱為“車輪上的能量轉折”。這描述了其主要的問題：它有限的能量儲存量將電動車每天行駛的里程限制在100km。根據電化學的基本原理，電池的能量儲存系統總是比燃料差。它們的能量密度要比柴油機燃料低100倍。更不方便的是重新充電的時間和在攝氏10。C以下溫度中運行時的問題。

　　在供給環節中能量的損失很大：在德國，來源于網絡每千瓦時的電，要損失200瓦時的初級能量，另外在充電的時候要損失15%-18%的能量。最后只有幾百瓦小時(在300瓦時的中的初級能量)能夠用來推動笨重的電動車。

　　因為電池的價格過高和對于基礎能源的過度使用，電動車在經濟上并不具有生命力。由于電池使用的壽命有限，因此駕駛一輛電動車是非常昂貴的：依賴于其采用的技術，在600-1000充電后，就不得不購買新電池了。但進一步的發展或許可以降低這種成本。

　　原則上，電動車是未來更具有可持續發展汽車的最理想候選者。同內燃機相比，它們對當地空氣質量并沒有危害(零排放車)。電動車提供了高效率，將輸入的電能70%-90%轉換為機械能。它們的高比功率可達到700W/kg，同柴油機相比減輕了50%的發動機質量。電動機的反饋優點，使它可以當作發電機應用，將部分的動能轉換為電力。同內燃機相比，在動力推動性能上的不足是它的主要缺點。這個問題可以通過使用4個小的電發動機代替大的牽引電機來解決。

　　可以預期更先進的電池，與標準的鉛酸電池相比更適于儲存電能，而且具備更快的電能傳輸。然而，電池能量有限的儲存量，較短的產品壽命，較大的重量，以及動力和成本仍將成為研究人員長期面臨的主要問題。

　　應該提到的是其它的電力儲存系統也正在發展中，如靜電設備(超容量容電大路)和飛輪。這些方法中還沒有一種能有望成為儲存問題上理想的解決方法。如今，最普遍實用的仍是性能好的老式鉛酸電池。

　　問題和前景

　　根據初級能量的組合，實施于電廠的排放控制制度根據電動汽車的電池和凈重情況不同，電動車與傳統內燃相比，能在區域或全球范圍內產生更多或更少的污染。

　　根據電廠使用的脫硫或脫硝設備的不同，由燃燒煤炭產生的電力所驅動的電動車會產生更多的法規控制的排放物。德國愛丁堡的IFEU研究所發現，在德國今天允許的條件下，小的電池電動機動車在區域規模表現了正收益，但是可能會產生更強的全球變暖的效應。同使用內燃機汽車的排放相比在區域范圍內，它們產生更少的可形成臭氧的光化學氧化劑，但是增加了對森林、土壤、水的酸化。

　　無論如可，同汽油機動車相比，它們排放更多的二氧化碳。只有當電力是由分散的以天然氣、或者水力、風力和太陽能等可更新能源為消耗來源的熱電廠提供時，全球通過使用電動車可以達到真正的二氧化碳收益。

　　車載燃料電池發電

　　燃料電池是燃料同氧在其系統中進行反應，無需火焰燃燒就產生電力的系統。若以氫作為燃料，水蒸汽就是唯一的排放物。燃料電池可以作為驅動汽車的高效、低排放的電力能源。它們產生氣態的污染物，無需再充電，從而可以把傳統電池擠出市場。氫燃料可以以純氣體或含氫燃料(如甲烷、甲醇或乙醇)狀態儲存，這些燃料必須進行處理重整來釋放燃料電池所需消耗的氫。

　　在過去的10年中，這領域已取得了很大的進展。電池的熱效率相對較高(50%-60%的氫轉化為直流電)，但是這也是發展最不完善的方面。進一步的發展對降低生產成本和進行大量生產是很有必要的。燃料電池可能有長期的潛力，但是下個10年對于具有商業性價值的系統，會有很多的障礙。

　　因為氫在汽車上的儲存很昂貴，一些汽車生產商建議使用甲烷或汽油提供含氫燃料。車載燃料重整器可以從甲烷和汽油中產生氫。缺點是：這將帶來另一種折效率損耗，總體系統效率減少405-50%。當利用甲烷時，適宜的方法是從天然氣中獲取，這時會有另一種效率損失，只有 2/3的天然氣能量留在甲醇中，其余的都損耗了。這樣同內燃機相比，它就減少了甲醇燃料電池的總體效率。

　　問題和前景

　　如果計算所有的燃料環節，會發現效率轉換的效果并不是很好。根據不同的合成氫的產生過程，燃料電動車每行駛 100 km需要20-4000瓦的能量。如果使用可再生能源，事實上沒有二氧化碳的排放。從天然氣經水蒸氣處理獲得的氫過程中排放大約有每公里行程產生65kg的二氧化碳。由甲醇得出的氫(這從天然氣經水蒸氣處理)每90 kg/ km的二氧化碳;傳統的內燃機大約每公里產生110-120 kg的二氧化碳。所以二氧化碳大約降低25%-50%。若要達到表1中所列的長期的溫室氣體排放標準，就需要另外的解決方法。盡管地方有毒氣體的排放為零，并且系統幾乎沒產生任何的噪聲，燃料電池技術卻不是汽車可持續發展的短期解決方法。要達到此目標，氫只能產生于非化石燃料，如生物氣體和太陽能，但費用卻很昂貴。分別見表2所示。

　　4 結 論

　　本論文展示了當代汽車研究的成就，并且對是否存在能夠解決當今汽車引起的眾多的環境問題進行評述。答案是沒有一種解決方法可以允許進一步擴大汽車的使用。即使對技術進步持有非常樂觀的設想，也不能達到所選擇的可持續發展的目標。

　　傳統內燃機的優化，代用燃料和所有其它會對標準有所貢獻的進步是有限的。更可持續發展的交通，要求交通模式的重大轉化和機動車交通需求的降低至少是緩解。