第1章
现代能源转型的嬗变

难以撼动的汽油帝国

石油时代的开端并不完全是革命性的，它始于单一产品和单一主要市场。19 世纪 60 年代末至 70 年代，从原油提炼出来的煤油成为主要照明材料。但煤油并不是唯一的照明物，因为在城市里，用煤炭制成的燃气已经形成巨大市场，而不久之后，煤油和煤气都被电所取代。在石油工业发展的最初几十年里，从原油中分馏出来的最轻或最重的液体都没有多大用处，汽油只是煤油的一种可有可无的副产品。它易挥发、易燃，无法用于家庭照明或供暖，而且当时的家庭也没有合适的小型炉子可以燃烧重油，让房间温暖起来。不过，石油衍生出来的润滑剂提供了更廉价、更优质的天然油脂和蜡的替代品。

人类发明内燃机后（汽油发动机发明于 19 世纪 80 年代，而柴油发动机于 19 世纪 90 年代面世），从石油提炼出来的较轻部分的燃料开始显现它的潜在价值，但过了 20 年之后，它们才变得不可或缺，而且这种现象只出现在北美大陆，因为当时北美大陆小汽车的保有量规模增大，卡车也开始普及（在其他地方，铁路运输向公路运输的转变以及小汽车保有量的增加始于第二次世界大战之后）。

在首批机动车问世不到 20 年，飞机便开始使用以汽油为动力的往复式发动机。这一根本性突破发生在第一次世界大战之后，随后商业航空开始出现。20 世纪 50 年代，这一新行业因引入了燃气涡轮而发生革命性变化，这些优质内燃机降低了长途飞行的成本。

为大型柴油发动机提供动力的精炼燃料还改变了货运和客运的水路运输方式。此前，从内河趸船到越洋班轮，从渔船到大型集装箱船（大型集装箱船的面世使海运成为全球化的关键工具），所有使用煤炭燃料的船舶都受益于更清洁、更便宜、更快、更强大和更可靠的动力系统。以汽油为动力的舷外发动机创造了一种新的休闲活动，即摩托艇运动。货运和客运列车受益于柴油发动机，许多重型卡车、施工车辆和越野车也同样如此。

显然，炼制油产品对运输的影响最为深远。汽车是欧洲人发明的，其机械结构起源于 1876 年。当时尼古拉斯·奥托（Nikolaus Otto）制造了世界上第一台四冲程发动机。1885 年，戈特利布·戴姆勒（Gottlieb Daimler）和威廉·迈巴赫（Wilhelm Maybach）借用奥托的四冲程结构设计了世界上第一台以汽油为动力的轻质高速单缸立式发动机；而在同一年，卡尔·本茨（Karl Benz）制造出世界上第一辆由慢速水平汽油发动机驱动的三轮汽车。1891 年，埃米尔·莱瓦索（Emile Levassor）对汽车结构做了一次重大改进，使汽车的标准配置在 19 世纪 90 年代中期变得更加复杂。四冲程汽油燃料发动机、电子点火和化油器的结合开启了人类历史上规模最大的制造业，而它至今仍在扩张中。

1892 年，鲁道夫·迪塞尔（Rudolf Diesel）（见图 1.1）为一种截然不同的燃料点火方式申请了专利。喷入柴油机汽缸内的燃料在高温下自燃，而高温是通过压缩燃料产生的，其压缩次数是奥托发动机压缩燃料次数的两倍。柴油发动机工作时压力更高，速度更慢，而大型固定式柴油机燃烧效率最高，在 50%以上，汽车发动机则可达到 40%。汽油发动机热效率通常比柴油机低20%～30%，但经过重新设计之后，最新款的汽油发动机缩小了这种差距。柴油还有其他优点：在体积相同的情况下，柴油所含能量比汽油多 11%，价格比汽油略便宜，而且没有易燃的危险。

低易燃性使柴油机特别适用于那些可能会因火灾而瞬间造成灾难性后果的环境（比如船上），以及高温很少会导致液体从车辆和船只内部被蒸发的热带地区。柴油动力车的发动机效率高，体积能量密度较高，燃料挥发性低，这意味着在不加油的情况下它能比使用同等尺寸汽油发动机的车辆行驶得更远。此外，柴油发动机还有其他机械方面的优势，包括较大的扭矩、速度下降时的抗熄火性能以及天生的耐久性。

但是，早期的柴油发动机太重，无法用在汽车上，且以汽油为燃料的发动机也不是立刻就获得了成功。在莱瓦索重新设计汽车结构的十多年后，同时也是查尔斯·杜利亚（Charles Duryea）于 1892 年制造了美国第一辆汽油燃料汽车的十多年后，汽车价格依旧高昂，且性能不可靠，只有少数拥有特权的消费者抱着试试看的心理购买。直到第一次世界大战结束后，大规模生产技术得以扩大和普及，亨利·福特（Henry Ford）推出了普通消费者负担得起的、性能可靠的T型车，这种局面才有所改变。

图 1.1 汽车时代的缔造者

制造成本的大幅下降、消费者可支配收入的增加、汽车设计方面的技术进步，以及汽车燃料的改进，这四者的共同作用导致汽车使用量必然增加。这种现象首先出现在美国，然后是 1950 年后出现在欧洲和日本，现在则出现在亚洲大陆的大部分地区。

20 世纪 30 年代末，美国成为富裕国家，完善的规模化生产方式使其占据了世界汽车市场 90%以上的份额。第二次世界大战结束后，欧洲经济开始复苏，抢占了美国的汽车市场份额。1960年，美国仍然拥有世界上 60%的乘用车，但到了 1983 年，欧洲乘用车总数与美国相当。20 世纪 90 年代，中国成了增长最快的新车市场。2015 年，全世界乘用车注册数量超过 9 亿辆（见图 1.2），加上 3.5 亿辆卡车、公共汽车和商用车辆，公路上行驶的车辆总数达到 12.5 亿辆。由于普通发动机的性能仍然相当低效，所以消费者要求提升燃料炼制工艺的呼声仍然很高。

图 1.2 1900—2015 年全球汽车保有量

在简要介绍全球汽车使用量对经济、社会和个人行为影响时，我们必须把一些积极因素考虑在内，包括人们获得的前所未有的出行自由、个人眼界的扩展、生活便利性的提高，以及汽车对现代经济繁荣做出的巨大贡献。在现代社会，汽车制造业通常是世界各国规模最大的单一产业（按附加值计算），与购买和驾驶汽车相关的活动在国内生产总值中占据了很大比例。当然，汽车使用量激增也产生了两个负面后果：第一是交通伤亡人数剧增（全球范围内，每年有 120 万人死于交通事故，受伤的司机、乘客和行人数量约为 2 000 万人）；第二是路面汽车的增加对环境造成了各种影响，包括交通堵塞现在成为绝大部分大城市的顽疾、建造高速公路和停车场带来了耕地流失、传统城市模式受到了破坏等。

汽油的最大市场在亚洲

目前，世界上最好的乘用车汽油发动机的热效率超过41%。2014 年，丰田公司开发了一款发动机，其最高热效率为 38%，但日常普通发动机的热效率不超过 25%。摩擦损耗使整体热效率降低了大约 20%；车的部分荷载系数（在城市行驶期间是不可避免的，而城市行驶占据车辆行驶的大部分时间）使热效率再减少 25%；附件损耗和（越来越普遍的）自动变速器几乎使剩余的热效率减半，导致有效热效率可能低至 7%～8%。

另外，由于历史原因，绝大多数汽车并不是为了减少汽油消耗而设计的，尤其是在美国的汽车市场。美国人对大型汽车的偏爱、几十年来汽油价格的低廉、底特律汽车厂商的重型汽车的设计使美国在第二次世界大战后生产的汽车的热效率不断下降。

1974 年的汽油消耗率（在欧洲以升/百千米表示）实际上比 20 世纪 30 年代的汽车增加了大约 15%，但美国采用的是反向性能指标，即英里/加仑（mpg），因此，在20 世纪 30 年代中期至 1974 年期间，其每加仑行驶里程数有所下降。随着石油输出国组织（简称“欧佩克”）的油价上涨，美国出台了新规则，规定汽车的燃油效率必须逐步提高，燃油效率因此迅速迎来转机，从 1974 年到 1985 年的 12 年间，美国汽车每加仑的平均行驶里程数翻了一番，从 13.5 英里/加仑（即 5.7 升/百千米）上升至 27.5 英里/加仑（即 8.6 升/百千米）。后来，美国扩大了欧洲和日本汽车的进口规模，促使汽车整体性能进一步提高。

不幸的是，虽然国际市场居高不下的油价在 1985 年开始急速下跌，但紧接着，20 世纪 90 年代的经济活力结束了这一理想趋势。在接下来的 25 年里，美国的燃料效率仍然保持在每加仑 27.5 英里的水平，失去了提高汽车燃油效率的大好机会。此外，人们把皮卡车、货车和SUV（即“多功能运动型轿车”，但这完全是一个错误的名字）作为主要乘用车使用，结果拖了汽车燃油平均效率的后腿，因为它们占据了美国汽车市场近一半的份额，但都不受燃料效率标准的限制。

过去，这些体积庞大、动力强劲的车辆燃油效率大多在 20 英里/加仑以下（即油耗大于 11.8 升/百千米），2017年上市的某些SUV车型的油耗甚至高达16升/百千米。雪佛兰出产的“萨博班”和“豪放”、通用汽车出产的“育空”都属于此类“油老虎”。此外，虽然人们年均出行距离稳步增长，但燃油效率却停滞不前。

1950—1975 年，车辆平均出行距离几乎没有增长（仅增长了 3%，每辆车的出行距离为 15 400 千米）；但到了2005 年，车辆平均出行距离增长了 25%以上，达到近 2万千米。因此，美国所有轻型车辆的平均油耗在 2000 年仅为 20 英里/加仑，10 年后只上升至 21.5 英里/加仑。然后，平均油耗开始改善。到 2015 年，平均油耗达到了 24.8 英里/加仑的创纪录水平，并出现了许多油耗 30 英里/加仑以上的畅销车型，比如本田思域在城市道路和高速公路的混合路况中的油耗可达 33 英里/加仑，而在纯高速公路上行驶的油耗为 37 英里/加仑，即每百千米仅耗油 6.35 升。

当然，混合动力汽车的燃油效率要高得多，比如福特“福克斯”和雪佛兰“沃蓝达”的油耗在 100 英里/加仑以上，即每百千米只耗油 2.2 升。如今，燃油效率的标准越来越严格，美国环保署规定，到 2025 年，小型汽车的油耗要达到 43 英里/加仑，轻型载货汽车的油耗要达到 37 英里/加仑；此外，新潮的混合动力汽车市场份额进一步加大，越来越多的消费者开始接受电动汽车。

在这三大趋势面前，尽管汽车和卡车市场略有增加，美国的汽油需求量也可能已经接近其巅峰水平（2016 年，美国汽油需求量仅比 2007 年的历史最高水平高出 0.1%而已）。

2016 年，汽车和飞机使消耗的汽油占到全球炼油厂产量的三分之一。美国消费的汽油占全球汽油消费总量的41%左右，即人均消费 1 200 千克汽油。如今，美国消耗的汽油比欧盟、日本、中国和印度加起来的还要多。虽然欧盟的人口比美国多 50%，但汽车保有量却和美国差不多，消费的汽油也只占世界汽油总量的 13%，即人均 160千克左右。造成这种差异的关键因素在于，欧盟更多使用的是柴油发动机，同时，欧盟中以汽油为动力的汽车外形小、燃油效率高，且年平均行车距离较短（大约只有美国的一半）。

2015 年，日本消耗的汽油占世界汽油供应量的 4%；人口 10 倍于日本的中国消耗的汽油占世界汽油供应量的10%（即人均 70 千克左右）；印度消耗的汽油则仅占世界汽油供应量的 2%。这些对比数据表明，随着亚洲两个人口最多的经济体的汽车保有量大幅增加，中印两国对车用汽油的需求非常大。同时，这份数据还表明：只有汽车市场发生重大变化（如燃油效率提高、混合动力汽车和电动汽车增多），汽车保有量的激增才不会造成空气质量严重恶化。