第1章
現代能源轉型的嬗變

難以撼動的汽油帝國

石油時代的開端并不完全是革命性的，它始于單一產品和單一主要市場。19 世紀 60 年代末至 70 年代，從原油提煉出來的煤油成為主要照明材料。但煤油并不是唯一的照明物，因為在城市里，用煤炭制成的燃氣已經形成巨大市場，而不久之后，煤油和煤氣都被電所取代。在石油工業發展的最初幾十年里，從原油中分餾出來的最輕或最重的液體都沒有多大用處，汽油只是煤油的一種可有可無的副產品。它易揮發、易燃，無法用于家庭照明或供暖，而且當時的家庭也沒有合適的小型爐子可以燃燒重油，讓房間溫暖起來。不過，石油衍生出來的潤滑劑提供了更廉價、更優質的天然油脂和蠟的替代品。

人類發明內燃機后（汽油發動機發明于 19 世紀 80 年代，而柴油發動機于 19 世紀 90 年代面世），從石油提煉出來的較輕部分的燃料開始顯現它的潛在價值，但過了 20 年之后，它們才變得不可或缺，而且這種現象只出現在北美大陸，因為當時北美大陸小汽車的保有量規模增大，卡車也開始普及（在其他地方，鐵路運輸向公路運輸的轉變以及小汽車保有量的增加始于第二次世界大戰之后）。

在首批機動車問世不到 20 年，飛機便開始使用以汽油為動力的往復式發動機。這一根本性突破發生在第一次世界大戰之后，隨后商業航空開始出現。20 世紀 50 年代，這一新行業因引入了燃氣渦輪而發生革命性變化，這些優質內燃機降低了長途飛行的成本。

為大型柴油發動機提供動力的精煉燃料還改變了貨運和客運的水路運輸方式。此前，從內河躉船到越洋班輪，從漁船到大型集裝箱船（大型集裝箱船的面世使海運成為全球化的關鍵工具），所有使用煤炭燃料的船舶都受益于更清潔、更便宜、更快、更強大和更可靠的動力系統。以汽油為動力的舷外發動機創造了一種新的休閑活動，即摩托艇運動。貨運和客運列車受益于柴油發動機，許多重型卡車、施工車輛和越野車也同樣如此。

顯然，煉制油產品對運輸的影響最為深遠。汽車是歐洲人發明的，其機械結構起源于 1876 年。當時尼古拉斯·奧托（Nikolaus Otto）制造了世界上第一臺四沖程發動機。1885 年，戈特利布·戴姆勒（Gottlieb Daimler）和威廉·邁巴赫（Wilhelm Maybach）借用奧托的四沖程結構設計了世界上第一臺以汽油為動力的輕質高速單缸立式發動機；而在同一年，卡爾·本茨（Karl Benz）制造出世界上第一輛由慢速水平汽油發動機驅動的三輪汽車。1891 年，埃米爾·萊瓦索（Emile Levassor）對汽車結構做了一次重大改進，使汽車的標準配置在 19 世紀 90 年代中期變得更加復雜。四沖程汽油燃料發動機、電子點火和化油器的結合開啟了人類歷史上規模最大的制造業，而它至今仍在擴張中。

1892 年，魯道夫·迪塞爾（Rudolf Diesel）（見圖 1.1）為一種截然不同的燃料點火方式申請了專利。噴入柴油機汽缸內的燃料在高溫下自燃，而高溫是通過壓縮燃料產生的，其壓縮次數是奧托發動機壓縮燃料次數的兩倍。柴油發動機工作時壓力更高，速度更慢，而大型固定式柴油機燃燒效率最高，在 50%以上，汽車發動機則可達到 40%。汽油發動機熱效率通常比柴油機低20%～30%，但經過重新設計之后，最新款的汽油發動機縮小了這種差距。柴油還有其他優點：在體積相同的情況下，柴油所含能量比汽油多 11%，價格比汽油略便宜，而且沒有易燃的危險。

低易燃性使柴油機特別適用于那些可能會因火災而瞬間造成災難性后果的環境（比如船上），以及高溫很少會導致液體從車輛和船只內部被蒸發的熱帶地區。柴油動力車的發動機效率高，體積能量密度較高，燃料揮發性低，這意味著在不加油的情況下它能比使用同等尺寸汽油發動機的車輛行駛得更遠。此外，柴油發動機還有其他機械方面的優勢，包括較大的扭矩、速度下降時的抗熄火性能以及天生的耐久性。

但是，早期的柴油發動機太重，無法用在汽車上，且以汽油為燃料的發動機也不是立刻就獲得了成功。在萊瓦索重新設計汽車結構的十多年后，同時也是查爾斯·杜利亞（Charles Duryea）于 1892 年制造了美國第一輛汽油燃料汽車的十多年后，汽車價格依舊高昂，且性能不可靠，只有少數擁有特權的消費者抱著試試看的心理購買。直到第一次世界大戰結束后，大規模生產技術得以擴大和普及，亨利·福特（Henry Ford）推出了普通消費者負擔得起的、性能可靠的T型車，這種局面才有所改變。

圖 1.1 汽車時代的締造者

制造成本的大幅下降、消費者可支配收入的增加、汽車設計方面的技術進步，以及汽車燃料的改進，這四者的共同作用導致汽車使用量必然增加。這種現象首先出現在美國，然后是 1950 年后出現在歐洲和日本，現在則出現在亞洲大陸的大部分地區。

20 世紀 30 年代末，美國成為富裕國家，完善的規模化生產方式使其占據了世界汽車市場 90%以上的份額。第二次世界大戰結束后，歐洲經濟開始復蘇，搶占了美國的汽車市場份額。1960年，美國仍然擁有世界上 60%的乘用車，但到了 1983 年，歐洲乘用車總數與美國相當。20 世紀 90 年代，中國成了增長最快的新車市場。2015 年，全世界乘用車注冊數量超過 9 億輛（見圖 1.2），加上 3.5 億輛卡車、公共汽車和商用車輛，公路上行駛的車輛總數達到 12.5 億輛。由于普通發動機的性能仍然相當低效，所以消費者要求提升燃料煉制工藝的呼聲仍然很高。

圖 1.2 1900—2015 年全球汽車保有量

在簡要介紹全球汽車使用量對經濟、社會和個人行為影響時，我們必須把一些積極因素考慮在內，包括人們獲得的前所未有的出行自由、個人眼界的擴展、生活便利性的提高，以及汽車對現代經濟繁榮做出的巨大貢獻。在現代社會，汽車制造業通常是世界各國規模最大的單一產業（按附加值計算），與購買和駕駛汽車相關的活動在國內生產總值中占據了很大比例。當然，汽車使用量激增也產生了兩個負面后果：第一是交通傷亡人數劇增（全球范圍內，每年有 120 萬人死于交通事故，受傷的司機、乘客和行人數量約為 2 000 萬人）；第二是路面汽車的增加對環境造成了各種影響，包括交通堵塞現在成為絕大部分大城市的頑疾、建造高速公路和停車場帶來了耕地流失、傳統城市模式受到了破壞等。

汽油的最大市場在亞洲

目前，世界上最好的乘用車汽油發動機的熱效率超過41%。2014 年，豐田公司開發了一款發動機，其最高熱效率為 38%，但日常普通發動機的熱效率不超過 25%。摩擦損耗使整體熱效率降低了大約 20%；車的部分荷載系數（在城市行駛期間是不可避免的，而城市行駛占據車輛行駛的大部分時間）使熱效率再減少 25%；附件損耗和（越來越普遍的）自動變速器幾乎使剩余的熱效率減半，導致有效熱效率可能低至 7%～8%。

另外，由于歷史原因，絕大多數汽車并不是為了減少汽油消耗而設計的，尤其是在美國的汽車市場。美國人對大型汽車的偏愛、幾十年來汽油價格的低廉、底特律汽車廠商的重型汽車的設計使美國在第二次世界大戰后生產的汽車的熱效率不斷下降。

1974 年的汽油消耗率（在歐洲以升/百千米表示）實際上比 20 世紀 30 年代的汽車增加了大約 15%，但美國采用的是反向性能指標，即英里/加侖（mpg），因此，在20 世紀 30 年代中期至 1974 年期間，其每加侖行駛里程數有所下降。隨著石油輸出國組織（簡稱“歐佩克”）的油價上漲，美國出臺了新規則，規定汽車的燃油效率必須逐步提高，燃油效率因此迅速迎來轉機，從 1974 年到 1985 年的 12 年間，美國汽車每加侖的平均行駛里程數翻了一番，從 13.5 英里/加侖（即 5.7 升/百千米）上升至 27.5 英里/加侖（即 8.6 升/百千米）。后來，美國擴大了歐洲和日本汽車的進口規模，促使汽車整體性能進一步提高。

不幸的是，雖然國際市場居高不下的油價在 1985 年開始急速下跌，但緊接著，20 世紀 90 年代的經濟活力結束了這一理想趨勢。在接下來的 25 年里，美國的燃料效率仍然保持在每加侖 27.5 英里的水平，失去了提高汽車燃油效率的大好機會。此外，人們把皮卡車、貨車和SUV（即“多功能運動型轎車”，但這完全是一個錯誤的名字）作為主要乘用車使用，結果拖了汽車燃油平均效率的后腿，因為它們占據了美國汽車市場近一半的份額，但都不受燃料效率標準的限制。

過去，這些體積龐大、動力強勁的車輛燃油效率大多在 20 英里/加侖以下（即油耗大于 11.8 升/百千米），2017年上市的某些SUV車型的油耗甚至高達16升/百千米。雪佛蘭出產的“薩博班”和“豪放”、通用汽車出產的“育空”都屬于此類“油老虎”。此外，雖然人們年均出行距離穩步增長，但燃油效率卻停滯不前。

1950—1975 年，車輛平均出行距離幾乎沒有增長（僅增長了 3%，每輛車的出行距離為 15 400 千米）；但到了2005 年，車輛平均出行距離增長了 25%以上，達到近 2萬千米。因此，美國所有輕型車輛的平均油耗在 2000 年僅為 20 英里/加侖，10 年后只上升至 21.5 英里/加侖。然后，平均油耗開始改善。到 2015 年，平均油耗達到了 24.8 英里/加侖的創紀錄水平，并出現了許多油耗 30 英里/加侖以上的暢銷車型，比如本田思域在城市道路和高速公路的混合路況中的油耗可達 33 英里/加侖，而在純高速公路上行駛的油耗為 37 英里/加侖，即每百千米僅耗油 6.35 升。

當然，混合動力汽車的燃油效率要高得多，比如福特“福克斯”和雪佛蘭“沃藍達”的油耗在 100 英里/加侖以上，即每百千米只耗油 2.2 升。如今，燃油效率的標準越來越嚴格，美國環保署規定，到 2025 年，小型汽車的油耗要達到 43 英里/加侖，輕型載貨汽車的油耗要達到 37 英里/加侖；此外，新潮的混合動力汽車市場份額進一步加大，越來越多的消費者開始接受電動汽車。

在這三大趨勢面前，盡管汽車和卡車市場略有增加，美國的汽油需求量也可能已經接近其巔峰水平（2016 年，美國汽油需求量僅比 2007 年的歷史最高水平高出 0.1%而已）。

2016 年，汽車和飛機使消耗的汽油占到全球煉油廠產量的三分之一。美國消費的汽油占全球汽油消費總量的41%左右，即人均消費 1 200 千克汽油。如今，美國消耗的汽油比歐盟、日本、中國和印度加起來的還要多。雖然歐盟的人口比美國多 50%，但汽車保有量卻和美國差不多，消費的汽油也只占世界汽油總量的 13%，即人均 160千克左右。造成這種差異的關鍵因素在于，歐盟更多使用的是柴油發動機，同時，歐盟中以汽油為動力的汽車外形小、燃油效率高，且年平均行車距離較短（大約只有美國的一半）。

2015 年，日本消耗的汽油占世界汽油供應量的 4%；人口 10 倍于日本的中國消耗的汽油占世界汽油供應量的10%（即人均 70 千克左右）；印度消耗的汽油則僅占世界汽油供應量的 2%。這些對比數據表明，隨著亞洲兩個人口最多的經濟體的汽車保有量大幅增加，中印兩國對車用汽油的需求非常大。同時，這份數據還表明：只有汽車市場發生重大變化（如燃油效率提高、混合動力汽車和電動汽車增多），汽車保有量的激增才不會造成空氣質量嚴重惡化。