編者按：鑑於奧巴馬政府重新關注如何在不使大氣中充滿溫室氣體的情況下為國家提供動力，我們釋出了 2006 年 9 月刊的這篇文章。
如果我們誠實地面對，世界上較富裕國家的大多數人都會承認我們喜歡我們的交通系統。它們允許我們隨時出行，通常是門到門，獨自一人或與家人朋友同行，並攜帶行李。看不見的貨物配送網路為我們提供貨物，並支援我們的生活方式。那麼，為什麼要擔心未來，尤其是擔心驅動我們交通的能源可能會對我們的環境產生什麼影響呢？
原因在於這些系統的規模以及它們看似不可阻擋的增長。它們以難以想象的規模使用石油燃料（汽油和柴油）。這些燃料中的碳在燃燒過程中被氧化成溫室氣體二氧化碳，而它們的大量使用意味著進入大氣層的二氧化碳量同樣巨大。交通運輸佔全球溫室氣體排放量的 25%。隨著發展中國家迅速實現機動化，全球對燃料的需求不斷增加將對控制大氣中溫室氣體的濃度構成最大的挑戰之一。美國輕型車輛（汽車、皮卡、SUV、廂式貨車和小型卡車）目前每年消耗 1500 億加侖（5500 億升）汽油，或每人每天消耗 1.3 加侖汽油。如果其他國家以相同的速度燃燒汽油，全球消耗量將增加近 10 倍。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮訂閱以支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
展望未來，我們有哪些可能性以可接受的成本使交通運輸更加可持續？
我們的選擇
有幾個選擇可以產生重大影響。我們可以改進或改變車輛技術；我們可以改變我們使用車輛的方式；我們可以縮小車輛的尺寸；我們可以使用不同的燃料。我們很可能必須全部做到這些，才能大幅減少能源消耗和溫室氣體排放。
在研究這些替代方案時，我們必須牢記現有交通系統的幾個方面。首先，它非常適合其主要背景，即發達國家。幾十年來，它有時間發展，以便在經濟成本與使用者需求和願望之間取得平衡。其次，這個龐大的最佳化系統完全依賴於一種方便的能源——石油。而且，它已經發展出與這種高能量密度液體燃料很好地匹配的車輛執行技術——陸地上的內燃機和用於航空的噴氣發動機（燃氣輪機）。最後，這些車輛的使用壽命很長。因此，快速變化是雙倍困難的。限制然後減少交通能源對當地和全球的影響將需要幾十年。
我們還需要記住，效率評級可能會產生誤導；重要的是實際駕駛中消耗的燃料。今天的汽油火花點火發動機在城市駕駛中的效率約為 20%，在其最佳工作點的效率為 35%。但是，許多短途旅行中，發動機和變速箱都是冷的，再加上寒冷的天氣和激進的駕駛，都會顯著降低油耗，發動機怠速時的相當長時間以及變速箱的損失也會降低油耗。這些真實世界的駕駛現象會降低發動機的平均效率，以至於只有大約 10% 的儲存在油箱中的化學能量真正驅動車輪。阿莫里·洛文斯 (Amory Lovins) 是一個大力倡導更輕、更高效車輛的人，他這樣表示：對於一輛效率為 10% 的車輛，加上駕駛員、一名乘客和行李——大約 300 磅的有效載荷，約為車輛重量的 10%——“只有 1% 的燃料能量在油箱中真正移動了有效載荷。”
我們必須在我們的計算中包括生產和分配燃料、使車輛在其 150,000 英里（240,000 公里）的壽命內行駛以及製造、維護和處置車輛所需的成本。車輛執行的這三個階段通常稱為“從油井到油箱”（這一階段約佔總壽命能源使用和溫室氣體排放的 15%）、“從油箱到車輪”（75%）和“從搖籃到墳墓”（10%）。令人驚訝的是，生產燃料和車輛所需的能量並非微不足道。當我們考慮不來自石油的燃料和新型車輛技術時，這種全面的生命週期核算變得尤為重要。重要的是在這個整體意義上被使用和排放的東西。
改進現有的輕型車輛技術可以做得很多。透過投入更多資金來提高發動機和變速箱的效率、減輕重量、改進輪胎和減少阻力，我們可以在未來 20 年左右將油耗降低約三分之一——平均每年提高 1% 到 2%。（這種減少每輛車將花費 500 美元到 1000 美元；在未來可能的燃料價格下，這個金額不會增加所有權的終身成本。）在過去的 25 年中，這些型別的改進一直在穩步發生，但是我們購買了更大、更重、更快的汽車和輕型卡車，因此我們有效地為了其他屬性而犧牲了我們本可以實現的利益。雖然在美國最為明顯，但這種向更大、更強大的車輛的轉變在其他地方也發生了。我們需要找到激勵買家利用降低油耗和溫室氣體排放的潛力來實際節省燃料並控制排放的方法。
在短期內，如果能夠減少車輛的重量和尺寸，並且如果買家和製造商都可以不再追求不斷增加的馬力/效能，那麼在發達國家，我們或許可以減緩石油需求的增長速度，在 15 到 20 年內將其穩定在比當前需求高約 20% 的水平，並開始緩慢的下降路徑。這個預測似乎不夠激進。然而，它既具有挑戰性，又與我們目前每年約 2% 的石油消耗量穩步增長的軌跡截然不同。
從長遠來看，我們還有其他選擇。我們可以開發替代燃料，以取代至少一部分石油。我們可以轉向使用氫氣或電力的新型推進系統。我們可以在設計和鼓勵接受更小、更輕的車輛方面走得更遠。
除非替代燃料與現有的分配系統相容，否則替代燃料的選擇可能難以實施。此外，我們目前的燃料是具有高能量密度的液體：低密度燃料將需要更大的燃料箱或提供的續航里程比今天的大約 400 英里要短。從這個角度來看，一種突出的替代品是非傳統石油（油砂或焦油砂、重油、油頁岩、煤）。然而，將這些來源加工成“石油”需要大量其他形式的能量，例如天然氣和電力。因此，所使用的工藝會排放大量的溫室氣體，並對環境造成其他影響。此外，這種加工需要大量的資本投資。然而，儘管存在更廣泛的環境後果，非傳統石油資源已經開始被開採；預計它們將在未來 20 年內提供約 10% 的交通燃料。
生物質燃料，如乙醇和生物柴油，通常被認為每單位能量排放的二氧化碳更少，也已經在生產中。在巴西，用甘蔗製成的乙醇約佔運輸燃料的 40%。在美國，大約 20% 的玉米作物被轉化為乙醇。其中大部分以 10% 的比例與汽油混合，即所謂的重整（清潔燃燒）汽油。美國最近的國家能源政策法案計劃到 2012 年將乙醇產量從目前佔運輸燃料的 2% 翻一番。但是，目前在用玉米生產乙醇時消耗的化肥、水、天然氣和電力將需要大幅減少。用纖維素生物質（通常不用作食物來源的植物的殘渣和廢物）生產乙醇有望更高效，並降低溫室氣體排放。它還不是一個商業上可行的過程，儘管它很可能變成這樣。生物柴油可以由各種作物（油菜籽、向日葵、大豆油）和廢棄的動物脂肪製成。現在少量生產的生物柴油與標準柴油燃料混合。
生物質燃料的使用很可能會穩步增長。但是，考慮到大規模將生物質作物轉化為燃料對環境影響的不確定性（對土壤質量、水資源和整體溫室氣體排放的影響），這種來源將有所貢獻，但不太可能在短期內主導未來的燃料供應。
天然氣在世界各地的交通運輸中的使用量從不足 1% 到少數幾個稅收政策使其經濟的國家佔 10% 到 15% 不等。在 20 世紀 90 年代，天然氣進入美國市政公交車隊以實現較低的排放；具有有效尾氣淨化的柴油現在被證明是一種更便宜的選擇。
那麼，新的推進系統技術呢？可能的創新將包括顯著改進的汽油發動機（例如，使用帶直接燃油噴射的渦輪增壓器）、更高效的變速箱以及帶有催化劑和尾氣中顆粒捕集器的低排放柴油，或許還會包括新的燃料燃燒方法。混合動力汽車，它結合了小型汽油發動機和電池供電的電動機，已經上路，產量正在增加。這些車輛在城市駕駛中使用的汽油明顯減少，在高速公路速度下的效益較低，並且購買成本要高出幾千美元。
研究人員正在探索更激進的推進系統和燃料，特別是那些具有較低生命週期二氧化碳排放潛力的推進系統和燃料。一些組織正在開發以氫為動力的燃料電池汽車，並採用帶有電池和電動機的混合動力形式。此類系統可以將車輛效率提高一倍，但大部分效益會被製造和分配氫氣所消耗的能量和產生的排放物所抵消。如果氫氣可以透過低碳排放工藝生產，並且可以建立一個實際的分配系統，那麼它就具有低溫室氣體排放的潛力。但是，在基於氫氣的交通運輸成為現實併產生廣泛影響之前，還需要技術突破和幾十年。
當然，氫氣是一種能量載體，而非能源。電力是另一種有希望在不釋放二氧化碳的情況下產生能量的能量載體，許多研究團隊正在研究其在交通運輸中的應用。主要的挑戰在於研發出能夠儲存足夠能量以滿足合理行駛里程，且成本可接受的電池。一個技術障礙是電池充電時間過長。我們習慣於在四分鐘內加滿 20 加侖的油箱，但可能需要等待幾個小時才能給電池充電。解決電動汽車續航里程限制的一個方法是插電式混合動力汽車，它配備一個小型發動機，在需要時為電池充電。這樣，使用的能量大部分可以是電力，只有一部分是發動機燃料。我們尚不清楚這種插電式混合動力技術是否會在市場上廣泛受歡迎。
除了採用改進的推進系統外，改用更輕的材料和不同的車輛結構可以在不縮小尺寸的情況下減輕重量並提高燃油效率。顯然，將更輕的材料和更小的車輛尺寸相結合會產生更大的效果。也許未來我們使用車輛的方式將與我們今天對“通用車輛”的期望大相徑庭。未來，專門為城市駕駛設計的汽車可能更有意義。例如，大眾汽車有一款小型雙人概念車原型，重 640 磅（290 公斤），每 100 公里消耗一升汽油（約合每加侖 240 英里——現有美國輕型車輛平均每 100 公里消耗 10 升，或略低於每加侖 25 英里）。有人認為縮小尺寸會降低安全性，但這些問題可以儘量減少。
促進變革
更好的技術無疑會提高燃油效率。在發達國家，市場甚至可能會採用足夠多的這些改進措施來抵消預期的車輛數量增長。而且，在未來十年及更長時間裡，汽油價格幾乎肯定會上漲，這將促使消費者在購買和使用車輛的方式上做出改變。但是，僅靠市場力量不太可能抑制我們對石油日益增長的需求。
為了從這些未來的改進中實現燃料減少的效益，需要採取一攬子協調的財政和監管政策。有效的政策包括“費率”計劃，即客戶購買大型耗油汽車時支付額外費用，但如果購買小型、節油車型則可獲得退款。“費率”計劃與更嚴格的企業平均燃油經濟性（CAFE）標準相結合效果良好——換句話說，就是制定法規要求汽車製造商生產消耗更少燃料的產品。在該方案中增加更高的燃料稅將進一步促使人們購買節油車型。稅收優惠可以刺激新技術的生產設施更快地發生變化。所有這些措施可能是我們繼續前進所必需的。