1.1 现代交通运输对环境的影响

与化石燃料相关的环境污染、全球变暖以及资源枯竭等众多问题，虽然与之相关的代价难以估量，但其损失是庞大而且是非直接的，且可以是经济上的、健康的代价或两者共有的代价。由污染引发的代价并非仅限于健康上的危害，还包括重新栽培因酸雨而毁坏的森林，以及清洗和整修受到酸雨侵蚀的历史遗迹等代价。同样，与全球变暖相关的代价，还可能包括因龙卷风造成的破坏、由于干旱毁损的庄稼、因洪水招致的资产毁坏以及为救济受害居民而实施国际援助等各方面的代价。

《柳叶刀》污染与健康委员会发布了一份由40多名国际卫生和环境专家撰写的报告，详细阐述了污染对全球健康的不利影响，报告指出：由污染引起的疾病在2015年造成约900万人的死亡，占全世界所有死亡人数的16%，诸如心脏病、中风、肺癌和慢性阻塞性肺病（COPD）等污染引起的非传染性疾病是造成死亡的主要原因。据估计，由于污染造成的经济损失每年超过4.6万亿美元，相当于全球经济产出的6.2%。

近十年来，在与交通运输相关的研究开发领域中，人们致力于发展高效、清洁和安全的运输工具。混合动力车辆、燃料电池车辆、纯电动车辆等已逐渐成为日后用以替代传统车辆的运输工具。

1.1.1 环境污染

目前，大部分燃油类地面交通车辆依靠碳氢化合物类燃料的燃烧，以获得其驱动所必需的能量。在很多情况下，在热力发动机内碳氢化合物类燃料的燃烧是非理想化的，即除生成二氧化碳（CO₂）和水（H₂O）之外，燃烧生成物还含有一定量的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NO_x）、铅（Pb）、细微颗粒物及硫化物等，所有这些生成物不但污染环境，对人的健康也是有毒性的。这些一次污染物还会通过大气化学反应生成光化学烟雾、酸沉降等二次污染物。全球大气污染的42%源于交通车辆产生的污染。随着城市机动车辆数量的快速增长，机动车辆排气污染已成为城市大气污染的主要贡献者。一些城市机动车辆排放的污染物对多项大气污染指标的贡献率已达到70%。机动车辆排放污染已对城市大气环境构成了严重威胁。因此，必须研究改善城市机动车辆排放污染的对策和措施。

主要污染物对环境的影响情况见表1-1。

1.1.2 全球变暖

大量数据和现象表明，未来50～100年人类将进入一个变暖的世界。全球变暖是“温室效应”的结果，而“温室效应”是由二氧化碳和其他气体（如大气中的甲烷，其温室效应比CO₂高很多）所引发的。这些气体截获了由地面反射的日光的红外辐射效应，因而在大气中截留了能量，并使之升温。地球温度的升高导致其生态系统受到破坏，并引发影响人类的许多自然灾害，气候变化风险加剧。有科学家预测，未来100年全球平均地表温度将上升1.4～5.8℃，到2050年我国平均气温将上升2.2℃。

近几十年期间的观测表明，人类活动是造成气候变暖的原因。2013年，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的《第五次评估报告》指出，气候变化要比原来认识到的更加严重，而且有95%以上的把握认为气候变化是人类的行为造成的。近年来人类社会对能源的大量消耗带来了温室气体排放问题，而气候变暖又是由于大气中聚集了二氧化碳等大量温室气体。二氧化碳是碳氢化合物和煤燃烧的生成物，是最主要的温室气体，是造成气候变化的主要原因，而它主要来自化石燃料的燃烧。虽然二氧化碳可被植物吸收，并由海洋以化合成碳酸盐的方式所收集。但这些自然的同化过程是缓慢的，它不可能同化所有排放的二氧化碳，其结果是在大气中形成二氧化碳的累积。

运输工具在二氧化碳的排放总量中占有很大的比例，交通领域的二氧化碳排放问题成为关注重点。据国际能源署（International Energy Agency，简称IEA）估计，城市机动车辆二氧化碳总排放量将从1990年的29亿t增加到2020年的60亿t。汽车对地球环境造成了巨大影响。

随着城市车辆的激增，全球二氧化碳排放总量逐年增加，世界碳排放问题日益突出，2016年世界二氧化碳排放总量达到364亿t，中国占到了近30%。不过相对于2015年基本没有增加。其中，据国际能源署2007年统计，全球约1/4的二氧化碳来自于交通运输，可见车辆对碳排放量的影响之大。虽然近期全球碳排放的增势得到抑制，但是距离控制温升2℃还相差很远。为了实现巴黎协议的目标，全球碳排放需要持续大幅下降。推广使用新能源轨道车辆，减少二氧化碳排放量，是国家节能减排的必然选择。

控制消费和节约能源是减少二氧化碳排放量的重要途径。仅在工业发达国家，人均能源的消费指数为1～3不等，这就表明，节约能源的余地是极大的。当然，还可以考虑保持适当的消费水平，同时利用那些不会产生温室效应的替代品来取代那些会造成污染的能源。

1.1.3 能源现状

石油是从地下采掘的矿物燃料，是活性物质分解的生成物，这些物质在几百万年前（奥陶纪系）被埋藏在稳定的地质层中。其过程大致如下：活性物质（主要是植物）死亡，并慢慢地被沉积物所覆盖；这些沉积物日积月累形成半固体层，且变态为岩石；活性物质就封存在一个密闭的空间内，在该处高压和高温作用下，缓慢地变换为碳氢化合物或煤等物质。该过程历经上百万年完成，这也是以地下采掘的燃料为地球资源之所以有限的原因。

世界能源主要包括石油、天然气、煤炭等，而目前全球交通运输业的燃料绝大部分来自于石油及其衍生品——汽油和柴油等。根据2017年《BP世界能源统计年鉴》发布的数据，2016年，全球探明石油储量增加了150亿桶（0.9%）至1.707万亿桶，按照2016年产量水平，满足世界50.6年的产量。全球石油用量增长强劲，增幅1.6%，日用量增加160万桶，连续第二年高于其十年平均增速。印度（增长30万桶/天）和欧洲（增长30万桶/天）的需求增长强劲，而中国的需求虽继续增长（增长40万桶/天），但增幅与近年的水平相比有所下滑。

全球探明煤炭储量足够满足153年的全球产量，大约是石油和天然气储量的三倍。分地区而言，亚太拥有最多的探明储量（全球的48.5%），其中中国的储量占全球总量的21.4%。美国仍拥有最大储量（全球的22.1%）。

截至2016年底，全球天然气探明储量为186.6万亿m³，微增了1.2万亿m³（0.6%）。和原油储量一样，该储备足以保证多于50年（52.5年）的生产需要。缅甸（+0.7万亿m³）和中国（+0.6万亿m³）是储量增长的主要贡献者。

根据2017年《BP世界能源统计年鉴》发布的数据，中国占全球能源消费量的23%，占全球能源消费增长的27%，仍然是世界上最大的能源消费国。尽管煤炭仍是中国能源消费中的主要燃料（占比为62%），但是其产量下降7.9%，创下自1981年开始追踪该数据以来最大年度降幅。预计2020年，我国能源消费总量约为45.9亿t标准煤，其中煤炭占一次能源比重降至58.2%，天然气比重升至8.9%，非化石能源比重升至15%。

石油的消耗量（对应的生产量）与发达国家和发展中国家的经济增长同步逐年增加。其中，随着某些人口大量聚居国家的迅速发展，石油消耗量很可能呈现巨大的增长，特别是在亚太地区。国际能源署（IEA）的统计数据表明，预计到2020年交通领域用油占全球石油总消耗的62%以上。我国是一个能源短缺的国家，已探明石油储量约160亿桶，约占世界储量的1.1%，但却是一个能源消费大国。我国的石油消耗量仅次于美国，位居世界第2位，原油消费年均增长率为6%以上。

汽车是石油的主要消耗者，目前世界汽车保有量约9亿辆，预计到2030车保有量将突破20亿辆，主要增量来自发展中国家。我国汽车产量逐年增加，2009年我国共生产汽车1379万辆，居世界第1位，而且远远领先于排名第2位的日本（793.45万辆）。2010年达到1826万辆，我国已连续多年成为世界第一汽车生产大国和第一新车销售市场。

我国汽车保有量也迅速增加，截止到2018年，全国汽车保有量已突破2亿辆。在石油进口依存度持续上升情况下，国际石油价格直接影响到我国的能源安全、经济安全乃至国家安全。在交通领域，汽车消费的快速增长导致石油消耗加速增长，这也使得我国石油对外依存度每年都在不断攀升。有关资料显示，2000年该比例为33.8%，2006年为46%，目前我国石油消耗的60%以上依赖进口，而汽车的石油消耗占国内石油总需求的43%。据预测，到2020年上述比例将分别增至76%和57%。目前，全国汽油的消耗主要是汽车消耗，约占87%，而汽车柴油的消耗占38%左右。从我国单车耗油量来看，平均单车所耗油的实际值约2.5t，比美国高10%～25%，比日本高1倍以上。