出品：科普中國(guó)制作：《科學(xué)世界》唐云江監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
雖然在過(guò)去沒(méi)有汽車(chē)的時(shí)代，人類(lèi)社會(huì)也在運(yùn)轉(zhuǎn)，但是今天，沒(méi)有汽車(chē)幾乎是不可能的了。汽車(chē)給我們帶來(lái)的方便自不必說(shuō)，但憂慮也在日益加深，尤其是霧霾頻現(xiàn)之時(shí)，人們對(duì)汽車(chē)帶來(lái)的污染更是憂心忡忡。傳統(tǒng)汽車(chē)使用的主要是化石能源，有報(bào)告指出，地球上的石油最多能使用100年左右，距離枯竭已經(jīng)不遠(yuǎn)了；目前汽車(chē)燃料是汽油和柴油等，燃燒時(shí)釋放出大量的二氧化碳（溫室氣體）和氮氧化物等有害物質(zhì)，污染了空氣不說(shuō)，其中的溫室氣體還直接影響氣候的變化。
現(xiàn)在，我們對(duì)汽車(chē)可以說(shuō)是又愛(ài)又怕，但我們能舍棄它嗎？目前顯然不能，那只能另辟蹊徑了。
用什么來(lái)替代汽油，這是關(guān)鍵
汽車(chē)要自由行駛，必須要用能量；所用能量必須要自身攜帶，而且要帶盡量少的能量物質(zhì)行駛足夠遠(yuǎn)的距離（能量密度高）；攜帶的能量用盡后還要便于補(bǔ)充；另外，能量物質(zhì)要足夠多，價(jià)格要便宜，或者成本可接受。
對(duì)于這些要求，汽油（或柴油）確實(shí)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。汽油燃燒的能量來(lái)自化學(xué)能，熱值是44000千焦/千克，也就是1千克汽油完全燃燒產(chǎn)生44000千焦的熱量。
這些能量能做什么呢？
理論上，它們能把1噸的物體舉高4.4千米，這說(shuō)明汽油的能量密度比較高。所以一輛1.5噸的汽車(chē)載35千克（約50升）汽油，平均就能行駛約600千米。汽油來(lái)源于石油，可大量供應(yīng)，且便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。從使用要求來(lái)看，汽油作為汽車(chē)的能量來(lái)源是非常合適的。
汽油的碳排放和空氣污染問(wèn)題是難以解決的?？墒?，不用汽油的話，我們能用什么呢？讓我們來(lái)看一看目前使用的能源中有哪些能用的：水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等能量密度低；其他化石能源和化學(xué)燃料不是污染問(wèn)題就是成本過(guò)高；核能倒是能量密度高，但也無(wú)法用在汽車(chē)上吧……
細(xì)數(shù)所有可用的能源，能與汽油相比的并不多。所謂新能源汽車(chē)，并不是使用什么新的能源，說(shuō)明白了就是使用除汽油、柴油等傳統(tǒng)燃料以外的能源，對(duì)汽車(chē)來(lái)說(shuō)是新的，性能要求與傳統(tǒng)汽車(chē)不相上下，還要使用方便、環(huán)境友好。
目前，按照汽油內(nèi)燃機(jī)的思路，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出模仿汽油的生物質(zhì)燃料，如生物甲醇、生物乙醇、生物柴油等，熱值與汽油相當(dāng)，使用生物燃料汽車(chē)（常用混合燃料）的動(dòng)力系統(tǒng)仍然是內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)（燃料電池除外），只需對(duì)現(xiàn)在成熟的汽車(chē)技術(shù)稍加改造即可使用。
雖然生物質(zhì)燃料在溫室氣體（或碳）排放上有一定的優(yōu)勢(shì)，但目前的技術(shù)只能用糧食來(lái)生產(chǎn)，有與人爭(zhēng)食之嫌；而且在燃料成本和產(chǎn)能上也與化石燃料有較大差距。下一代生物質(zhì)燃料雖然有望使用秸稈等農(nóng)林業(yè)廢棄物生產(chǎn)，在產(chǎn)能上同樣難以滿(mǎn)足需要。
我們生產(chǎn)生活中使用最多的能源是電能（二次能源），所有能源形式都可以轉(zhuǎn)換為電能。汽車(chē)使用電能應(yīng)該是不錯(cuò)的選擇，電能比較豐富，獲得也方便。但電網(wǎng)中的電能不能直接用于汽車(chē)，必須把電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)電物質(zhì)中才能裝載在汽車(chē)上使用，這種裝置就是蓄電池，它把電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)。
近年來(lái)隨著蓄電池技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展很快，先是節(jié)能的混合動(dòng)力汽車(chē)，進(jìn)一步是部分使用電能的插電式混合動(dòng)力汽車(chē)，再到純電動(dòng)汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)把電能儲(chǔ)存在蓄電池中，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，與傳統(tǒng)的汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)有很大差別，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。
但是目前就算最好的蓄電池（鋰離子電池）的能量密度也還是較低，比液體燃料差很多，一次充電行駛里程比汽油車(chē)遜色不少，需每天充電，且充電時(shí)間長(zhǎng)（補(bǔ)充能量的時(shí)間長(zhǎng)）?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)兼有兩種動(dòng)力系統(tǒng)，相對(duì)比較復(fù)雜，但它結(jié)合了電動(dòng)車(chē)和汽油車(chē)的優(yōu)點(diǎn)，可以說(shuō)是一種過(guò)渡方案。
電動(dòng)汽車(chē)沒(méi)有尾氣排放，對(duì)于改善城市空氣質(zhì)量有很大幫助。雖然目前電網(wǎng)電力主要來(lái)自火力發(fā)電，電動(dòng)汽車(chē)總體溫室氣體排放優(yōu)勢(shì)并不明顯，但它仍然是未來(lái)汽車(chē)的重點(diǎn)發(fā)展方向。
↑電動(dòng)汽車(chē)不排放尾氣，是清潔汽車(chē)
氫氣有可能成為汽車(chē)的終極燃料？
既然一般燃料的能量密度比蓄電池高，能否找到一種更好的替代汽油（或柴油）的燃料方案呢？答案是肯定的，這就是氫燃料。我們都知道，氫氣極易燃燒，而且熱值為142351千焦/千克，是汽油的3倍多。更妙的是氫燃燒的產(chǎn)物只有水，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。不過(guò)不像汽油可以開(kāi)采，在地球上幾乎不存在天然的氫氣（盡管宇宙中氫占絕大多數(shù)）。地球上的氫都以化合物的形式存在于水、有機(jī)物等分子中。
怎樣能得到氫呢？獲得氫的方法也非常簡(jiǎn)單，中學(xué)我們都學(xué)過(guò)，電解水可以得到氫。工業(yè)上常用天然氣（主要是甲烷）與水蒸氣反應(yīng)（術(shù)語(yǔ)叫重整）的方法制氫，工藝成熟（這種方法會(huì)產(chǎn)生二氧化碳）?？梢哉f(shuō)，地球上氫氣資源十分豐富，只不過(guò)得到氫就要耗費(fèi)電能或化石能源。其實(shí)，氫能源像電能一樣屬于二次能源，但是它有勝過(guò)電能的優(yōu)點(diǎn)：可用車(chē)船（也可用管道）長(zhǎng)途運(yùn)輸和大量?jī)?chǔ)存（將來(lái)可能會(huì)與電能并行）。
↑ 氫能源汽車(chē)添加氫燃料的方式像汽油車(chē)一樣，巡航里程也基本相同。
氫燃料的優(yōu)點(diǎn)正好適用于汽車(chē)，實(shí)際上早在19世紀(jì)汽車(chē)發(fā)展初期開(kāi)始，就一直有人設(shè)計(jì)使用氫燃料的汽車(chē)，只是氫在通常情況下是氣體，而且很難液化，車(chē)載儲(chǔ)氫技術(shù)難以突破，限制了氫作為汽車(chē)燃料的使用。由于氫能源的潛力巨大，近年來(lái)各國(guó)都加大了研究和推廣力度，氫能源汽車(chē)已經(jīng)從概念走向了市場(chǎng)。
氫燃料汽車(chē)可以以?xún)?nèi)燃機(jī)的燃燒形式提供動(dòng)力，這種方式的能量使用效率低，燃燒產(chǎn)物不僅僅有水，還有氮氧化物等污染成分。隨著近年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展和燃料電池改進(jìn)，氫能源汽車(chē)的主攻方向是走自主發(fā)電的電動(dòng)汽車(chē)，即燃料電池汽車(chē)。
↑ 車(chē)內(nèi)的燃料電池組、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等配置緊湊
2014年底豐田公司推出了一款名為“MIRAI”的氫燃料汽車(chē)，氫燃料以70兆帕氣壓儲(chǔ)存在兩個(gè)罐中（容量合計(jì)為122.4升），3分鐘加滿(mǎn)約5千克氫，續(xù)航650公里。這款車(chē)除了比同等水平的汽油車(chē)貴一些，性能與方便程度已經(jīng)沒(méi)有差別。目前這款車(chē)已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)，它標(biāo)志著氫能源汽車(chē)已經(jīng)走向?qū)嵱谩?/p>
目前氫能源是從現(xiàn)有的其他能源轉(zhuǎn)換來(lái)的，科學(xué)家正在加緊研究從太陽(yáng)能直接制造氫氣的方法，到那時(shí)能量真是取之不盡，用之不竭了，而且絕對(duì)環(huán)保了。
開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē)本來(lái)選擇有限，經(jīng)過(guò)近年來(lái)的努力，反而有全面開(kāi)花之勢(shì)。無(wú)論哪個(gè)方向發(fā)展起來(lái)都要有配套設(shè)施，純電動(dòng)汽車(chē)要求布滿(mǎn)充電樁，氫能源汽車(chē)要求布滿(mǎn)加氫站……誰(shuí)能最先發(fā)展起來(lái)，就看社會(huì)平衡多種因素的選擇了。
無(wú)論怎樣，新能源汽車(chē)是一定要發(fā)展的，而且一定能替代汽油車(chē)，只是還要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間和努力。我們期待著，望著遠(yuǎn)方天涯路，環(huán)保汽車(chē)一路行。
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