4.5.3 汽车新能源
尽管当代汽车的单车油耗已有很大程度下降，美国的乘用车（厂定乘员不超过10人）的公司平均燃料经济性（CAFE）从1978年到2011年提高了67.8%，轻型货车的合并计算的CAFE从1979年到2011年提高了40.1%，但由于机动交通工具保有量的增长，化石能源的消耗速度却加快了。显然，仅靠节能不可能解除化石能源耗尽之虞，开发汽车新能源的重任已经历史性地落在这代汽车人的肩上。
本节讨论的一些新能源，对于汽车已属不新，如1884年伦敦已出现了四轮电动汽车[67]。为区别于石油基能源，且称这些在新的能源形势下重新登台的非石油基能源为“新能源”。
1.汽车新能源的品质遴选
替代化石燃料的汽车新能源必须适应汽车保有量大、续驶里程长、机动性高、影响面广的特质，这就决定了汽车新能源必须具有来源丰富、能量密度大、对环境污染小、使用性能优良、经济性好、有利于协同发展等多种特质。但是，世界的复杂性决定了一种能源很难八面玲珑、面面俱佳，我们只能因时、因地加权比较各项特质的优劣，选择发展适宜本国、本地区的新能源。巴西利用自身的资源特色，几十年不懈地发展乙醇燃料和乙醇汽车，用可再生能源摆脱了“石油牵制”，成为各国学习的范例。下面讨论汽车新能源的遴选准则。
1）来源丰富
来源丰富是新能源替代燃油必备的首要特质。来源丰富系指这种能源本身在地球上的储量或转换这种能源的资源可供本地区汽车使用的期限具有经济价值。如果不具备这种特质，就难以在新能源竞争中胜出；如果储量连现阶段填补石油缺口都无济于事，更何谈替代了。这里特别提出“本地区的汽车使用”是基于预见到未来的车用能源结构可能是因地制宜的多元结构。未来的机动车能源虽是多元的，但地区间交通却畅通无碍。所谓“地区”的概念既可指多国组成的地区，也可指一国中不同汽车能源的分区。
可依据以下几方面来综合判断来源是否丰富：
①储采比：剩余可采储量与当年开采量之比。
②可再生性。储采比不能全面考量能源的利用价值，可循环再生的能源就不宜只用储采比来评价来源是否丰富，而要考虑可再生性。
我国《可再生能源法》第二条规定：“可再生能源，是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源。”我们可据此判别能源的可再生性。
③技术经济性。储采比、再生性并不表征实际意义上的来源丰富，如海水储藏的热能相当丰富，但利用却相当困难，只有那些储量大、应用技术成熟、具有利用经济价值的新能源才具有实用意义上的来源丰富。
2）能量密度大
能量密度即单位体积或单位质量能源（或载体）所含能量。对于内燃机汽车，燃料的体积能量密度pv多用兆焦每升（MJ/L）表示，质量能量密度ρm多用兆焦每千克（MJ/kg）表示；对电动汽车，电池的体积能量密度多用瓦时（或千瓦时）每升［W（kW）·h/L］表示，质量能量密度多用瓦时（或千瓦时）每千克［W（kW）·h/kg］表示。能量密度对汽车的续驶里程、通过性、有效装载能力均有重要影响。
汽车必须具备足够的续驶里程，否则难以显现自由移动的特性。由于现供候选的替代能源的能量密度都比汽、柴油小，使我们不能不考量替代能源的能量密度对续驶里程的影响。因能量密度小，欲维持足够的续驶里程，势必增大能源容器的容量；而增大容器势必在汽车上占据更大的空间，增加汽车的整备质量；而占据更大的空间、增加整备质量的后果势必影响汽车的通过性，减少汽车的有效装载能力。
汽油的能量密度pv＝32.72MJ/L，柴油的能量密度ρv＝35.69MJ/L。论证用某种能源适不适合替代汽油或柴油的时候，需要将它的能量密度与汽油或柴油相比较，需要计算这种能源达到规定的续驶里程所需携带的体积和质量。为便于比较，我们引入能量密度系数的概念。能量密度系数是表征一种能源相对于标杆能源的能量密度之比，能量密度系数有基于体积和质量之分：
为了便于比较使用新能源之后所需能源容器的大小，引入容积系数的概念，其实用意义在于保持相同续驶里程的前提下，某替代能源所需容器容积与被替代能源容器容积之比：
在用车上改用替代能源时，对新能源的能量密度系数和容积系数进行分析比较，根据实际使用场合，确定续驶里程和新能源容器的容积，对微型汽车最好还要检测牵引力（动力性）、通过性、转向性能等，万不可草率从事，以免适得其反。
几种能源的能量密度、能量密度系数和容积系数的比较见表4-24。
表4-24 几种能源的能量密度、能量密度系数和容积系数
注：“/”后面的数字为实用容积系数，等于容积系数和填充系数之比。填充系数是出于安全考虑，对需要加压或降温储存的液态燃料允许的实际装填容积的比例，例如，LNG的实用容积系数＝1.57/0.8＝1.9625。
数据来源：《汽车新能源技术》表3-9，对原系数数值有勘误修改。
3）对生态和环境友好
生态和环境是既相联系，又有区别的两个概念。在这里，生态指生物在自然环境下的生存和发展状态，它的负面效应指气候变暖、荒漠化、洪水、干旱、沙尘等灾害，威胁人类的生存安全；环境指我们周围的情况和条件，它的负面效应——污染指人为排放的有毒有害物对人身心健康的损害。某能源的生态友好用考察开发和使用这种能源过程中的排碳和对水、土、生物多样性的影响来评价，要立足于用生态大系统熵的变化来评价对生态的影响。即使石油储量丰富，为保障2050年保有20亿辆汽车而不致增加排碳和加剧空气污染，也有必要寻找石油燃料的替代品。
需要指出，对于某种能源环境友好性的评价不应仅凭这种能源成品进入使用环节的表现，而应该全面、完整、科学、客观地评价这种能源从开采、制备、储存、运输到使用全过程对生态和环境的影响。生态、环境是一个有机系统，如果仅凭某能源从发动机到大气的污染物排放量值，就宣称其“绿色”“环保”“零排放”，不顾上游环节对生态的破坏和对环境的污染而大规模开发，在生态环境链中无异于进行一次污染的转移。现在一些证明某能源“绿色”的数据就是从车轮上这一时段得出的。我们主张“从油井（或田野）到车轮”（WTW）的环境友好评价范式，即综合从原料的开采与获取，到成品能源的制备，到能源的运输或输送，再到燃料的储存，最终到车辆的使用五个环节的全面环评，根据系统性环评的结果才能得出使用某能源是否比其他能源更环保的结论。
不同能源排放的污染物并非单向增加或减少，一些污染物减少了，另一些却增加了，使比较不同燃料的环境友好性成为十分复杂和慎重的事情，目前尚缺少权威的评价标准，不同书籍对同一污染物的危害也说法不一，足见有些问题尚未定论，更谈不上量化比较。对于新能源的环境友好性应做风险评估，综合考量大量使用这种能源后，对于生态和环境涌现的风险而言，一般可按“两权其利取其重，两权其害取其轻”的原则做判断，例如：
①如部分污染物排放显著减少，另一部分污染物排放虽有增加但幅度很小，则可认为环境友好性有所改善。
②如部分污染物排放的减幅与另一部分污染物排放的增幅接近，若从排放超标变为达标，则可认为改进可取；反之，若从达标变为超标，则认为新燃料不可取。
③如增加排放的污染物比较容易治理，减少排放的污染物不容易治理，且总体排放不超标，或经济地治理后可达标，可认为环境友好性有所改善。
4）经济性
可以用整车单位运行量的能源费用，如元/km、元/t·km，或用单位能源费用的运行量，如km/100元、t·km/100元等直接评价新能源的运行经济性。不过，这些参数并不全面反映新能源的运行经济性，如，它们没有包含维修费用的差异，这种差异对于评估不同能源的运行经济性可能会有影响。再如，政府为了鼓励发展某种车用新能源，在一定时期给予优惠税率等扶助，评估时应考虑到长期的能源价格。一种车用新能源的推广可能涉及重建或改建社会的能源零售系统，这就可能使一种新能源的推广卷入一场投资极巨、耗时很长的建站工程。因此，评估一种车用新能源的推广可行性时，需要计入这部分投入。
经济性当然用直接的经济指标来考量，有时也需要用有效消耗率考量某新能源车用的耗能效率。燃料的有效消耗率与燃料的热效率有关，热效率的高低取决于工作过程中的热损失，对于同种燃料或热值相同的不同燃料在不同应用场合之间的比较，可用做单位功所消耗的燃料质量表示为ge＝g/kW·h，也可采用做单位功消耗的燃料含热量表示为ge＝MJ/kW·h，用这两种量纲比较是等效的。对不同热值的燃料做有效燃料消耗率比较时，应采用ge＝MJ/kW·h，如采用ge＝g/kW·h则不能真实反映能与功之间的转换效率。电动汽车通常用km/MJ、t·km/MJ，或km/kW·h、t·km/kW·h表征ge。
5）社会性
在某地区大量使用某种汽车新能源必然会对社会的其他方面产生影响，遴选汽车新能源除对上述各方面进行考量之外，还须评估其对交通之外的其他社会生活的影响。例如，发展用粮食和食用油原料制备生物燃料就必须结合社会的承受能力评估其带动粮油价格上涨的影响；规划适宜垦荒种植的生物燃料原料基地时，在评估对当地经济的带动作用的同时，还要评估其社会功能的作用，也需评估垦殖的生态后果；利用工业副产品或生活垃圾（如餐饮废油）制备汽车燃料应计及消化废物的公益效应等。
6）使用性能
（1）输送性能
输送性能指将能源从甲地输往乙地的方便性与安全性。输送性能与能源的物理形态密切相关。燃料有液态、气态和固态之分，电能是在电源的电势作用下电子运动输送的能。现代机动车基本上都采用液态或气态燃料，抑或电能。液态和气态燃料都可用机动车运输，也可以通过管道输送，电能主要依靠线路输送。
气态燃料和液态燃料输送方便性的差别在于，前者在储存和用机动车运输时为提高能量密度，需要加压或液化，不如常态液体燃料方便。电能的充电时间比加注燃料的时间长得多，虽然近年来充电时间已经缩短，但仍不如加注液态燃料方便。
可从燃料的自燃点、闪点、蒸发性能（馏程、沸点、饱和蒸汽压）、密度等参数比较燃料的安全性。自燃点低，车辆发生碰撞时起火爆炸的可能性大；闪点低，燃料泄漏时起火爆炸的可能性大；蒸发性好，容易着火燃烧；密度比空气大，易沉积，风险度大。单项性能指标的比较较为明了，多项指标的综合比较则需作具体分析，加权比较，例如，汽油的蒸发性比柴油好，密度比柴油小，但汽油和柴油的密度都比空气大得多，都会在地面沉积，故比较两者的密度对安全性已无意义，由于汽油的蒸发性较好，故柴油的输送安全性比汽油好。
（2）工作性能
动力性是工作性能的重要考量参数，活塞平均有效压力表征了发动机使用特定燃料的动力性，下式是活塞平均有效压力的计算公式：
由式（4-20）可见，发动机的动力性取决于发动机的热效率、机械效率、充气效率和燃料的热值等因素。表4-25罗列了几种燃料的燃烧特性参数。
表4-25 几种燃料的理论空气量、混合气热值和分子变更系数等参数
注：分子变更系数β0＝燃烧后的工质摩尔系数/燃烧前工质的摩尔系数，用以表征活塞做功的增益。
主要数据来源：《汽车新能源技术》表3-15。
目前使用的天然气、液化石油气汽车及电动汽车的动力性比起汽油机和柴油机汽车都有不同程度的下降，这些新能源汽车一般在城市里使用，不会显著影响汽车的使用性能。因此对使用新能源汽车的动力性考量标准应根据实际情况适度降低，但提高新能源汽车的动力性却是使新能源真正成为石油的替代品必须迈过的一道技术门槛。
起动性也是考量使用性能的一个因素。可考量燃料中轻质成分的多少，如10%馏出温度高，表明燃料中的轻质成分少，不利于起动。液化燃料低温气化速度低，对起动不利。气态燃料的能量密度过小，会产生加浓乏力的现象，故能量密度可作为考量气态燃料使用性能的一个参数。
采用新能源后，发动机—车辆的可靠性可能被改变。故障率取决于技术的成熟度和系统的复杂程度，技术越成熟，结构越简单，故障率越小。可靠性还取决于备件的社会化程度和技术的社会化普及程度，社会化程度高，维修停机时间短，可靠性高。
对驾驶人工作强度和工作场所环境的影响亦不可忽视。可测试换挡次数是否增多，对驾驶人的手、脚、眼、脑的配合是否更为复杂，需要密切观察的信号是否增多，振动和噪声是否加剧，有无异味逸出，接触燃料或能量载体时是否需要格外小心等，然后再做出评价。
推广使用汽车新能源将会引发一场旷日弥久的社会变革，事实上，我们对于改换汽车能源对于脆弱的生态的影响还知之甚浅，我们必须以对历史和后代人负责的态度深入研究其中的利弊。对于任何汽车新能源的评价和推广在鼓励探索的同时应持严谨的科学态度、实事求是的精神，既客观评价正面效应，也要如实评价可能产生的负面效应，尤其要纵观新能源和新能源汽车的整个生命周期后再作评价，要面对大量、长期使用后的涌现做结论，切忌以偏概全，以热情取代理智，让浮躁掩蔽科学。
2.纵议汽车新能源
1）电能
（1）概论
据中国电力企业联合会发布的《2014年电力工业运行简况》披露：当年全国全口径发电55459亿kW·h。其中火电41731亿kW·h，占总量的75.2%；水电10661亿kW·h，占总量的19.2%；并网风电、核电、太阳能发电共3056亿kW·h，占总量的5.5%[68]。国务院印发的《能源发展战略行动计划（2014—2020）》提出，到2020年，煤炭消费比重控制在62%以内，可见在相当一段时间内，以煤电为主的状况不会根本改变，而燃煤污染甚于化石燃油。
中国虽然发电能力比较充足，但各地区的结构不平衡的问题突出。汽车以电为能源，就作为移动的负载并入了交通之外的另一大系统——电网。汽车不仅要履行交通工具的功能，还得服从电网的运行规律，大量电动汽车并入势必给电网建设、管理、运行带来新的课题。当汽车载荷入网的量大到产生涌现效应时，即使供需总体平衡，地区的不平衡，尤其是用电高峰时的失衡会不会更加突出？这是大规模发展电动汽车宏观层必须考虑的问题。
电动汽车的输能方式分为常规充电、快速充电和更换电池组三种。常规充电电流较小，充电机可以车载也可由外部设施提供，一般采用分段式恒压恒流充电，根据电池容量大小，充电时间3～8h，长者10～20h。由于充电电流和功率小，常规充电对电池寿命和电网的影响较小。快速充电以较大电流短时充电，一般充电电流为150～400A，20min～2h完成充电，但对电池寿命影响较大，产生的谐波电流对电网产生冲击，谐波的涌现可能影响电网的稳定。更换电池组亦称“换电”，用充好的电池更换车上电量不足的电池为汽车补电。换电具有下列比较优势：①用户租用电池组，可降低初次购置成本；②可克服电动汽车充电时间长的短板；③便于利用用电低谷时充电；④便于专业人员维护电池；⑤便于电池的回收再制造和废弃后无害化处理；⑥集中的备用电池组便于作为储能池参与电网调频、调峰。
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电动汽车的供能模式
①单向无序充电（V0G模式）：汽车需要时接入电网充电，是目前电动汽车最常见的充电方式。由于大功率负荷无约束用电，可能增大电网的峰值负荷。
②单向有序电充电（TC和V1G模式）
时间控制充电（TC模式）：控制开始充电的时间，在给定的错峰时间充电，用户可获低价的谷电。充电设备主要用单向变流技术，不与电网实时通信。
电网控制充电（V1G模式）：汽车与电网实时通信，在电网许可的时间充电，能提高电网运行效率，但不能反馈送电。
③双向有序供电（V2G模式）：由美国特拉华大学（University of Delaware）教授坎普敦（Willett Kempton）和勒滕德（Steven E.Letendre）于1997年在一篇题为“Electric Vehicles as a New Power Source for Electric Utilities”（电动汽车用做电器的新动力源）中提出。V2G模式中，汽车既作为电网的负载也作为智能电网的分布式动力源并入，电网在车载电池需要和电网适宜供电的最佳时间给电池充电，既可保障汽车用能量，用户又可获最经济的电价。车不使用，电网需电时向电网供电，实现电网—汽车能量和信息双向流通，提高电网的供电质量，达成双优化。通过V2G，连通智能交通系统与智能电网，组成更宏大的智能调控网络。简而言之，V2G就是电动汽车的智能充—送电系统。
美国和欧洲都有V2G的试验示范项目[69]，American Recovery and Reinvestment Act of 2009（《2009年美国复兴和再投资法》）规定，以45亿美元公共投资用于国家电网现代化和建设智能电网。V2G的商业运行需要研制满足要求的商业化双向变流和通信设备，需要建设智能电网等硬件和一系列规则，以及适应的电力市场环境。
（2）主要优势
①来源广泛，适用区域广。人类使用的电能不是自然能源（一次能源），而是能源的转换形式（二次能源），可将风能、水能、地热、潮汐、太阳能等可再生能源，以及核能、煤、垃圾转换为电能用于汽车，并可分布发电，联网输送。因经过转换，把污染和对生态的影响留在了产地，输出高品质能源。多源转换，可供量丰富和可联网共享是它显著的比较优势。
②运行无污染。电动汽车在行驶中无废气排出，是行驶零排放汽车。电动机作旋转运动，没有燃烧噪声和管道气动噪声，机械振动噪声也比活塞往复运动的内燃机小得多，为策安全，2016年10月发布的ECE138号法规规定了未使用内燃机的电动汽车的最小可听度限值。
③结构简单，维修方便。电动机免除了复杂的连杆活塞机构、配汽机构、燃油喷射机构以及强制润滑系统、供油系统、进排气系统、冷却系统、排气净化系统，结构大为简化，零部件数量大为减少，传动系的机械结构也得以简化，维修大为便利。此外，电动机没有内燃机产生的高温、高压和往复运动产生的交变载荷，因而可靠性得以提高。
④能源利用总效率比汽油机高。有人计算过从原油到汽车全过程的总效率，电动车比汽油机汽车高出5.3个百分点[70]。有人认为，如用化石能源产生的电能，电动汽车与高效的汽、柴油车相差无几[71]。电动汽车还具有停车不需怠速和制动能易回收等节能优势。在常规电网中，电动汽车在夜间用电低谷时充电，可提高发电设施的利用效率，改善电网运行效率。在智能电网中，汽车身兼用电器和储电器的双重作用，即起到用电低谷时实时充电储能，用电高峰时实时向电网供电的纳冗济缺作用，可平衡风能、光伏等间歇发电站的波动供给，从而兼具交通工具和电网稳定器的双重功能。到那时，电动汽车的优势更加显著。
⑤充电费用低。在3.6美元1gal汽油时，雪佛兰·沃蓝达（Volt）单位里程用电行驶的费用不到用油的1/6。利用夜间低谷电价充电可降低充电费用，在某些实行消费量梯级电价的地区，如美国加州，那些用电量高的家庭，可能因使用电动汽车而按最高梯级电价支付。
（3）推广的主要技术/经济/社会阻碍
①电池能量密度低。高储能密度材料的使用使电池的能量密度大有提高，Li-MnO2锂离子电池的能量密度已能达200W·h/kg以上，但电动汽车的续驶里程仍与期望存有差距，为了保证必要的续驶里程，又不得不装备笨重的电池组，牺牲了有效装载能力。
②充电时间长。常规充电的时间使汽车的欲行即驾的便利性打了折扣，虽然可以利用夜间不用车时充电，但终不如汽、柴油车加注燃料便捷。为了克服充电时间长的缺陷，人们设计出换电充电，但这一方案涉及统一电池规格和纠结了太多的利益分配而引发各方博弈，谁也不愿意对方动自己的“奶酪”。从争议中可看出，各方对换电模式易于电池的退役处理的优势都还缺乏认识。
③成本高。由于电池成本高和批量小等原因，使电动车发展初期的售价企高。中国政府给予电动汽车高额的购车补助，但其性价比仍不能与内燃机汽车竞争。
④充电难。建设社会化的汽车充电网非一朝一夕可见成效，在已有停车场的基础上建设为30辆公交车充电的站点总投资为1000万元，建设九个充电车位的商业充电站总投资至少500万元，设立一个路边充电桩的投资至少2.5万元[72]，目前只在城市的局域建有少量充电站，新建住宅小区建有停车场，却没有规划建设充电站（桩）。即使建有充电站，由于电动汽车量少，充电站也难以为继。电动汽车充电时间长，大量使用插电式EVs需建设大量的充电桩来保障充电的方便，在寸土寸金的中心城区，这将成为棘手的难题。用无线充电技术可在停车位下设置电能发射器进行全自动充电，不再占用土地，还能实现行驶途中充电。
⑤人类使用的电能非原生能源，而由其他能源转换，笼统地称电能环保违背科学。在发电量的3/4为火电的情景[73]下大力发展电动汽车，如不能解决源头的污染，其环保效果令人质疑。近年中国频遭大范围的雾霾天气为我们敲响了环境警钟，燃煤和汽车尾气同被指为霾之源，而燃煤污染和排碳甚于燃油。去火电已列入治霾措施，大量使用电动车有可能增加对火电的需求而增霾，在同一片天空下，城市岂能洁身自好，又岂可厚城薄乡。
此外，快充谐波的涌现对电网的冲击也不容忽视。动力电池充电机属非线性装置，会对供电系统产生谐波污染，导致功率因数下降，对供电系统的电能质量带来不利影响。在用电高峰时充电，会加重供电系统的负担[74]。
虽然可认为电动汽车在行驶中零排放，但电池使用的各种化学物质在开采和制备的过程中，在电池的制造、维护和退役的过程中都不可避免地会泄漏和产生污染。虽然锂离子电池不含汞、镉、铅等重金属，但在生产过程中也会产生废水、废气和固体废物，其中电解液中含有有机溶剂等，废电芯是危险废物。生产过程中的污染物排泄虽然技术上可控，但一旦监管失控也会污染水体和土壤。在电动汽车满路驰骋的那一天，如果废电芯和废电解液随处抛洒，进入土壤和水体，其中的钴、镍、锂、锰发生分解、水解、氧化，会产生多种有毒有害物，有机溶剂中也含有危害健康的物质。热机汽车参与了污染我们头上的空气，不能再让不点火的冷机汽车污染我们脚下的水体和土壤。发展电动汽车之初，就要对污染的风险做全面的评估，据以建立起污染防控体系。
电动汽车的电池和充电系统都可能存在安全隐患，2011年以来，已发生过数起锂电池碰撞起火和自燃的事件。2011年5月沃蓝达电池自燃事件引来NHTSA对其安全性能的调查。2011年，UNECE发布了第一部电动汽车安全的国际法规（Regulation No.100）。
（4）推广状况
20世纪初，电动汽车曾在一些城市里大行其道，但不久即因过于笨重且续驶里程短，在与内燃机汽车的争锋中败下阵来。这次电动汽车因油价企高和有利于减少城市里日益严重的排放污染而复兴，电动汽车的劣势已有相当的改进，优势已得到相当的发扬，拿能量密度来说，一般锂离子电池的质量能量密度已比铅酸电池高出2～4倍[75]，中科院清洁能源前沿研究重点实验室预计，可充放锂硫电池的能量密度可达350～400W·h/kg[76]。2015年2月科技部发布的《国家重点研发计划新能源汽车重点专项实施方案（征求意见稿）》提出，轿车动力电池的单体比能量2015年底达到200W·h/kg，2020年达到300W·h/kg。据报，新加坡南洋理工大学已研发出可在两分钟内完成70%的充电、可反复充电1万次的汽车锂电池。
电动汽车分为纯电动、混合动力和燃料电池三类，混合动力又有串联式（SHEV）、并联式（PHEV）和混联式之分。至2015年9月中旬，全世界已售出100多万辆公路用插电式乘用车和轻型车。至2015年12月初，日产纯电动车丽芙（Leaf）销量达20万辆，沃蓝达等插电混合动力车族销量约达10.4万辆，特斯拉（Tesla）S纯电动车销量约达10万辆[77]。中国2015年产、销电动汽车340471辆、331092辆[78]，居世界第一。
美国人把用电力驱动的交通工具统称为EVs。奥巴马（Barack Hussein ObamaⅡ，1961—）总统宣布，用24亿美元发展EVs，其中15亿美元用于制造高效电池及部件，5亿美元用于制造其他部件，4亿美元用于示范、评估插电式混合动力和EVs基础设施，以及培训制造、维修EVs的技术人员。根据有关美国法律，购买新电动汽车可获抵免联邦税。2008年，旧金山湾的三个城市市长宣布了把旧金山湾地区变为美国EVs之都的九步政策计划。在欧洲，交通电气化在绿色汽车倡议（GCI[79]）和欧洲经济复兴计划中都提到了显著的位置。欧委会机动和运输总署（DG MOVE）用约5000万欧元作为GCI的一部分，支持大欧洲电机动（electromobility）项目中的电动汽车和相关的基础设施建设。欧洲各国采取政府补贴，减税，保险优惠，停车和充电优惠，免收拥堵费，免公路通行费，允许使用公交专道和石油燃料车辆禁行路段等措施鼓励使用EVs。中国国务院2012年7月发布《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》，明确以纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向，提出2015年纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆，2020年产能达200万辆，累计产销量超过500万辆。提出私人购买新能源汽车给予补贴，限行、限购、牌照拍卖的城市应对新能源汽车区别对待等六条鼓励措施。
电动汽车的充电续驶里程能满足包括多数美国人在内的每天平均驾车距离，其续驶里程可以通过混合动力在燃油模式下自由行驶，建快速充电站，改进电池的储能密度，采用换电等措施得以扩大。电动汽车技术的一项重要进步是用超级电容平抑峰值用电和回收制动能量，减轻对电池的冲击。开发具有智能管理功能的新型电池来改善电池的放电特性，电池管理不仅监测电池的工作品质，也自动根据负荷调整工作电池的数目。现在，全世界许多科技精英都投入了EVs的原理和技术研发，EVs的技术进步非常迅速。随着技术的成熟和产量的增长，更轻的大容量锂电池的生产成本将会逐渐下降。
2）天然气、非常规天然气和液化石油气
天然气（NG）指天然储集在地层中的烃类和非烃类气体的混合物。NG约85%～95%的成分是甲烷（CH4），其余成分是乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）和丁烷（C4H10），伴有杂质氮、CO2等。按其来源，NG分为气田气、油田伴生气和煤成气。天然气汽车还可用煤制天然气（SNG）、焦炉气和生物制气（如沼气），这些气体燃料可归结为非常规天然气。天然气水合成物（natural gas hydrate），又称“甲烷水合物”“可燃冰”，也归属非常规天然气。
液化石油气（LPG）是以丙烷、丁烷为主的碳氢化合物的混合物之统称，来源于油井气、石油加工的副产品和煤制备液体燃料时产生的副产品等。LPG在常温、常压下呈气态，在—0.5℃或在15℃左右的温度、0.8MPa的压力下即呈液态。LPG比NG易于液化，一般以液态储运。
天然气和液化石油气虽组分不同，但由于均以气态进入发动机，较之汽油或柴油有类似的优势及劣势，仅在程度上有别，故视为同一类燃料予以讨论。
（1）主要优势
①来源较丰富。据BP的数据，2015年全球天然气探明储量为186.9万亿m3，储采比52.8，略高于石油（50.7），我国探明储量3.8万亿m3，储采比27.8，高于石油（11.7）。中国已在南海北部和祁连山永久冻土带钻获天然气水合物，中国有300万km2海域[80]和215万km2冻土面积，具备良好的天然气水合物资源前景，预计2030—2050年陆上合成物和海底合成物有望实现商业开发[81]。LPG来自石油开采和加工过程中的副产品，与石油的利用寿命同在。自美国开采页岩气（有人认为，应称“源岩气”（source rock gas））以来，页岩气的开发引起了业界的注意。国土资源部2012年3月发布报告称，我国陆域页岩气地质资源潜力为134.42万亿m3，可采资源潜力为25.08万亿m3（不含青藏地区），可提供丰富的天然气资源。
②经济性好。可从燃烧效率和价格两方面认识天然气和液化石油气的经济优势。
NG的辛烷值高于汽油，无论用研究法测定的辛烷值（RON）还是马达法测定的辛烷值（MON）均达120，LPG也分别达94和90。燃用NG/LPG的发动机可以通过提高压缩比提高循环热效率，弥补能量密度低于汽、柴油的不足。NG/LPG与空气混合气形成质量比汽油混合气的形成质量好，燃烧完全，有利于提高燃烧的效率。
NG及LPG与石油燃料相比具有价格优势，政府出于调整能源结构和环保的考虑，也会利用价格杠杆引导NG和LPG燃料的发展。但价格终归要反映资源的稀缺性，随着油价的上涨和需求增长，NG和LPG的价格也跟随上涨，最终达成多因素平衡的价格。
③污染小。NG的燃烧比汽油完全，排放的CO、HC、NOx比汽油低约90%～40%，PM排放极低；天然气混合气的热值低，燃烧温度较低，NOx排放也少；天然气中含碳元素比汽、柴油低，在发热量相同的前提下比较，天然气排放的CO2较低；天然气中硫含量极低，且不含铅，故排放物中的SO几近为零，SO2也很低，无铅污染。LPG的环保优势也大致如此。
④可使发动机的可靠性提高。NG及LPG含硫量极低，燃烧产生的硫化物极少，减轻了硫化物对发动机部件的腐蚀性损伤。
⑤发动机维修成本低。NG及LPG燃烧产物中极少含有在中、常温下呈液态的成分，发动机润滑油被稀释变性的可能性减少，换油周期可延长（据称，可延长约1万km）。NG及LPG不含重成分，加之燃烧完全，积炭少，延长了火花塞及活塞环的使用寿命，可延长大修期，降低单位行驶里程的维修成本。
（2）推广的主要技术/经济阻碍
天然气用于汽车的根本技术阻碍在于体积能量密度低，LPG在汽车上的应用也存在类似的阻碍，不过由于液化浓缩而程度较轻。
①动力性较差。汽油—空气混合气热值为3.82MJ/m3，天然气—空气混合气热值为3.36MJ/m3，减少了12%，分子变更系数也小，动力性下降明显。汽油机汽车改燃天然气应特别注意动力—传动系匹配，否则将使汽车的工况适应性明显下降。
②气态天然气的能量密度远不能与汽油相提并论，故必须压缩后在汽车上储带。1m3天然气在20MPa的压力下装入储气罐，约占5L容积。与之等热值的0.81kg汽油只需1.1L容积。这就意味着，如果要保持同样的续驶里程，压缩天然气（CNG）储气罐的容积要放大到汽油箱容积的4.6倍，柴油箱的5倍，增大的储气罐势必侵占有效装载空间，给整车布置增加了难度，同时增加了整备质量（（CNG质量/储罐质量）＝（1/10）～（1/5））。CNG因而只宜用于市内出租车和公交车。—162℃低温储带的LNG使这一劣势得以改善，使天然气可在城际客车和货运车上使用。东风公司开发的DFL1160B3 LNG载货汽车载有公称容积为375L的隔热气瓶，可携带相当于218L柴油产生的能量，气瓶的体积只有400L大小。国外的LNG货运汽车的续驶里程达800km。LPG汽车虽有类似劣势，但相对容积系数比LNG略小，情况略好于LNG汽车。
③购车成本高。NG/LPG发动机由于产量小，还需加装储气罐、安全装置等，抬高了购车成本。
④缺乏供给系统的支持。由于CNG/LNG/LPG不能在常压或常温下储存和运输，因此需要重建或改建现有的能源运输和零售系统，建设一座加气站约需500～1000万元甚至更多，还需建立供气母站，这是CNG/LNG/LPG汽车只在产气地区和城市中使用的重要原因。
我国NG储量相对石油较为丰富，也有部分进口，2011年从土库曼斯坦通过管道进口1430万m3NG，从各国进口LNG 1660万m3。虽然两者全球贸易量占比仅2%和5%，但据中国工程院预测，2030年天然气进口有望达国产的一半，2050年有望接近2030年的产量[82]，鉴于俄罗斯2005年中断对乌克兰供气和2009年中断对乌克兰和欧洲供气的教训，又鉴于NG是主要的民用燃料和工业燃、原料，发展天然气汽车并非没有供给安全制约的问题。
（3）推广状况
20世纪30年代意大利首先将天然气用作交通工具的燃料[83]，LPG自20世纪40年代作为汽油的替代品用于点燃式发动机[84]。到2015年，全球已保有2270万辆天然气车辆，主要分布在中国（444万辆）、伊朗（400万辆）、巴基斯坦（370万辆）、阿根廷（248万辆）、印度（180万辆）、巴西（178万辆）[85]。估计2013年全球有超过1300万辆车使用丙烷气做燃料，每年有超过2500万t丙烷气用作车辆燃料[86]。世界上已有40多个国家在实施用天然气和液化石油气替代石油制品的战略[87]。我国曾在20世纪60年代的石油短缺时期推广过天然气客车。现在，在我国许多城市的公交线路上都可以见到CNG/LNG/LPG汽车的身影，LNG货运车近年有了快速发展。
全球的天然气储采比大于石油和使用NG/LPG汽车可以减少排放污染是推广两者的基本理由。CNG/LNG/LPG能量密度小的缺陷可通过技术手段及综合平衡续驶里程和有效装载的矛盾加以补救。缺乏供给系统的支持可通过鼓励多元投资，首先在产气区、城市及周边优先发展，逐渐改善。因为在上述地区建立加气站经济价值最高，汽车在这一区域里使用无需长时间续驶，且行驶路线相对固定，而城市里改善空气质量的呼声日益强烈，这正是CNG/LNG/LPG汽车扬长避短的用武之地。在油价高企，城市的汽车污染久治不愈的情况下，一些人自然把改善城市环境的出路寄托在发展CNG/LNG/LPG汽车之上。
3）醇类
醇类系含氧燃料甲醇和乙醇的统称。乙醇很早就被用作汽车燃料，1894年举办第一次汽车拉力赛，就有乙醇汽车参加。醇既可从化石燃料中提取，也可用生物质制备。用生物质制备的乙醇可归入生物燃料。在此，将醇类一般地作为一种类型的燃料来讨论其性能，有关生物质醇类在汽车上的应用将在后面讨论。
（1）主要优势
①来源广泛，原料储量丰富，有的原料具有可再生性。甲醇可用天然气、煤、石脑油、重质燃油、焦炉气、木材废料、有机垃圾、海藻等为原料制备。乙醇可以乙烯等化工原料、含糖作物、含淀粉作物、纤维素等作为原料制备。
②具有助益于提高热效率的燃烧特性。乙醇的研究辛烷值为109、马达辛烷值为90，甲醇的RON为109、MON为89[88]，均高于汽油，许用压缩比可适当提高。若用混烧，添加醇类燃料可提高汽油的辛烷值，如RON为90.6的催化裂化汽油添加10%体积的乙醇，RON和MON分别提高3.4个单位和1.4个单位。此外，醇类着火界限宽泛，火焰传播快，适于采用稀薄混合气。
③可减少排放污染。醇类燃料富含氧，甲醇和乙醇的含氧量分别为50%和34.8%，1kg燃料完全燃烧所需理论空气量较车用汽油分别低56.5%和39.7%，比车用柴油分别低55.0%和37.5%（空气以体积计），有利于改善燃烧质量，这是不含氧的化石燃料不具备的。人们将醇类燃料加入常规的汽车燃料，使其变为含氧燃料，以改善常规燃料的燃烧特性。
IEA的独立研究早在1999年就指出，甲醇的排放优于汽油和柴油，如M85（85%容积比的甲醇与15%的汽油混合）用于点燃式发动机，排放中的臭氧形成能力低，略微降低CO排放，极少排放苯和多环芳烃，但甲醛增加显著，如替代柴油，则减少NOx、CO和PM排放，甲醛稍有增加[89]。有研究表明，当乙醇含量为6%时，HC排放降低5%，CO排放降低21%～28%，NOx排放降低7%～16%；当乙醇含量增至15%和25%时，HC排放分别降低16%和30%，CO排放分别降低30%和47%[90]。雪佛兰·卢明纳斯（Luminas）使用E85试验也表明，与新配方汽油相比，非甲烷烃降低20%～22%，NOx降低25%～32%，CO降低12%～24%[91]。
④低比例的醇基混合燃料可在常规发动机上使用（无需改变压缩比）。
（2）推广的主要技术/社会阻碍
①低温起动性较差。甲醇的汽化潜热值（气化时从周围环境中吸收的热量）为1101 kJ/kg，乙醇为862kJ/kg，分别是汽油（297kJ/kg）的3.7倍和2.9倍，导致低温起动性较差。燃料中醇含量较大时，须采用冷起动措施。
②热值较低。尽管醇与空气的混合气热值与汽油相差无几（甲醇混合气：3.56MJ/m3、乙醇混合气：3.66MJ/m3、汽油混合气：3.82MJ/m3），但它们自身的热值分别是汽油的低热值的45.5%和61.1%（甲醇：20.26MJ/kg、乙醇：27.2MJ/kg、汽油：44.52MJ/kg），仍需采取技术措施消除低热值对使用的不利影响。
③易与汽油分层。为了改善醇类的冷起动性，需加入一定比例的汽油。甲醇须借助添加剂才与汽油互溶，但互溶对温度敏感。乙醇与汽油的互溶对水比较敏感，少量的水即可使其与汽油分离。
④腐蚀性。醇对钢铁和常用的有色金属均有腐蚀作用，对丁腈橡胶有轻微的腐蚀、溶胀作用，使其软化或龟裂。醇洗涤气缸壁上的润滑油膜，加剧气缸和活塞环磨损，使用高醇含量燃料时，相关的发动机和供油系部件需作特别的防蚀处理并采用氟橡胶，在醇燃料中加入防蚀剂也能起到防蚀作用。
⑤甲醇剧毒。在甲醇的运输和使用过程中都会有甲醇泄出，燃烧之后，也会有未燃甲醇排出。甲醇刺激眼结膜，可以通过呼吸道、消化道和皮肤进入人体，刺激神经，使人出现头晕、乏力、气短等中毒症状，甚至可能致人死亡。甲醇燃烧时产生数倍于石油燃料的致癌物——甲醛，甲醛还产生光化学污染，对臭氧层也产生较强的破坏。
（3）推广状况
甲醇曾在汽车发明初期因优良的抗暴震性用做汽车燃料，后来由于汽油的改性和可大量获得而被代替。美国加州在1980—1990年进行了车用替代燃料使用试验，其中包括甲醇和乙醇燃料。1982年，美国三大汽车公司为政府生产了5000辆灵活燃料汽车（FFV）。加州2005年停止使用甲醇汽车，转而扩大乙醇汽车的使用，让汽车“喝”玉米。有议员提出An Open Fuel Standard Act（《开放燃料标准法》），要求汽车厂确保其生产或在美国销售的80%的汽车用含有85%的乙醇、甲醇的混合燃料或者生物柴油。欧盟2009年修改了燃料质量指令，允许在汽油中加入不超过3%体积比的甲醇。巴西科学家1989—1992年做了甲醇与汽油混合的初步试验，但准备在圣保罗市进行大范围试验被市长以有害加注站工人健康为由否决。
“六五”期间，我国有关部委即在产煤大省山西进行了甲醇燃料研究试验，现已完成M系列车用甲醇汽油（甲醇含量15%～85%）的研制，发布了醇基液体燃料标准，山西的各类车辆都在使用甲醇燃料，各地也有使用甲醇的汽车在运行。
4）煤基液体燃料
煤基液体燃料包括煤制汽油、柴油、甲醇、二甲醚（DME）等车用燃料。20世纪50年代，南非受到国际经济封锁，在政府的扶持下，萨索（Sasol）公司开始用煤合成油，由此走出了一条煤间接液化的独特道路，催生了这家大规模煤液化生产合成燃料的能源—化工一体化跨国公司，2014财政年营业额达2026.83亿兰德（Rand），按当时汇率，约合191.8亿美元。
（1）主要优势
①原料储量丰富。2015年全球探明煤的可采储量为8915.31亿t，储采比为114。煤储量的分布在一定程度上缓和了石油储量集中的矛盾。中国是美、俄之后第三煤储量大国，2015年探明储量1145亿t，占全球的12.8%。“以煤为主，立足国内”是中国能源供给的特点。但中国又是世界第一采煤大国，2015年的煤产量占世界总产量的47.7%，可采31年，储采比为世界总量的27.2%[92]。可见，中华民族的能源之虞尤甚于他民族！
②能化劣为优，把不宜用做一次能源的高硫、劣质煤转化为汽车燃料。
③煤转化的油品（煤液化）可直接用于石油基燃料的汽车和直接进入石油基燃料的供给系统。
（2）推广的主要社会/经济/技术阻碍
①转换能耗高，效率低。CAERC综合文献报告的数据后认为，煤直接液化的能效为50.31%（在直接液化、间接液化、煤基甲醇、煤基二甲醚四种技术路线中最高）、间接液化为41.41%（最低）。
②CO2排放高，四种技术路线的直接排放的最高值为35.17kg—C/GJ（间接液化），最低为20.09kg—C/GJ。
③水资源消耗大，四种煤制液体燃料技术路线的耗水率最高值为0.37t/GJ（二甲醚），最低为0.145t/GJ（直接液化）。我国煤资源北多南少，西多东少，产煤地恰是水资源匮乏地区，过度发展煤液化势必加剧水资源紧张。
CAERC对四种技术路线分别作了能源安全、CO2排放、经济、社会、技术、政治六维度评价，结论是：煤液化的主要问题在碳排过高，煤制甲醇的主要问题在政治（政策）和社会，煤制二甲醚除了社会接受程度较好外，其余的优、劣势均不明显[93]。南非和中国选择发展煤制油皆由资源禀赋所致。
（3）推广状况
1937年，日本引进德国以钴催化剂为核心的F-T合成[94]技术，于1943年在中国锦西建成年产100万t煤间接液化厂，直到1967年，锦西合成油装置才停产。2009年，年产500万t煤制油的神华煤直接液化项目第一条生产线试产。长治、鄂尔多斯的煤间接液化油装置也产出了合格油品。2012年，我国产煤基甲醇2328.5万t，据估计，2009年煤基二甲醚的产能已达1000万t以上，二者都已出现产能过剩。
5）二甲醚
二甲醚在常压下呈无色气体，本是一种用作气雾剂、制冷剂和溶剂的化工产品，五个大气压下可液化，在大气中能在短时间内分解为水和二氧化碳，无毒，对橡胶有溶胀作用，对皮肤有轻微刺激。二甲醚的十六烷值高，自燃温度为235℃，低于柴油，最早作为甲醇的引燃剂用于内燃机。二甲醚在压燃式发动机上使用试验表明，发动机工作性能良好，在不采取电控喷射或排气后处理的情况下，可达国Ⅲ排放标准。也可以30%的DME与70%的LPG混合，用于点燃式发动机。
（1）主要优势
①来源较丰富。二甲醚可用天然气、煤、石油或生物质制备。由于可用生物质做原料制备，故具有可再生的可能。
②燃烧性能好。二甲醚的十六烷值大于55，高于柴油（40～53）适宜压燃式发动机使用。
③燃烧污染小。由于二甲醚气化性能较柴油好，其分子结构由两个甲基夹一个氧原子构成（CH3—O—CH3），没有C—C键，含有34.8%的氧，故燃烧后可不排放碳烟，CO和HC的排放也比柴油少。其二，二甲醚的自燃温度低，滞燃期短，NOx排放较少。此外，二甲醚的气化潜热（二甲醚为410kJ/kg）比柴油（250kJ/kg）大，可降低最高燃烧温度，也使排放的NOx减少。用二甲醚可满足欧V排放限值[95]。
④动力性较好。虽然二甲醚的低热值比柴油低35.8%，但理论混合气热值只比柴油低3.1%（以体积计，见表4-25），由于燃用二甲醚的热效率较高、分子变更系数大、燃烧完全，允许采用较小的空燃比，因而发动机的动力性不会下降，还可能有所提高。
（2）实用化的主要技术/经济阻碍(https://www.daowen.com)
①携带不便。二甲醚在常温下呈现气态（沸点：—24.5℃），需要加压到0.53MPa以上使其液化方宜车辆携带，不能用传统的汽车供油系统供给二甲醚。二甲醚能量密度小，液态二甲醚相对于柴油的实用容积系数达2.376，意味着为保持相当的续驶里程，二甲醚汽车的气罐容积须大致等于油箱容积的2.376倍，限制了二甲醚汽车的实用范围。
②润滑性能差。在常温、常压下，纯二甲醚的黏度仅为柴油的1/20，润滑性能差，容易引起精密偶件磨损，需加入润滑添加剂予以改善。
③成本不具备竞争力。传统上采用二步法工艺生产二甲醚，即第一步将原料变成H2、CO、CO2合成气，再将合成气变为甲醇，第二步将甲醇脱水成为二甲醚。二步法工艺成本高。由合成气直接转换二甲醚的一步法工艺法已研究成功，正在推进工程化，采用一步法工艺生产，成本即可下降。在我国，二甲醚最稳定的上游原料是储量丰富的煤，煤炭主要分布在西北，而二甲醚的消费地则主要在东南，这一供需特点增加了运输成本。
④需要重建供给系统。在用的燃料加注和供给系统不能兼容二甲醚，建立完善的加注和供给系统需要时日与巨大投入。
（3）推广状况
在欧洲，二甲醚作为第二代生物燃料发展，因其采用纤维素制备，故称BioDME。欧盟将BioDME视为2030年显现潜力的生物燃料。瑞典开辟了一条制备DME的蹊径——从造纸废水中提取合成气经催化后制成DME。这是一条统筹环保与资源开拓新能源的思路。虽然造纸废水的来源有限，但对于综合解决环境与资源的社会矛盾却颇具启示。在瑞典能源署的支持下，沃尔沃参与了欧盟第七框架计划（FP7，2007—2013）的BioDME项目，用造纸废水制备DME。2009年首次进行以DME为燃料的货车的规模化试用。
考虑到便于建造加注站和排放比较清洁的原因，二甲醚汽车尤其适宜于市区公交车和市郊间的短途货运。上海柴油机股份有限公司、上海交通大学、申沃客车厂等合作，在上海147路公交线开展二甲醚应用试验，从2007年初至2013年初，样车已行驶44.6万km。
鉴于煤在中国未来相当一段时间里都是主要的一次能源，高效率低污染利用煤成为中国重要的能源策略，有人提出了以煤气化为龙头的多联产系统的应对策略，即气化后生产化工原料、液体燃料和发电的能量流、物质流、放射本能流（exergy）按最优原则耦合联产，发电和原料、燃料出产根据市场需求或用电的峰—谷调节，以降低单位产品的成本和排放[96]。
6）氢燃料
这里先讨论以氢气为燃料的内燃机汽车，将燃料电池和燃料电池汽车列为专题，留待随后讨论。
（1）主要优势
①来源丰富。氢是宇宙中含量最丰富的一种元素，在地球上的氢主要储藏在水、煤、天然气等化合物中，用作燃料的氢气需以这些化合物为原料制备。
②污染极小。在目前发现的燃料中，氢气是唯一不含碳的燃料，燃烧后的主要生成物是水，唯一有害排放物为NOx。没有CO、HC以及碳烟、硫化物等有害物质，也没有导致温室效应的CO2，因而排放的危害在诸种热机燃料中最小。
③燃烧性能好。氢的火焰传播速度为4.85m/s，是汽油的近6倍（汽油：0.83m/s），加之氢是气态燃料，混合气形成质量好，可用稀薄混合气；氢的自燃温度比汽油高（氢：400℃，车用汽油：260℃～370℃），辛烷值高，有利于提高压缩比。良好的燃烧性能使氢燃料的热功效率高。
（2）主要技术难关
①制备成本高。地球上氢储量虽然丰富，但可供车用的氢气极少，用目前的技术制备代价太高，冲销了氢燃料的许多优势。2004年，全球约产氢5700万t，大约相当于1.7亿t石油，且每年约以10%的速度增长。2005年全球产氢的经济价值约为1350亿美元。目前，全球氢产量48%来自天然气，30%来自石油，18%来自煤，4%来自电解水，90%多的氢从化石燃料中制取[97]，但消耗本来就紧缺的优质矿物燃料制取燃料氢显然非明智之举。用电解水制备，所得氢气燃烧释放的能量小于电解水消耗的能量，即化石能源强度[98]＞1，又使人质疑氢作为能源的意义。所以，找到具有商业价值的氢来源就成为应用氢燃料的第一道难关。
②储带不便。目前，在汽车上储存氢气的技术方法还不理想。气态储存使氢气能量密度低的缺点更为突出，不宜在汽车上使用。液态储氢需—253℃超低温，储带成本太高，使市场难以接受，并且每储存一天会蒸发3%的氢。人们正在研制绝热性良好的车载储氢设备，金属氢化物储带（固态储带）的研发也有进展，储带不便的缺点正在逐步得到克服，但还没有突破性的进展。
③动力性能差。由于在标准状况（一个大气压，0℃）下氢气的密度仅为空气的1/14.4，储有足够能量的氢气混合气在汽缸里需要足够大的空间，否则就会因进入汽缸的能量储量不足而降低汽车的动力性。尽管氢的单位质量低热值比车用汽油高出近2倍（氢：119.9MJ/kg，车用汽油：44.52MJ/kg），但单位容积热值却相当低下，从而影响到氢气发动机的动力性。
（3）推广状况
法国人Francois Isaac de Rivaz（1752—1828）1807年第一个设计了氢气内燃机（HICE）。1975年，美国专利局正式授予保罗·狄杰斯（Paul B.Dieges）改传统内燃机为氢气内燃机减排的专利，这一专利不断被后来的专利引用。虽然欧洲各国和日本进行过一些氢气内燃机汽车的试验，但氢气内燃机汽车的商业化应用仍有待制氢、储氢等技术取得突破性进展。
7）燃料电池
（1）概述
燃料电池（fuel cell）是一种无需将燃料的化学能经过热能和机械能的中间转换，直接转换为电能的发电装置。只要不断向电池加入燃料和氧化剂，并不断排除反应物，就可以持续获取电能。
将燃料电池视为未来汽车能源的呼声一度似乎成为主流话音，戴-克、通用等公司在开发燃料电池汽车方面取得了一些实质性进展，在中国的研究与试验性开发也取得了成果。这种以氢通过阳极扩散，释放电子产生电能的装置驱动的汽车，从驱动的意义上分类，应该归入电动汽车类。燃料电池作为将化学能转换为电能的装置，仅从输出来考察，其功能也与常规的化学电池相同。从自身的一般结构看，这种被称为cell的装置与battery都由电极和电解质组成，但从工作原理看，二者却有着本质区别。首先，从输入能量的形式看，燃料电池输入化学“燃料”，常规电池输入电能，这说明，燃料电池不是储能装置，而是发电装置；其次，从输入与输出的时间关系看，燃料电池只在有能量（物质）输入时才有能量输出，而蓄电池放电的能量来自预先输入的电能，放电时无需输入能量，这也说明，燃料电池是能量转换（发电）装置，蓄电池只是储能装置。此外，虽然所有的电极和电解质都会在使用中逐渐损耗，但大部分被称为燃料电池的装置在理论上都不消耗电极和电解质。有鉴于此，不加区别地将燃料电池汽车归入电动车类有可能抹煞两者的本质区别。依据输入能量的种类分类，将燃料电池归入利用氢燃料类装置比较符合实际。鉴于燃料电池与燃氢内燃机又有本质区别，故将燃料电池和燃料电池汽车列为专题讨论。
人类很早就开始探索燃料电池发电的原理。1801年，英国化学家戴维（Humphry Davy，1778—1829）就演示了燃料电池的原理，试验了以碳和氧为燃料，硝酸为电解质的碳氧电池，此时，发明伏特电池（Volta battery）才一年，卡诺（Sadi Carnot，1796—1832）创立理想热机的热力学理论还要等到23年后。1838年，英国物理学家格罗夫（William Grove，1811—1896）制成了浸在用多孔陶瓷分隔的两种酸液中的锌和铂电极放电的装置[99]，试验了氢氧燃料电池的发电原理，因此获得了“燃料电池之父”的称誉。1894年，奥斯瓦尔德（W.Ostwald，1853—1932）用热力学分析揭示了燃料电池直接发电的效率高于受卡诺循环限制的热机发电。但燃料电池受到材料和结构的限制，产能低下，实验研究一直没有重大突破。直到1932年，英国工程师弗朗西斯·培根（Francis T.Bacon，1904—1992，哲学家培根的后裔）可能才算第一次制成功燃料电池，1959年，培根展示了实际应用的5kW、效率60%的燃料电池装置。同年，伊瑞格（Harry Karl Ihrig）团队也用研制的15kW燃料电池装备了拖拉机。20世纪60年代，美国宇航局将燃料电池用于航天飞行获得成功，推动了燃料电池的研发。氢氧燃料电池曾被美国和苏联用作空间轨道站的电源。90年代以后，在寻找清洁能源的推动下，燃料电池得以长足发展。
装置伊瑞格燃料电池的拖拉机是燃料电池在机动车上的首次应用。1966年，通用研发的第一辆道路用燃料电池汽车——雪佛兰电动货车（Chevrolet Electrovan）问世，其氢转换装置占据的空间大，实用性差。1997年，欧宝公司（Opel）才在日内瓦国际汽车展上展出实验轿车样车新达（Sintra），1998年又推出燃料电池轿车车赛飞利（Zafira）。由于低排放甚至零排放以及地球上氢的来源广泛，使燃料电池在化石燃料的代用品中被一些人看好，被认为是最有希望成为未来汽车动力源的化石燃料代用品，各国竞相进行用于汽车的研究，美国、日本、德国、中国已经制造出实用型燃料电池汽车。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》将燃料电池汽车整车设计、集成和制造技术，以及燃料电池发动机列为交通运输业的优先发展主题。
（2）燃料电池的发电原理
氢氧燃料电池发电的基本原理是电解水的逆反应。将氢气和氧气（通常从空气中获得）分别供给电池的阳极和阴极，氢通过阳极扩散，与电解液发生反应，放出电子，这些电子即可流经外部负载到达阴极（因电学规定自由电子从负极流向正极，所以燃料电池的阴极即电学的正极，阳极即负极），在阴极处与氧原子结合生成水，作为反应的副产品排出。燃料电池按工作原理分为酸性和碱性两类，图4-37表示了两类燃料电池的发电原理。
氢氧化合的反应虽是释放能量的反应，但发生反应的前提是分子获得足以越过活化能垒的能量，否则，会因反应速率低下，不能提供足以工作的功率而失去实用意义。为此，燃料电池使用了催化剂，并且电极用多孔材料制成，以增大燃料、电解质、电极三相的接触面积。此外，改善燃料电池的低温工作性能也是研发的一个重要课题。
单个燃料电池产生的电压很低，约0.7V左右，必须用双极板将多个电池串联起来，组成电池堆，才能提供足以工作的电能。
图4-37 酸性（上图）和碱性（下图）电解质燃料电池的电极反应和电子流动
（3）燃料电池和燃料电池汽车的分类
燃料电池的分类方法有多种，通常以电解质的类型分类，见表4-26。电解质的类型决定了燃料电池的工作温度、电极上所用催化剂以及发生反应的化学物质。按电解质分类，燃料电池大体上可分为五类：质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。还可按燃料种类分为氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池、乙醇燃料电池等，按燃料的处理方式分为直接式、间接式和再生式。
表4-26 燃料电池的分类及特征
资料来源：DOE Hydrogen Program.Hydrogen & Our Energy Future.26.
燃料电池汽车（FCV）可分为两大类。一类是直接燃料电池汽车（DFCV），在这种汽车的电池里，燃料直接被电化学氧化，燃料可以是氢气或者甲醇等。目前在国际上研究较多，试验运用较成功的质子膜交换燃料电池汽车就是DFCV。另一类是间接（处理）燃料电池汽车（PFCV），在这种车上，燃料首先通过燃料处理机将燃料转换为氢气，然后将氢气输送到燃料电池发电，燃料可以是汽油或甲醇等。
由于燃料电池的峰值功率及动力输出的动态响应特性不能完全适应汽车多变的工况，往往需要一些辅助的动力来源来改善动力输出的动态响应特性，在通常情况下，燃料电池并非系统唯一的动力来源，还需要增设辅助的储能装置和调节装置，从而构成混合动力系统。储能装置用以在加速或爬坡时提供峰值动力，回收制动能量，以确保燃料电池动态响应适应工况的变化，使系统运行平稳，使运行效率维持在较高的水平并保障系统的可靠性。储能装置可以是蓄电池，也可以用超级电容。
于是，FCV的动力链就有了并联混合（储能装置与燃料电池堆并联）和串联混合（储能装置与燃料电池堆串联）两种基本的结构型式，见图4-38。燃料电池汽车可以取消传统汽车的机械传扭机构，将电动机直接安装在每一个车轮上，构成线驱动型式。
图4-38 燃料电池汽车混合动力的结构型式
（4）比较优势
①储量丰富。化合态的氢元素在地球中储量丰富。
②能量转换效率高。燃料电池徒有“燃料”的虚名而不发生燃烧，因而区别于热机的最显著的优点就是能量转换效率不受卡诺循环效率的限制，最大理论效率高达62%～83%（按高热值计算）[100]。
③行驶中零排或低污染排放。以氢气为燃料的燃料电池主要生成物为水，属零污染排放；用碳氢化合物为燃料的燃料电池主要生成物为水、CO2和CO等，属超低污染排放。
④效率适应性好。燃料电池在很宽的功率变化范围内均能保持高效率，并且超载性能优良，特别适合于汽车动力性能的要求，而内燃机在不同转速下的效率变化大。
⑤结构简单。燃料电池在静止状态下完成能量转换，没有运动零部件和摩擦副，没有因零部件磨损引起的故障，结构件大多数为板状件和管件；由于对零件的耐热性能要求不高，散热系较内燃机简单；排放物无需净化处理和消声处理。
⑥与活塞发动机相比，燃料电池由于没有运动件，从根本上消除了发动机的振动和噪声，计入外部燃料处理设备，燃料电池产生的噪声也低。
⑦可以灵活地配置和在车上布置。燃料电池堆由多个单体电池串联组成，易于配置成为不同规格的系列燃料电池组供不同用途的车辆使用，在车上的布置也较内燃机灵活。
（5）比较劣势
①成本居高不下，这是燃料电池长期徘徊在市场门外的重要原因。美国能源部（DOE）把降低成本，提高耐久性和工作性能作为燃料电池技术改进的方向。DOE认为，鉴于车用内燃机动力装置的单位成本约在25～36美元/kW之间，车用燃料电池系统的单位成本在30美元/kW左右才有技术竞争力。DOE燃料电池技术规划组（FCT）发布“Fuel Cell Technologies Program Record#：12020”（燃料电池技术计划进展12020号）称，以2012年的技术水平，80kW的直接式PEMFC系统的单位成本已达47美元/kW，比2008年降低了36%，比2002年降低了83%，再降低36%即可达设定的目标。DOE预计，2017年将达到30美元/kW的目标。但这一乐观的成本是一家战略分析公司基于年产量50万辆，在与包括FCT在内几个分析团队通讯和讨论后推导出来，经FCT认可的预测。问题是，单一型号的FCV的销量很小，使价格居高，价格高又限制了销量，如何走出这个死循环呢？2013年12月东京车展期间，丰田声称在2015年将销售价格在5万～10万美元之间的燃料电池轿车，这已经比成本百万美元的概念FCV下降了许多[101]，仍然难与内燃机汽车竞争。成本居高的直接原因是采用了稀有金属铂（Pt）做催化剂，虽然铂的用量已从2005年的1.1g/kW降到2009年的0.2g/kW，低于DOE设定的2010年目标0.33g/kW[102]，2012年稍有上升，达0.22g/kW（净功率），离DOE为2015年设定的0.125g/kW已不太远，各种部件的成本也已降低，但性价比与大众接受度之间，仍有很大距离。燃料电池要作为大众交通工具的动力，仍有待于具有成本竞争力的新技术出现。
②燃料储运和携带困难。由于氢气的能量密度极小（常态氢相对汽油的容积系数为3208），且易燃、易爆、易逸散，给储运和携带来诸多困难。目前采用的液态储氢、气态储氢、金属氢化物储氢、碳吸收储氢等均不够成熟。如采用液态储带，则必须解决—253℃超低温带来的一系列技术难题；即使采取70MPa高压气态储带，能量密度仍低于汽油。且氢的易燃、易爆、易逸散使其储存、保管、运输都需要采取比常规燃料更严密的安全措施。鉴于“11.22”青岛输油管爆炸等事件的惨痛教训[103]，储运易泄易爆的氢要确保万无一失，一要有成熟的技术做保障，二要大投资，还不能不顾及储氢站附近和运输沿途公众对储运氢燃料的态度。
③要求精密的密封性。由于连接单体电池间的密封不良会导致氢气泄漏，不仅严重影响电池的效率，还容易引起氢气燃烧，故电极板间的连接必须有精密的密封，而氢气又是极易逸散的气体，使得燃料电池的制造工艺格外复杂，也给使用和维护带来困难。
DOE给车用燃料电池提出的耐久性指标是5000h（24万km），DOE公布的2012年示范耐久性为不小于2500h（12万km），比2006年提高了163%[104]。
④需要重建社会的燃料供给系统。采用氢做燃料，须重构社会的燃料供给系统，这将是一项庞大、长期的社会工程，涉及到石化、电力、机械、化工等行业的调整，在创造新产业的同时，也会颠覆一些行业，甚至可能会波及到全球的经济和政治格局的调整。如果采用其他燃料（如甲醇、乙醇）制氢，也需要对历经100多年建立起来的燃料社会化供给系统进行改造，亦非短期可以完成的工程。
⑤在保管和运输氢气的过程中，氢气不可避免地会泄漏到大气中，将导致大气的氢含量增高，不仅会影响地球的生物多样性，还会引起同温层水蒸汽含量增加，降低同温层的温度，导致南极上空的臭氧空洞扩大[105]。大量使用铂对生态环境的影响也不可等闲视之。
必须指出，制备氢气的过程抵消了氢燃料的比较优势。除大气中含有极少量的氢气外，地球上不存在独立的氢气，必须分解含氢化合物来制备氢气。制备氢气的过程是一个耗能的过程，如果用碳氢化合物制备，仍要排放CO2等物，这样就抵消了燃料电池高效率、低排放的优势。有人指出，一辆中级汽车使用分离石油获得的氢气，总能耗是其使用汽油的2倍以上，如果使用电解氢气，总能耗则高达4倍以上[106]。
（6）燃料电池汽车的实用化进程
进入21世纪后，各大汽车公司都加快了燃料电池汽车的研发进程。据中科院大连化学物理所调查，至2003年6月，世界上已经有近20家汽车公司的70余种燃料电池汽车车型[107]。通用、福特、戴姆勒、宝马、丰田、本田、菲亚特、现代等汽车公司都开发了FCV。通用曾是燃料电池汽车的先行者，曾推出多款燃料电池概念车，雪佛兰燃料电池车依伟诺克斯（Equinox）完成了16万km实地行驶试验，也未在商业化方向上迈出实质性的步子。戴-克曾用包括向北京交付的三辆公交车在内的36辆燃料电池公交车进行试验性商业运行，终因费用过高难以为继。清华大学、同济大学也开发了FCV，采用两校技术的FCV也在上海世博期间进行了运行试验。有的公司声称2010年实现FCV销售，但没能实现市场化销售。据DOE发布的2012Fuel Cell Technologies Market Report（《2012年燃料电池技术市场报告》）披露，美、欧、日等国都鼓励进行氢燃料基础设施建设，尽管围绕FCV的研发，车企间进行了广泛的合作，FCV的商业化最早也要到2017年[108]。虽然燃料电池汽车在速度、续驶里程、驾驶安全、驾驶乐趣等方面已与燃油汽车相差无几，但昂贵的价格和缺乏社会支撑体系仍然是未能跨越的商业化鸿沟。即使实现了燃料电池汽车的商业化生产，也还要再经多年的开发和建设才能满足消费者的使用需求。
有人把副产氢和制氢结合起来思考，为副产氢的利用和氢燃料来源找到了两全其美的路子，克服了制备氢气能耗高的劣势。氢气主要用作化工合成原料或中间产品，大部分氢气的生产和消费集中在合成氨、炼油、精甲醇、氯碱化工等生产企业，在生产过程中一部分氢气被驰放到空气中。全球年产氢气4500万t[109]，美国2011年产氢气930.3万t，其中557.9万t自用，337.9万t商用[110]，中国包括焦炉煤气、工业驰放气在内的超过500万t氢气没有合理充分利用[111]，燃料电池给这些氢气找到了有效的用途。以CAERC提供的轿车1.2kg/100km、客车9.56kg/100km（目前水平）的耗氢率，按轿车年行驶2万km[112]，客车年行驶2.5万km计算，中国未有效利用氢气的一半（另一半发电）可供1041.6万辆燃料电池轿车使用，或104.6万辆燃料电池客车使用。
但是，以化石燃料不可永续推论，来自化石燃料的副产氢气也不可能长期为汽车提供动力，用碳氢化合物制氢也要产生CO2，迫于减排CO2的压力，需要找到用可再生资源制氢的办法。可供选择的方向有多种：利用太阳能、风能或潮汐发电分解水制氢气，用生活垃圾制氢等。人们开展了生物制氢的研究，企图利用蓝绿藻产氢、光合细菌产氢和暗发酵产氢。这方面的研究已经进行了多年，难点在转换效率极低和成本高[113]。但这种思路未必不能在弄清生物产氢机理之后，在综合利用农产品废弃物中找到用场。无论采用何种方法，付之工业化生产的制氢工艺都必须保证能耗的效率，还必须具有能在与其他能源竞争中生存的价格。
8）太阳能
太阳能指太阳光直接辐射到地球上的能量。装有车载光电电池，直接将太阳的辐射能转变为电能提供驱动力的汽车被称为“太阳能汽车”。从按驱动方式分类的角度看，太阳能汽车也属电动车的一种类型（图4-39）。
（1）主要优势
①可永续利用。太阳每年辐射到地球表面的能量为5×1024J，人类目前对这部分能量的开发利用不过九牛一毛，在人类现有的智慧可以预计的未来无短缺之虞。
②零污染排放且噪声小。太阳能在整个生命周期中不需燃烧即可获取和做功，所以太阳能是零排污的清洁能源。由于太阳能汽车没有燃烧，所以可以低噪声行驶。
图4-39 试验中的太阳能汽车
③可无偿获取。用户一次投资后，即可无偿获取太阳能。
④以收集的方式供能，无需运输与分发。
（2）主要技术难关
①能量密度低，采集困难。1m2单晶硅电池板一年最大净获能131.4kW·h[114]，为了采集到足以正常驱动汽车的能量，必须设置足够大的太阳能电池受光面积，增大了汽车的质量，也增大了总体布置的难度。为了最大限度布置太阳能电池板，不得不牺牲使用方便性，削弱了实用性。
②效率低。受到光电转换效率的限制，目前商用太阳能电池的最高效率仅为24%左右。
③成本高。目前，太阳能电池的造价很高，还不能为商业用户接受。为了充分利用绝对量不大的能量，使汽车达到一定的比功率，太阳能汽车必须用轻质高强度材料制造，从而抬高了成本。这又带来整备质量小，共存安全性差。
④使用受到自然因素的制约。太阳能汽车只有在光照充足的情况下才能正常工作，使用受到不可预测的自然因素的掣肘，有悖人类为追求自由通行而使用汽车的初衷。双能源虽可补救这一缺陷（在阴、雨天和夜间用其他能源驱动），但毕竟是用其优势的对立面补救自身的缺陷，使太阳能的优越性打折扣，也使在光照不足的地区推广太阳能汽车的可行性受到挑战。
（3）推广状况
多晶硅近期的理论限制效率为20%，试验效率为14%，商业效率为11%～18%；单晶硅分别为28%、17%、14%～17%；Ⅲ～Ⅴ族（GaAs、InP等）分别为35%、25%～35%、22%[115]。由于能量密度低和使用受自然因素的制约等自身固有的原因，直接接收太阳能的汽车有无商业价值尚待讨论，但作为人类开发永续、清洁能源的一种探索应该受到肯定。夏普（Sharp）公司2013年宣称研制出转换效率达37.9%的三结复合物（triple-junction compound）太阳能电池[116]。据称，四结以上太阳能电池的实验室效率在2014底达46%。多地举办了多种太阳能汽车比赛，吸引青年学子创新，但企业投入开发的不多。
澳大利亚阿德莱德（Adelaide）市有一条由市议会倡导的免费电动公交，24座，可载40人，用太阳能电站收集的能量充电[117]。在日照充足且能源匮乏的沙漠地区，太阳能汽车可能会成为人们出行的用具。在日照充足地区使用的公交客车、大型旅游客车、冷藏车等车型的车顶可装置太阳能电池板，集成的能量可供空调、冷冻机等辅助设备使用，以分担发动机的消耗负担。若在相当于一个40呎集装箱的顶部铺满太阳能电池板，设备每天使用8h，按年净获能131.4kW·h/m2计算，平均可提供1.3kW的功率。
9）生物质能
（1）概述
我国《可再生能源法》第四条规定：“国家将可再生能源的开发利用列为能源发展的优先领域”，第三十二条定义生物质能：“指利用自然界的植物、粪便及城乡有机废物转化成的能源”，将生物液体燃料定义为：“指利用生物资源生产的甲醇、乙醇和生物柴油等液体燃料”。生物质能即储存在生物中的太阳能，主要指植物含有的葡萄糖、油脂、淀粉和木质纤维素分子中储存的能量。植物在阳光的作用下发生光合作用，从大气中吸收CO2并将其制成简单的糖（碳水化合物）；植物燃烧时，储存的能量以热能的形式释放出来，CO2又重新被释放回大气中。通过氧化反应，植物完成了一次能量和CO2的转换循环，以整个循环过程计，可相对于燃烧化石燃料有效减排温室气体。地球上的植物每年通过光合合成近2000亿t有机物，同时捕获3×1021J的太阳能，相当于人类全部耗能的10倍[118]。石油有机论实际上认为，化石能源也是由生物质能转变生成的，只不过化石能源不可再生，因而打破了碳平衡。
人类最早利用的能源就是生物质能。绝对年龄距今70～23万年前的北京猿人遗址出土的木炭、灰烬及烧石、烧骨等痕迹证明，中更新世的人类就已经学会了使用生物质能。迄今为止的人类历史进程中，人类在绝大部分时间里依靠生物质能（薪柴、植物油）煮食、取暖、照明、从事生产和建设。战国时秦蜀郡太守李冰（生卒年不详）父子开凿岷江宝瓶口，修建都江堰水利工程时所用的伐薪烧崖，浇水裂石的凿岩方法就可视为生物质能在建设工程中的早期应用。自从1859年美国人德雷克（Edwin L.Drake，1819—1880）用顿钻在宾夕法尼亚州打出世界上第一口油井以后，人类才逐渐放弃使用生物质能转而大量使用化石燃料。奥托试图用乙醇做内燃机燃料，狄塞尔用花生油驱动试验样机，福特研发过乙醇汽车。只是到了近代，由于交通的高度发达和高度机动性的社会需求，高热值的石油燃料才主宰了交通燃料市场。至今，世界上仍有24亿人口依靠生物质功能生活，16亿人生活的地方不通电[119]。从历史的角度看，人类在21世纪用科学和技术再度发展生物质能乃人类用能方式超越性复归造化初境。
在历史上，每当石油供应出现危机的时候，人们就力图从生物质能的开发上寻找出路。一战结束后，出于国家安全的考虑，贫油国曾投入科技力量研制生物燃料和生物燃料汽车。在“一滴汽油一滴血”的抗日战争中，中国人依靠自己研制的木炭汽车和生物燃料，顽强地支撑了后方的民用运输，图4-40是当时使用的木炭车。巴西早在1931年就通过立法推广乙醇燃料，80多年来，一直在利用本国盛产甘蔗的资源特色发展乙醇燃料，并且在这一领域处于领先地位。2007年3月，小布什（George Walker Bush，1946—）出访巴西，一个主要的议题是商谈巴西向美国转让乙醇燃料生产技术。在二战后的62年中，美国恐怕还是第一次向发展中国家寻求技术转让，媒体称布什此行为“乙醇之旅”。因此，发展生物质能不仅具有资源、环保意义，还具有摆脱对产油国的资源依赖，维护国家独立的政治意义。
图4-40 1941年行驶在大后方的木炭车在加碳。从车上的“贵”字看出，该车与贵州有关。（引自“重庆晚报第一眼”）
（2）生物柴油和生物丁醇
有关醇类的情况在之前已作介绍，在此着重简介生物柴油和生物丁醇的有关情况。
根据GB/T 20828—2007的定义，生物柴油系指“由动植物油脂与醇（例如甲醇或乙醇）经脂交换反应制得的脂肪酸单烷基脂，最典型的为脂肪酸甲脂”，生物柴油是含氧量高的复杂有机成分混合物，热值约37.27MJ/kg，比石油基柴油低13%，其性能近似于石油基柴油（有的性能优于柴油），可用于常规柴油机，故称生物柴油（biodiesel）。
科学家早在1853年就用植物油进行了转酯化反应。狄塞尔1893年8月10日用来转动他第一台样机的就是花生油，为此，8月10日被定为“国际生物柴油日”。狄塞尔1912年预言：“植物油用作发动机燃料在今天似乎没有意义，但总有一天，这种油会成为和今天的汽油和煤焦油产品一样重要。”。1937年8月31日，布鲁塞尔大学的查瓦尼（Chavanne）获得一项从甘油中分离脂肪酸的专利，他的工作可能算是生产生物柴油的第一步。1977年，巴西科学家发明工业化生产生物柴油的工艺，申请了专利。奥地利Gaskoks公司1987年11月建立了世界第一家生物柴油试验工厂，1989年建成世界第一家工业规模的生物柴油厂，年消耗3万t菜籽。20世纪90年代，欧洲多国建起用菜籽生产生物柴油的工厂，在生物柴油中混合5%的石油基柴油，供专属车队使用。至1998年，奥地利生物柴油研究所已与21国的生物柴油商业项目有过关联。现在，纯生物柴油在遍及欧洲的许多常规加油站都可以加注[120]。
生产生物柴油的原料根据各地物产不同而异，美国主要用大豆，欧洲主要用菜籽，东南亚主要用棕榈籽，印度用桐油果，南非用葵花籽，日本用餐饮废油，中国用餐饮废油、棉籽、大豆，因而生产工艺各不相同，产品的性质也存差异。不同原料的饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸含量不同，甚至差别大到影响生产出的生物柴油成份，不同的生产工艺对产品成份也有影响。上述原因导致了欧、美两地生产的生物柴油的产品标准的差异。德国制定了生物柴油的相关标准，2003年上升为欧洲标准EN14214 Automotiv Fuels-Fatty Acid Methyl Esters（FAME）for Diesel Engines-Requirements and Test Methods（《柴油发动机用车用燃油中脂肪酸甲酯的规范及测试方法》），在欧洲统一实施。EN14214规定了25项生物柴油技术指标，2008年11月发布新版。美国材料试验协会（ASTM）1996年出台了生物柴油技术规范标准ASTM D6751，经多次修订，最新版本为ASTM D6751-15C Standard Specification for Biodiesel Fuel Blend Stock（B100）for Middle Distillate Fuels（《中间馏分燃料用生物柴油调和油（B100）技术规范》），分S15级和S500级，12版规定了18项技术指标。
中国也根据自己的国情，参照发达国家的水准，制定了自己的生物柴油产品标准。2007年5月1日，国家质监局、国家标准化委员会发布的BD-100生物柴油（纯生物柴油）国家标准《柴油机燃料调和用生物柴油》（GB/T 20828—2007）正式实施，标准涉及到16项技术指标，2010年又发布了《生物柴油调和燃料（B5）》（GB/T 25199—2010）。
生物丁醇（biobutanol）近年引起了燃料业的注意，其原料、生产工艺和性能与生物乙醇相似，能量密度（29.2MJ/L）接近汽油高于乙醇，与汽油混合蒸汽压力低，不易气阻，与汽油混合对水较宽容，腐蚀性较小，能与汽油高比例混合，可用常规运输和分发系统，无需改造车辆。2003年起，BP和杜邦公司联合研发糖发酵生产丁醇工艺，已向2012年伦敦奥运会和帕运会[121]部分官方用车提供掺有24%生物丁醇的燃料。
（3）生物液体燃料的原料资源
供汽车使用的生物液体燃料主要有甲醇、乙醇和生物柴油，生物丁醇也开始作为车用燃料开发。用于生产生物液体燃料的原料有淀粉植物、非食用糖料、木质纤维素植物和含油藻类植物。业内称用谷物、食用糖作物（如甘蔗）制备的乙醇和以食用油料作物（如菜籽）制备的生物柴油为“第一代生物燃料”，称用非食淀粉或糖料作物制备的乙醇和用油料能源作物种仁等制备的生物柴油为“1.5代生物燃料”，称纤维素乙醇和F-T合成生物柴油为“第二代生物燃料”，称藻类生物柴油为“第三代生物燃料”。生物质原料分为种植资源和非种植资源，种植资源指以生产能源为主要目的而种植的植物资源，非种植资源指植物残体及利用过程产生的固体废弃物，多为纤维素类物质，以及废弃油脂、禽畜粪便等。考虑竞争性用途[122]，当前我国秸秆可能源化利用量8100万t，林业剩余物可能源化利用量1.2441亿t。再考虑发电、制造非液体燃料对这些资源的消耗，则可产生液体燃料的原料资源为1.85亿t，另有335万t可收集的废弃油脂，用直接当量法估算，能源植物的资源潜力约为17.29EJ（1018J）。2050年我国可产生物液体燃料的农林剩余物为2.1亿～4.46亿t[123]。
有鉴于发展第一代生物燃料的浪潮带动了国际粮油价格上涨，与民争食，况且，用粮油作物生产生物燃料既不经济也难以提供充足的能源，即使玉米的产量提高2～3倍，也取代不了人类对石油需求的1/10，必须开辟储量丰富的非粮油作物原料。业界认识到第一代生物燃料的负面作用后，开发了介于第一代和第二代之间的1.5代非粮油生物燃料，尔后开发了以自然界生成量最多的有机碳分子——纤维素为主要原料的第二代生物燃料。二代生物燃料不从淀粉取糖，而以速生林木、秸秆、造纸纤维渣、林产品废弃物和其他生物质废弃物为原料，不占耕地，原料成本低，且不与粮油争价，还可消化废物，实现循环利用，而纤维素储量丰富，植物生长迅速，2006年以来得以积极发展。第二代生物质燃料的制备技术现有生物化学法（发酵）、热化学法和混合法。微藻的单位面积产量可比陆地植物高30倍左右[124]，以微藻为原料制备生物柴油具有原料低投入高产出、不争地的优势，用细胞工程和生化技术生产生物柴油是一个研发的热点，但需要防范转基因藻类流入自然生态系统的风险。适合在我国种植的能源植物如表4-27所示。
表4-27 适合在我国种植的能源植物
（续表）
数据来源：除木薯种植面积和产量外，其余数字取自《中国车用能源展望2012》表8-6。
（4）生物燃料的技术发展阶段
主要生物燃料制备技术的发展阶段如图4-41所示。
图4-41 主要生物燃料制备技术发展阶段
注：根据《中国车用能源发展展望2012》图8-6。
（5）主要优势
①来源丰富，可循环再生。2010年人类年消耗3.7×1020J能量[125]，其中用于机动交通的部分与地球上的植物每年通过光合合成的有机物中储存的3×1021J太阳能相比，可谓来源丰富。生物燃料可用草本植物、木本植物、水生植物、植物种仁、林产品废料、农业废弃物、畜产品废料、畜粪、泔水油、有机垃圾等制备，可谓来源广泛。
②有利于保护生态环境。植物在生长期间通过光合吸收大气中的CO2，燃烧生物燃料则将植物在生长过程中消耗的CO2重新释放回大气，故不会像燃烧化石燃料那样导致大气中CO2浓度增加，加之生物燃料含氧，燃烧比化石燃料完全，更有利于生态。有人基于DOE的生物柴油统计数据，用生命循环分析法，对生物柴油从生产到消耗的整个生命循环中的能量消耗及产出、循环中的排放进行了分析，结果表明，生物柴油的石化能效比约为柴油的四倍，在循环中的CO2排放降低78.4%，发动机排出的有害物质中，除NO2增加8.89%外，CO、THC、PM等大幅降低[126]。因而，发展生物燃料也是履行《巴黎协定》的自主贡献。同时，生物燃料含硫很低，不含铅等有害物质，燃烧后硫化物排放很低或几乎没有硫化物排放。使用生物燃料对于改善硫化物污染严重的城市空气质量尤具意义。
英国人提出了一种称为“碳中和”（carbon neutral）的环保思路，即计算出人们每年在生活中直接或间接产生的CO2量，人们每年种下能吸收等量CO2的树木，这样，全球变暖的势头就会得到遏制，直至保持碳中和平衡。发展生物燃料的基本环保原理即在于此，
③可在一定程度上打破油藏分布严重失衡的格局，有利于各国、各地区自主发展经济，可在一定程度消除爆发地缘和政治冲突的根源，有助于缩小南北经济差距。有利于发挥边远地区荒地多的优势，提高农林产品的附加值并创造就近就地就业的机会，有利于农民增收，改善边远地区的民生，弥合城乡裂罅，对于改善中国农村老幼留守的家庭分裂状态和用现代文明举止改变落后的农耕生活习气都具有重要的意义。可结合防沙，治理水土流失，保护生态，处置废弃物（可缓解垃圾围城，避免焚烧秸秆的污染和地沟油流向餐桌），扶贫，建设小城镇等民生项目和消解社会矛盾统筹建设生物燃料原料基地，收一举多得之综合效益。这是发展生物燃料的特殊意义。如此，社会的产出/投入比就比燃料工厂的账面数目大许多，汽车业就起到了本书开篇中提出的“促成当今社会及人类代际间的和谐与美满”的作用。
④只要对现用的汽车燃料储运和分发系统以及在用车辆稍加改进或不用改进即可适用于生物燃料，可与化石燃油调和使用。与低温高压储运的车用燃料相比，具有社会支持系统比较完备、替代转换成本低、容易推广的优势。
（6）大规模发展生物质能源的隐忧
进入21世纪后，生物质能源以其储量丰富、可再生、对环境友好、替代转换成本低四大比较优势被看好，多国政府作为破解能源与环境难题之策倡导发展。在高涨的发展呼声中，出现了担忧的声音。
联合国能源署（UN-Energy）2007年5月8日发表一份题为“Sustainable Bioenergy：A Framework for Decision Makers”（可持续的生物质能：决策的框架）的报告，为决策者在发展生物质能上提出思考持续发展的九个关键问题：现代生物质能为贫困人群提供能量，农—工综合发展与创造就业，健康，农业结构，食品安全，政府预算，贸易及能源安全，生物多样性与自然资源管理，气候变化。这份报告详尽论述了大规模发展生物质能可能给社会、经济带来的影响，值得决策者一读。报告认为，迅速增长的生物质能产业在给社会、经济的发展以及环境保护提供机遇的同时，也带来一些风险。报告列举的发展生物质能可能带来的负面影响代表了各界对发展生物质能前景的担忧，归纳起来，有以下要点：①受种植粮食、饲料、“燃料”的不同收益引导，可能出现与粮争地，将在农户、国家、全球三个层面上影响粮食安全；②“燃料粮”价上涨将带动粮食价格上涨，给贫困人口的生活雪上加霜；③在一些地区可能会导致水资源供应紧张；④大面积种植单一植物引发生物多样性改变；⑤大面积垦荒将造成水土流失等。报告指出，在选择原料植物时，应避免使用产能低、占地广和需要传统化肥的作物。此外，还应确保原料的种植用地不侵占森林。报告提醒各国在决定是否或以何种速度发展生物质能产业之前，必须根据本地情况对发展生物质能产生的影响作全面评估。
美国是粮食净出口国，平均每个农民耕种1.69km2土地[127]，20%的玉米产量出口，占世界出口量的55%[128]，为了实现能源独立，美国2007年玉米收成的25%转变为了乙醇。特殊的资源禀赋使美国适宜发展主要以玉米为原料的乙醇燃料，即使这样，2007年美国玉米的市场价格上涨加快，也被指与制备乙醇导致对玉米需求的增长有关。有人认为，像中国这样人均耕地不足世界平均水平40%，主要粮食产能一直处于紧平衡状态，食用油一半以上依赖进口的国家则不具备规模生产生物质能的可行性[129]。
美国斯坦福大学的大气科学家通过计算机仿真发现，增加乙醇汽车，人类患哮喘等呼吸道疾病的风险将增加。另一项研究表明，汽油中的乙醇浓度超过10%，会加剧汽油挥发。有人指出，尽管巴西在生物燃料方面拥有领先优势，但由于大片砍伐森林，巴西仍是全球第四大CO2排放国[130]。
大规模发展生物质能的各种担忧虽然未成现实，但这些担忧却是大规模发展一种将影响未来社会的经济、政治和生活格局的新能源不能不认真对待和预先避免的问题。尽管对生物质能源有一个好的预期，但大规模发展一种新能源必将引起人与自然关系的调整和社会利益的重新分配，因而蕴含着风险，任何只顾商业利益，不顾社会利益的行为都是非理性的。发展生物质能需要循序渐进，步步为营，才能减少社会震荡，避免风险成为事实。
对比汽车业选择汽、柴油做汽车燃料时的情况可知，人类在发展一种新能源之初，就能够预见到大规模发展后对生态、经济、社会的改变，能够客观地透视大规模发展这种能源可能带来的负面效应，寻找趋利避害的对策，是人类洞察能力逐渐成熟的表现。
（7）燃料的化石能源强度与温室气体排放强度
大规模发展生物质能的战略性风险可以通过对风险的把握、调控趋利避害。在一地适不适宜发展生物质能的客观判据还在于替代燃料在全生命周期中，其化石能源强度是小于一还是大于一；温室气体（GHG）排放强度小于还是大于被替代燃料；抑或为负。如果化石能源强度大于一，表明获得的能量不抵为之耗费的化石能；如果GHG排放强度大于被替代的燃料，表明没有起到减排的作用；如果为负，则表明不耗化石能而输出能量，不排放GHG而吸收GHG，即产生了能量信用（energy credit）或排碳信用（emission credit）。生物质能源的WTW化石能源强度和GHG排放与原料路线、生产工艺（包括是否联产利用副产品）、管理水平等密切相关，差异很大，大于一、小于一，为正、为负都有可能。清华大学中国车用能源研究中心对各种替代终端能源进行了全生命周期分析（LCA），结果如表4-28和表4-29所示。
表4-28 各种替代终端能源的LCA结果与汽、柴油对比
注：①电力不是燃料，也不是自然能源，是第二次能源，这里将电力视为名义上的“燃料”。
②1MJ终端能源获取过程中包括各阶段投入的一次化石能源的总消费量。
③1MJ终端能源获取和利用过程中导致的GHG折算为CO2的当量排放量。数据来源：根据《中国车用能源技术路线全生命周期分析》之表4.10、表5.13。
表4-29 E10和BD20基于交通服务的能源强度
注：①以100km耗汽油8L的汽车为基准，柴油车燃油效率（km/MJ）比汽油车高20%。
②车辆行驶1km的交通服务生命周期GHG折算为CO2的当量排放量。数据来源：根据《中国车用能源技术路线全生命周期分析》之表5.16。
该项目的研究者比较了国外的研究及国内的其他的研究后，承认他们的研究比较悲观，得出的生物燃料的能耗和碳排放都比较高。他们解释了主要原因：中国的能源结构以煤为主，中国农民有大量使用肥料的习惯，中国生物燃料生产过程耗能高。
（8）发展生物质能在行动中
生物质能引起了大国政治家和政治势力的关注，时任美国总统的小布什在2003年国情咨文中就提出能源独立的目标，当时他剑指氢动力，提议拨付12亿美元研究经费，使美国能够领导世界研制出洁净的氢动力汽车。布什在2005年国情咨文中提出了综合能源战略，2006年的国情咨文提出了通过发展混合动力汽车、氢能和乙醇，到2025年实现取代75%从中东进口的石油的目标。2007年1月23日，布什在国会发表国情咨文时又提出通过制定强制性燃料标准，到2017年供给350亿加仑可再生的和替代的燃料，同时通过修改标准，到2017年多节约85亿加仑汽油的计划。至此，美国政府发展生物质能的目的和目标已经十分明晰。
美国历来试图发展生物质能，亨利·福特对用大豆提取燃料的试验很是着迷。第二次石油危机时，卡特（Jimmy Carter，1924—）总统曾给每加仑乙醇燃料0.42美分的税收减让，以鼓励生产乙醇燃料。Energy Policy Act of 1992（《1992年能源政策法》）是美国第一部直接涉及生物燃料的法律。2005年修订的《能源政策法》授予国会更多规范生物燃料产业的权力，采用多种政策倾斜，包括强制性政府购买配额、生产和消费补贴、研发支持、信贷担保等鼓励使用生物燃料。2007年12月18日，美国众议院以压倒性多数通过Energy Independence and Security Act of 2007（《2007年能源独立与安全法》），要求增加给生物燃料的拨款，鼓励大幅增加乙醇的用量，使混合生物燃料在交通上的用量到2022年达到1.4亿m3（360亿gal）。小布什总统第二天赓即签署了这一法案。美国政府的政策取向十分明晰：以国家的先期投入做引导，突破关键技术，形成质保体系，降低生产成本，让市场接受生物燃料。奥巴马政府的能源政策继续支持和引导发展生物质能，当局采取制定可再生燃料标准、“燃料庄稼”援助计划和生物燃料工作组三条措施增进生物燃料生产。正是这些政策的作用，使美国的生物燃料产量自2006年超过巴西后，一路领跑世界，巴西紧随其后。加拿大、哥伦比亚、印度、马来西亚、菲律宾、泰国都颁布了混合生物燃料的法令。
美国现在使用的是E85乙醇汽油（85%的乙醇混合15%的汽油），乙醇如同加入汽油的含氧添加剂，有助汽油充分燃烧，图4-42是美国加油站加注E85的情景。使用E85需要使用专用发动机。美国三大汽车公司于2006年5月共同签署了名为“25×25Vision”（25×25方案）的协议，承诺在2025年前，通过改造汽车，使美国25%的汽车使用燃料乙醇。通用在美国发起以“Live green，go yellew”（绿色生活，黄色出行）为口号的广告宣传，旨在吸引公众对E85的关注。至2015年中期，全球已售出约4800万辆可用多种燃料的乙醇灵活燃料汽车（FFV，含轻型货车）和摩托车，主要在四个地区行销：巴西（2950万辆）、美国（1740万辆，2014年末）、加拿大（160万辆，2014年末）、欧洲（主要在瑞典，243100辆）[131]。
图4-42 美国的E85乙醇加注站
出于能源安全和减排CO2的考虑，欧洲议会和欧洲理事会2003年5月发布2003/30/EC On the Promotion of the Use of Biofuel or Other Renewabl Fuel for Transport（《EC促进交通部门使用生物燃料或其他可再生燃料》），重申欧洲委员会绿皮书设立的到2020年道路交通部门采用20%替代燃料的目标[132]2013年欧盟委员会发布了包括Clean Power for Transport：A European Alternative Fuels Strategy（《交通清洁动力：欧洲替代燃料战略》）等一揽子推进交通部门使用替代燃料的政策，以改变欧洲交通燃料严重依赖进口的局面（2010年欧洲交通消耗的94%的能源是石油，84%为进口，导致2.5%GDP的贸易逆差[133]），这一系列政策的出发点在于打造多样化能源结构，与本书一版指出的和而不同的未来汽车用能模式相契合。欧盟的政策提出了用生物燃料掺合石油燃料的方法利用现有车辆、分发和加注系统推广使用生物燃料，然后依靠科技进步，加大生物燃料混合比例的渐进思路。这一思路可消除推广的障碍，降低风险，值得各国参考。瑞典政府2006年2月7日公布了用15年时间建成全球第一个完全不用石油的国家的宏愿，利用林业废料发展生物质燃料是实现这一计划的措施之一。
日本晚于巴西、美国和欧洲发展生物燃料，政府采取了包括增加生物质资源供给和增设加注生物乙醇设施在内的一系列措施加速E10的使用，旨在将生物乙醇的产量从2011年的5000万L提升到2030年的60亿L，相当于10%的年汽油用量。日本地方政府和各地非盈利组织共同参与名为“油菜籽项目”的小型化生产生物柴油的项目，该项目增产油菜籽以生产食用油，收集餐饮废油，用以制备生物柴油。至2009年已建成119套这样的小型化循环利用系统，年产量估计达2000万L[134]。由于日本的土地有限，日本积极开拓海外生物质能生产基地。有鉴于此，2010年6月起，日本开始研究用海藻生产生物柴油，预期在2020年成为汽、柴油商业化替代品，如果成功，估计可满足10%～20%的家用之需。
巴西1532年开始种植甘蔗，食糖是其最先出口到欧洲的商品之一。20世纪20年代末30年代初汽车进入巴西之时起，就开始用甘蔗制造的乙醇做汽车燃料。目前，巴西是世界第二大乙醇燃料生产国。2014年，美国和巴西的乙醇燃料产量占世界总量的83.4%，2014年巴西产乙醇燃料234亿L，占世界总量的25.2%[135]。巴西实行糖—醇联产，残渣用作生产的热力和动力，因而能量平衡值（输出能量/输入能量）高，成本具有竞争力。除了巴西适宜种植甘蔗的自然优势和政府的引导之外，2014年末，FFV轿车已占巴西登记轻型车辆的54%，汽油机汽车仅占34.3%。至2015年6月，轻型FFV总销量达2550万辆，这些汽车可使用各种比例混合的乙醇—汽油燃料。
2015年，中国跃升世界第五大生物燃料生产国，排名美国、巴西、德国、法国之后，当年产生物燃料243万t油当量，占世界总量的3.2%（美国占41.4%，巴西占23.6%）[136]。20世纪末，我国开始利用陈化粮发展燃料乙醇。“十五”期间，在河南、安徽、吉林和黑龙江建成了总产能达102万t/年的以陈化粮为原料的燃料乙醇工厂，在九省、市销售车用乙醇汽油。用陈化粮生产乙醇的格局随原料消耗而改变，为了利用本地资源，我国自主开发了以甜高粱茎秆为原料生产燃料乙醇的技术，并在多地开展了甜高粱的种植及燃料乙醇生产试验。现已建有年产20万t以上，以木薯为原料的燃料乙醇工厂。我国生物柴油以餐饮废油原料为主，2014年产能达300～350万t，但产能利用率一直很低。因自2011年底起，生物柴油不能进入大型国企主导的车用油销售渠道等原因，生物柴油生产企业近年正经历“生死劫”。
国家能源局编制的《可再生能源发展“十二五”规划》提出，到2015年，生物燃料乙醇年利用量350～400万t，生物柴油和航空生物燃料年利用量100万t。发改委2007年发布的《可再生能源中长期发展规划》提出了2020年生物燃料乙醇年利用量达到1000万t，生物柴油年利用量达到200万t的目标。实现这些目标的关键在于突破“挣吆喝，不赚钱”的困局和做到化石能源强度、减排GHG显现优势。要实现生物燃料赚钱，节能，减排，需从以下方面着力：①寻找光合效率更高、含能率更高，制备工艺耗能低的生物质原料；②运用现代科技提高原料的产出率，降低种植的化肥用量；③研发耗能更低、更简单的生产工艺；④联产联动，综合利用，通过深加工，延伸加工链，掘尽原料的价值；⑤针对生物燃料的生产原料含能率低、分布面广，收集原料耗能比例高和季节性强的状况（据欧训民（1978—）和张希良（1963—）的研究，麻疯树果和地沟油的原料运输耗能分别占生命周期总耗能的12%和46%[137]），采用在原料产地分布设厂，按统一的质量标准，设备兼容多种原料，就地小型化生产，就地销售的方式降低成本和GHG排放；⑥结合生态建设、水土保持、区域发展、扶贫、就地就业等目标统筹燃料农、林场和综合利用工厂的分布，用节约其他社会投入的经济效益，如用受益地区节省的生态治理投入，用就地就业节省的为解决家庭“空心化”带来的社会问题的投入，在全局账单上冲薄生物燃料的成本。总之，发展生物质能需用大思维。
图4-43 攀西裸露的山体（引自互动百科·攀西大裂谷）
我国西南、西北有大片不宜耕种或不能耕种的荒山、荒漠和沙漠，这些地区处于生态调节功能区，也是中国的贫困地区，需要在涵水、保土、固沙的前提下，适度发展，以富住民，以保生态。在这里兴办燃料农、林场和分布式（distributed system）燃料工厂，就地生产生物燃料是兼得鱼和熊掌的选择。例如，地处北纬26°～29.5°的四川攀西（攀枝花—西昌）地区属南方亚热带为基带的立体气候，光照充足，降雨较集中，年均气温在17.5℃～21℃之间，具有“南方的热量，北方的光照”，适于植物生长，境内安宁河谷以盛产农作物著称。这一地区蕴藏多种矿藏，森林覆盖率不到26%，水土流失面积达4.02万km2，每年进入金沙江、大渡河的泥沙在4860万t以上[138]（图4-43）。攀西麻风树项目的失败[139]并不等于林产生物燃料的失败，攀西麻风树种的失败并不等于麻风树生产生物柴油的失败，攀西的失败在于欠缺严谨的科学精神。大规模种“燃料”，一定要以千年大计的谨慎，科学选择物种，科学种植，确保经济效益和生物多样性，一定要严谨试验后再行推广。在低油价局势下发展生物燃料更要注重原料物种的高产高效和综合利用，综合多种社会功能协同发展。我曾到过攀西，见到那里山高坡陡，不宜耕种，山上剥土开矿，满目疮痍。目睹山民生活贫困的景况，深感攀西及邻近的滇、黔地区具有发展生物燃料的气候优势，又是亟需修复生态和脱贫的地区，在这些地区结合修复生态、脱贫和废矿场治理发展生物燃料具有多重效益综合的意义。
10）石油无机论
石油的成因一直是个谜。罗蒙诺索夫（Михаи л Васи льевичЛомоно cов，1711—1765）1763提出石油“有机说”，门捷列夫（Дмитрий Ивáнович Менделéeв，1834—1907）1876年提出石油成因“碳物化说”，俄国地球物理学家索柯洛夫（Н·Д·Соколов）1889年提出石油成因“天体分泌说”，100多年来，无机成因和有机成因一直争议不休。不过，因在烃源岩[140]（source rock）中找到石油等事实，有机成因渐成主流。苏联学者B·А·索科洛夫（B·Д·Соколов）指出：“虽然为了阐明石油的生成及其矿藏的形成，曾经提出了许许多多而且经常相反的假说和理论，……。这些学说的多种多样本身，就是石油起源复杂性的结果，同时是我们对这一问题的概念之发展的一个不可避免的阶段。”[141]2011年8月，美籍学者恩道尔（Frederick William Engdahl，1944—）的The New Energy Wars被译为《石油大棋局：下一个目标中国》在华出版[142]，书中介绍的苏联科学家的石油成因理论——石油无机论引起了我国学术界的关注，央视制作了一期恩道尔与中国学者对谈石油无机论的节目。石油无机论认为，石油和天然气的形成与古生物质无关，石油来自距地面约200km深处的地幔上层的无机物。苏联人经过45年努力，在结晶质基底岩地质构造的乌克兰盆地打出了石油和天然气，而按来自古生物理论，石油仅存于烃源岩中[143]。俄、乌两国科学家确认：“构成石油、天然气、煤炭甚至钻石基础的碳和氢的各种分子——碳氢化合物，其根源位于地球表面约200公里的地方，甲烷和甲烷混合物就生成于这个地方。甲烷混合物在高温高压下通过他们所称的‘迁移通道’被垂直向上挤到地球表面。这些迁移通道被描述为70至100公里深的断层，他们呈垂直状，形成通向地面的最短路径。”油气从地幔上层被挤到地球表面，“储藏在沉积岩中，沉积岩上的盖层岩阻止了油气进一步向上流出，从而形成了油气储藏。”[144]
如果石油会被不断挤到地表层，地球上石油储量就不止是探明的那一点点，恩道尔引用一位乌克兰科学家非常保守的估计，至少是800万倍于化石能源有限的假设。
石油无机论可以解释人们凭常识对古生物成因论的疑问：掩埋在各处的生物质怎么汇集到为数可数的油田中去的？油田分布怎么会如此高度集中？但大多数油田是按有机成因理论找到的，这其中是不是还有人未发现的奥秘？另外，石油是不是源于沉积的生物质，最有力的证据就是石油里找不找得到生物标记物。恩道尔说俄国科学家没有找到，其他国家的科学家找到没有呢？恩道尔在书中没有明确回答。同时，一旦石油无机论成立，现有的有机物的外延是不是要改写？
油、气无机成因论给解除能源危机带来了一线希望，无论怎样，新的油藏一定还会被发现，改进内燃机的工作仍然具有重大的意义。但对于现实而言，存不存在石油枯竭的威胁取决于探明的储采比，在用新理论找到大量的石油之前，石油枯竭的危机依然存在。即使石油储量千年无虞了，解决大量燃烧石油对环境的污染和对生态的破坏仍然是人类挠心的事情。