新能源汽车是如何节省能源的？
如果我们把一辆典型的燃油汽车浪费的能源算一算，就知道为什么现在全世界都在提倡新能源汽车了。假如发动机功率为100千瓦，也就是合136马力，典型的燃烧效率最高是30%。如果是在北京这样超级拥堵的市区上下班行驶，因为发动机怠速运转的时间比例高，起停次数多，效率至少还要在最优的情况上打7折，那么这时发动机效率就只有20%了。
我们假设这辆车市区百公里耗油10升，我们一天上下班总路程是50公里，也就是耗5升汽油，5升汽油燃烧总共产生16万千焦的热量，但是发动机平均效率是20%，也就是说燃烧的5升汽油中，4升作为废热浪费掉了，核算成能量就是13万千焦被浪费掉了。我们换一种计算方式：饮水机最大号的桶装水是19升装，送到家时我们假设它的温度是20摄氏度。每天开燃油汽车上下班浪费的热量可以把21桶这样的桶装水从室温烧开。
如果是用纯电的方式开车上下班呢？典型的电耗按每百公里19度计算，如果也是50公里上下班通勤，耗电9.5度，合3.4万千焦。前面我们说过，相同的情况下，燃油汽车浪费掉13万千焦。我们一旦采用电能，总共的耗能才达到燃油汽车浪费掉热量的一个零头。而我们要对比的是燃油和纯电行驶中浪费的热能，所以我们还要知道电动汽车电机的转换效率。永磁同步电机的典型效率在85%～90%这个区间，而且随负载轻重不同，效率值没有很大起伏，所以我们就拿85%这个数值来计算。纯电通勤50公里，浪费的能量是0.5万千焦，只能把一桶水从20摄氏度烧到83摄氏度，一桶都烧不开。算完就发现燃油汽车浪费的能量是纯电方式行驶的26倍。
很多纯电动汽车车主冬天行驶时都舍不得开空调，因为车辆在用电池中的电能发热，这与燃油汽车不同，燃油汽车只要把冷却水箱附近的空气吹到车内就是暖风了。如果明白废热的产生原理你就会知道，燃油汽车开暖风轻轻松松是因为它们时时刻刻都在浪费大量的能源，只不过在冬天把这部分能量中的很少一部分导入车中就足够我们感觉暖和甚至是燥热了。在夏天，这些巨额的废热就全排到车外，并且我们还要再利用发动机很低的效率产生额外的电能制冷。不知道有多少开燃油汽车的人意识到自己上下班时采用的是一种暴殄天物的能源消耗方式。全世界有超过11亿辆车在这样消耗地球资源。曾经有科普作家比喻过人类对地球的作用，他说可以把人类比作一座从1800年就开始剧烈喷发的巨型火山，这座火山不停息地把地壳下沉积的可燃烧物中的碳释放到大气层中，到现在已经连续喷发了200多年，而且喷发的趋势越来越剧烈。
刚刚我们对比燃油出行和电动出行的耗能，用的是烧开水的多少，一个可以烧开21桶，一个连一桶水都烧不开。其实，当前人们利用能源的方式大多数时候仍然保持了“烧开水”这一形式，而且还会在相当久的一段时间内依然维持这种主要形式。相当久是多久？起码是在你我变老之前。主流的新能源汽车是利用电能，用氢燃料的新能源汽车还是小众中的小众。实际上不止是民用，在工业领域中也有这么一个大趋势：电力消费的占比越来越大。现在发电的方式主要有几种：火电、水电、核电、风电、太阳能。前三种占比最高，超过90%。
火电其实就是利用燃料烧水，水沸腾后变成水蒸气推动汽轮机发电。不过烧什么东西区别就大了，烧秸秆也行，但是污染大、发热量小。目前我国烧煤是最主要的形式，还有烧燃油、烧天然气等形式做补充。核电与火电本质上也一样，区别就在于核电是烧核燃料，用反应堆产生热量烧开水，进而推动汽轮机转动发电。太阳能发电分两种：一种是光伏发电，一种是光热发电。光伏发电不是烧开水，而是利用半导体材料的光伏效应，把光直接变成电能。光热发电说得通俗一点就是用成千上万的镜子把太阳光反射并聚集到同一点，在这一点上安装好换热设施，把密集的光和热传给水，把水烧开。这有点像我们小时候用凸透镜烧蚂蚁。这种光热电站一般建在地广人稀的荒原，阳光充沛，占地面积很大，换热介质一般是油，然后再用油给水加热，水烧开后产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机发电，所以光热发电的过程本质上是用阳光烧开水。
2013年，世界能源大会给出的2011年几类能源消耗的比例显示，化石能源占比82%，核能占比5%，可再生资源占比11%，氢能源占比2%。化石能源包括煤、石油、天然气，绝大部分都是通过燃烧转化成热能然后烧开水，利用水蒸气推动各种机械；核能全部利用烧开水方式发电；刚刚说过了太阳能中一半是烧开水模式。总共算下来，我们所用的电能中烧开水模式占比超过80%。
你可能会问，为什么人类发电这件事最后都绕到烧开水这种听上去这么原始的模式上去了呢？这是因为水这种中间物质在地球上储量巨大，而且沸点低，只需要稍稍加热就可以让它变成气体。如果水是一种需要加热到500摄氏度才汽化的液体，那我们现在可能就不会把烧水作为一种主要形式了。而这个过程中最经济、转化率最高的就是汽轮机了。它的内效率可以达到90%以上。
利用烧开水模式产生电能说起来很原始，但这种对能源的利用方式能减少很多污染。有些人对纯电动交通工具减少污染不屑一顾，他们认为这只是把污染源往上挪了一级，就是说减少了车辆行驶中的排放，但增加了火电厂的排放。这种说法从过程上说有一定道理，但从数量上说是错的。刚刚说过，汽车发动机的效率在实际行驶中只有20%，而汽轮机的内效率在90%以上。当然这个效率并不是完整循环，如果考虑到排气、凝结，再次变成水，中间还有漏气的损失、散热的损失，整体效率仍然可以达到40%。我们把汽轮机输出的电给电动汽车充电，车辆最终使用电能来行驶，就算这几步转换还有20%的效率损失，整体上仍然可以把行驶中的效率从燃油汽车的20%提升到纯电动汽车的32%，这可是12%的提升。全世界11亿辆车中还有相当多的大排量高耗能的车存在，总体能源节省1%都是巨大的量，更何况提升12%。
这个变化的本质可以看成是从原来10万辆汽车配10万个小型内燃机，转换成10万辆车配1个巨型内燃机。明眼人一下就可以看出，是管理10万个分散在几十万平方公里的小型内燃机效率高，还是管理1个巨型内燃机效率高了。我们无法确保这10万个小发动机就都稳定地按20%的效率工作。更严重的是， 10万个小发动机是难整体升级的。但如果只用一个巨型内燃机，就有整体升级的可能性，比如发电的前级从火电升级为太阳能光热发电，甚至核电，后级的汽轮机和发电机还是可以不变，这样能源就变成了污染更小的形式。这样的一个转变带来的效率提升可能又是百分之几十的量级。这对分散在10万辆车中的发动机来说是完全不可能的。把最终耗能的单位都升级为耗电，就可以为整体产业升级提供机会。
因为这些潜在的意义和地球的现状，大规模集成的发电模式是人类利用能源最有希望的方式。在这个方式中，现在的火力发电系统，也就是我们今天说的烧开水模式竟然也是地球上最复杂最高精尖的系统之一。举例来说，一台汽轮机会用到50多种金属材料，叶片必须长期承受600摄氏度的高温，叶片旋转速度每秒钟100转，承受压力是270个大气压，这相当于4个成年人坐在一个指甲盖大小的面积上产生的压强，在这种高温高压的条件下还得常年工作，并且保证不变形。一套800兆瓦的汽轮机，轴向长度25米，4万多个零件组装在一起后，要求轴向长度不能超过设计长度正负0.5毫米，大家可以想象一下这是一个对精度要求多高的东西。以上仅仅是汽轮机身上的两个例子，而整套火电系统还有燃料供给系统、给水系统、冷却系统、电气系统等组成部分。
如果从煤矿说起，火力发电的过程大致是这样的：煤炭装上火车经过几千公里开到火电厂里面，整车皮的煤在翻车机上翻滚180°，一整车皮的煤在十几秒内就卸干净了。这些煤通过传送带送到磨煤机去，石块一样的煤块会被磨成直径不到1毫米的煤粉，磨得如此之碎就是为了可以在锅炉中快速充分地燃烧。为了让煤充分燃烧，需要向锅炉里吹入空气，通常要把煤粉吹到锅炉内二三十米高的地方，也就是说锅炉里会有一团团20多米高的火焰，而且吹进来的空气要分好几股，裹挟着这些煤粉，在锅炉中央充分燃烧。锅炉中完成的就是烧开水过程，把水变成水蒸气。这里的水蒸气温度有500摄氏度，200多个大气压，承载水蒸气的管子一面承受着几十米高的火焰烧烤，一面承受着200多个大气压的水蒸气顶撞，就可想而知这根管子对材料要求多高了。煤粉即使燃烧非常充分还是会有数量可观的煤渣，煤渣必须及时排走。排走过程中，这些固体颗粒也会对换热管道造成磨损，这个问题也得解决。另外，煤燃烧中产生的硫不能以气体的形式排放到大气中，否则就会形成酸雨。现在的脱硫过程已经可以生成石膏了，石膏可以出售。燃烧中还有一种副产品就是氮元素，需要脱硝系统来处理。从锅炉出来的高温高压水蒸气推动汽轮机做功。汽轮机带动发电机机工作，这是整个火力发电系统中效率最高的，任何一点扭矩都会被转换为电能，效率超过95%。最后发电厂把电压升到300千伏以上送到电网系统中，就完成了整个火力发电的过程。
火力发电系统是人类工程史上最复杂精密的系统之一，整套系统拥有几千个阀门和十几公里的管道，水温、水压、气温、气压、烟气中各有害成分的浓度都需要检测，关键位置不但有测量设备还有保护设备，重要节点甚至有多套保护设备。为了保障用水，需要给发电厂配备一个小规模自来水厂；为了冷却乏汽，需要大量的冷却塔；为了控制烟气中的粉尘，需要配备专门的粉尘处理厂；为了脱硫需要各种设备，这些设备相当于一个小型化工厂；为了脱硝也需要很多设备，这些设备的规模又相当于一个小型化工厂。算下来一个火电厂相当于一个化工集团，下设很多子厂，而真正复杂之处还在于上面提到的任何一部分出现了问题，整套火电机组就得停机了。
监控参数需要一套分散控制系统，这是火力发电系统的大脑。这套系统需要设置几万个测试点，也就是说要同时监控几万个实时变化的数据。又因为这些测量数据极其重要，所以要做冗余配置，也就是当前系统作为主控系统，另设一个备用系统时刻监视主控系统，一旦发现有异常，立刻接管控制权，并且立刻进行备份。各测试点采集数据的频率不一样，重要的部分一秒采集几千次，不重要的部分一秒钟采集一次。这个复杂的系统分布在几平方公里的范围里，一旦出了故障，就要判断是哪里最先发生的，所以几万个测试点都需要在时间上做对齐，对齐的精度要达到零点几毫秒，这就需要GPS来保障了，现在为了保证系统安全，也在使用我国自己研发的北斗系统。
当整个机组正在稳定运行时，突然接到国家电网的调度指令：某个区域用电需求增加了，需要增加发电量。这时就要让更多的蒸汽进入汽轮机；为了产生更多的蒸汽，就要多加煤；不过燃烧不止是煤的问题，还需要多加入空气；这还没完，蒸汽是水变的，所以同时还需要增加水。就这样，为了提升发电量，需要逐步增加煤、空气、水的量；并且这些东西不能同时加，得有先后次序；加的时候还得监视各种温度、压力、流量，一旦出现异常要有后备手段。不按照一定的套路做，轻则造成工况扰动，重则跳炉停机，那就是事故了。
如果20年后新能源汽车已经占据汽车总量的一半，那么带来的效果是石油企业产量减少40%，电力企业发电量还需要大幅增加才能满足电动汽车的充电需求，所以新能源汽车的出现会让电能占比越来越大这个趋势更加明显，而在此基础上，烧开水模式还是我们最重要的获取能源的方式。
解读
文章中提及的20多倍的能源浪费是最能抓住读者注意力的。很多网站宣传新能源汽车的优势时都会突出这一点。但只要稍稍深入，对比一下传统汽车“从油井到车轮”的效率和纯电动汽车“从煤矿到车轮”的效率，就会发现20倍的效率被吞噬掉绝大部分。最终新能源汽车的节能优势只有10%～20%。
另一个有意思的发现是，水是能源转换过程中绝佳的媒介，这一点哪怕到核聚变成为能源主力时也依然会如此。所以发电厂会长期稳定地维持现有形态，简单来说就是烧开水。这个过程中涉及的技术已经相当成熟稳定，没有大幅提升的空间。
另外需要补充的是，关于化石能源何时会被其他新能源取代的问题，现在大部分媒体都过于乐观。实际情况是，如果以化石能源在能源总消耗中的占比小于一半为标志，最快也要到60年后。这个推断有4个参考数据：
①1840—1900年，煤炭供能占比从5%到50%，用时60年。
②1915—1975年，石油供能占比从5%到40%，用时60年。
③1930—1990年，天然气供能占比从5%到25%，用时60年。
④1990—2012年，全球化石能源消耗比例从88%降低到87%，用时22年。
所以可以这样说，读者中的绝大部分人都见不到新能源成为主流的那一天。
