為研究氫內(nèi)燃機(jī)汽車推廣應(yīng)用潛在的經(jīng)濟(jì)價值，對氫氣的生產(chǎn)成本、氫內(nèi)燃機(jī)汽車的改裝成本、運(yùn)行成本進(jìn)行了調(diào)查研究，探討了轎車和公交車改裝氫內(nèi)燃機(jī)后潛在的碳交易收益。研究結(jié)果表明，當(dāng)前技術(shù)條件下，氫氣使用成本為2～2.5元/m3。與汽油轎車相比，氫內(nèi)燃機(jī)轎車可節(jié)省35%左右的燃料費(fèi)用；與城市單層中型柴油公交車相比，氫內(nèi)燃機(jī)公交車可節(jié)省20%左右的燃料費(fèi)用。在不考慮政府補(bǔ)貼的前提下，氫內(nèi)燃機(jī)轎車運(yùn)行3年的碳排放收益與運(yùn)營成本節(jié)約能夠抵消改裝成本，氫內(nèi)燃機(jī)公交車運(yùn)行10年可抵消改裝成本。與CNG汽車相比，氫內(nèi)燃機(jī)汽車能夠持續(xù)、穩(wěn)定地獲得可觀的碳交易收益。因此，氫內(nèi)燃機(jī)轎車及公交車的推廣具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和長遠(yuǎn)的環(huán)境效益。
關(guān)鍵詞：氫氣；氫內(nèi)燃機(jī)；經(jīng)濟(jì)性；碳排放收益
中圖分類號：TK431文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2014.01.03
Abstract：To study the potential economic value of hydrogen internal combustion engine vehicles， the hydrogen production cost and the conversion costs of traditional vehicles to hydrogen-fueled ones were investigated. The income gains from emission trade when converting cars and buses to hydrogen-fueled vehicles are discussed. The investigations show that the cost of using hydrogen is about 2 CNY/Nm3 to 2.5 CNY/Nm3. Compared with gasoline cars， hydrogen internal combustion engine cars can reduce fuel consumption costs by 30%. The fuel consumption costs of hydrogen buses can be reduced by 16% compared with those of single-deck diesel buses. Without considering the government subsidies， the conversion costs of gasoline cars to hydrogen-fueled cars will be offset by the emission trade and fuel savings within three years.The conversion costs of diesel buses to hydrogen-fueled buses will be offset in 10 years. Therefore， improved economic and environmental benefits will be realized by developing hydrogen-fueled vehicles.
Key words：hydrogen； hydrogen internal combustion engine； economy； carbon trading
近年來石油資源的消耗日益增長，21世紀(jì)僅車用燃料的需求就占全球石油總需求的52%，未來大約有94%的石油消費(fèi)增長都將緣于車用燃料的需求[1]。與此同時，石油資源儲量不斷減少，石化燃料的大量消耗導(dǎo)致環(huán)境污染和溫室效應(yīng)不斷加劇。據(jù)《中國機(jī)動車污染防治年報》公布的“十一五”期間全國機(jī)動車污染排放情況顯示：僅2010年，全國機(jī)動車排放氮氧化物（NOx）599.4萬t，碳?xì)浠衔铮℉C）487.2萬t，一氧化碳（CO）4 080.4萬t，顆粒物（PM）近60萬t，而且隨著機(jī)動車保有量的增加將不斷增長。汽車工業(yè)的發(fā)展面臨能源危機(jī)和環(huán)境污染的雙重挑戰(zhàn)，開發(fā)以清潔、可再生能源為基礎(chǔ)的新能源動力技術(shù)成為當(dāng)今世界各國必須面對的重要課題。
與傳統(tǒng)汽油機(jī)和柴油機(jī)相比，天然氣（CNG）內(nèi)燃機(jī)的缸內(nèi)混合狀態(tài)更為均勻、燃燒充分，可大幅度降低CO、HC和微粒的排放污染，而天然氣為不可再生能源，燃燒時同樣會產(chǎn)生CO2，不能從根本上解決能源與環(huán)境之間的矛盾，但因其儲量相對豐富，目前作為石油的替代能源受到了廣泛關(guān)注[2]。電動車技術(shù)因電池的制造過程會產(chǎn)生污染，且電池壽命有限，充電時間較長，還需進(jìn)一步發(fā)展。氫燃料電池技術(shù)具有高效、零污染和低噪聲等諸多優(yōu)點(diǎn)，但因其成本過高，目前還不適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)具有清潔、高效等特點(diǎn)，特別是排放產(chǎn)物中不含CO2，僅有的污染物NOx也能夠通過多種手段予以顯著降低[3-4]。近年來，世界各國都在積極致力于氫燃料內(nèi)燃機(jī)和汽車的開發(fā)[5-6]。與此同時，制氫技術(shù)的快速發(fā)展[7]也對氫能源的推廣應(yīng)用起到積極的促進(jìn)作用。
在氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性研究中，Winter[8]對氫能經(jīng)濟(jì)的發(fā)展前景進(jìn)行了預(yù)測，并對具有里程碑意義的氫能關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。Wallner[9]等人通過對BMW公司開發(fā)的Hydrogen 7系列氫內(nèi)燃機(jī)汽車進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性能測試，表明氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)性能。Langford等人[10]探討了將美國諾克斯維爾地區(qū)公交樞紐的全部傳統(tǒng)燃料內(nèi)燃機(jī)公交車改裝成氫燃料公交車所存在的問題及其應(yīng)對策略。由于氫氣的制取、存儲、運(yùn)輸和使用受外部因素影響較大，Langford等人沒有對氫內(nèi)燃機(jī)公交車的改裝成本及氫內(nèi)燃機(jī)公交車潛在的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行探討。毛宗強(qiáng)[11]記述了第18屆世界氫能大會上各國氫能源市場化的發(fā)展現(xiàn)狀，提出發(fā)展氫經(jīng)濟(jì)對全球CO2減排至關(guān)重要。孫作宇等人[12]通過探討我國的能源安全現(xiàn)狀，認(rèn)為發(fā)展與使用氫能源汽車已經(jīng)迫在眉睫。
綜上所述，國內(nèi)外研究者針對氫內(nèi)燃機(jī)的工作特性及應(yīng)用前景進(jìn)行了比較深入的研究，但是對于氫內(nèi)燃機(jī)汽車經(jīng)濟(jì)性能，特別是與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車經(jīng)濟(jì)性能的比較研究相對較少，尤其是針對城市交通公司改裝氫內(nèi)燃機(jī)轎車和公交車的經(jīng)濟(jì)性分析。因此，本文從城市公共交通公司的經(jīng)濟(jì)利益角度出發(fā)，將對氫氣的生產(chǎn)成本、氫內(nèi)燃機(jī)汽車的改裝成本、運(yùn)行成本進(jìn)行了調(diào)查研究，并對轎車和公交車改裝氫內(nèi)燃機(jī)后潛在的碳交易收益進(jìn)行探討。
1.1.2 CNG、汽油和柴油的使用成本調(diào)查
根據(jù)商務(wù)部提供的2011年我國部分城市車用天然氣的價格顯示，各地車用天然氣平均價格在4.4元/Nm3左右，而且還存在進(jìn)一步上漲空間；我國汽油和柴油價格與國際市場相比仍處于較低水平，目前我國汽油和柴油價格均在8元/L左右。
1.2 氫內(nèi)燃機(jī)汽車改裝成本調(diào)查
為降低氫內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)成本，氫內(nèi)燃機(jī)汽車的開發(fā)可通過改裝傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車完成。下面將對氫內(nèi)燃機(jī)汽車的改裝成本進(jìn)行探討。
北京理工大學(xué)與長安汽車公司合作開發(fā)的高效率、低排放氫內(nèi)燃機(jī)及轎車如圖1所示。目前該氫內(nèi)燃機(jī)轎車已累積運(yùn)行超過1萬 km，積累了豐富的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，北京理工大學(xué)已開展氫內(nèi)燃機(jī)公交車的研發(fā)工作，氫內(nèi)燃機(jī)公交車樣車如圖2所示。氫內(nèi)燃機(jī)轎車和公交車的具體參數(shù)見表2。
根據(jù)輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法（GB/T 19233―2008）和重型商用車輛燃料消耗量測量方法（GB/T 27840―2011）測得氫內(nèi)燃機(jī)轎車及公交車的油耗，分別是16.85 Nm3/100 km和61 Nm3/100 km。從而得到氫內(nèi)燃機(jī)轎車及公交車的油耗成本分別為42元/100 km和152.5元/100 km。
氫內(nèi)燃機(jī)轎車主要以汽油轎車為基礎(chǔ)進(jìn)行改裝，氫內(nèi)燃機(jī)公交車主要以柴油公交車為基礎(chǔ)進(jìn)行改裝。考慮到目前城市中等規(guī)模出租車公司和城市公交線路的車輛規(guī)模，分別以500輛出租車和100輛公交車的規(guī)模進(jìn)行改裝成本核算，出租車和公交車的改裝成本如圖3和圖4所示。
一臺出租車的改裝成本大概為10.5萬元，成本構(gòu)成中以整車供氫系統(tǒng)的成本最高，占總成本的50%左右，氫氣噴射系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的改裝成本均占20%左右。由圖4可知，一臺公交車的改裝成本大概為46萬元，同樣是整車供氫系統(tǒng)的成本最為顯著，占54%左右。與出租車的改裝成本相比，公交車的改造成本中氫氣噴射系統(tǒng)和安全系統(tǒng)所占比例稍有下降。
為了探討氫內(nèi)燃機(jī)汽車、CNG汽車、汽油車和柴油車的經(jīng)濟(jì)性，下面對國內(nèi)主要大、中城市的汽油轎車、柴油公交車的燃油消耗量進(jìn)行統(tǒng)計，并與CNG汽車和氫內(nèi)燃機(jī)汽車進(jìn)行對比研究。
2 結(jié)果分析與討論
對于緊湊型和中型轎車，綜合油耗均隨排量增加呈整體上升趨勢。對于中大型轎車，尤其是排量大于2.5 L時，綜合油耗隨排量增大呈逐漸下降趨勢，這是因?yàn)殡S轎車排量增大，用于提高車輛經(jīng)濟(jì)性能的新技術(shù)應(yīng)用增多。綜合200種不同車型的燃油消耗數(shù)據(jù)，可以得到汽油轎車的平均綜合油耗在8.1 L/100 km左右，對應(yīng)的百公里燃油消耗費(fèi)用在64.8元左右。
為了對比天然氣（CNG）轎車與汽油車的燃油經(jīng)濟(jì)性，對2011年CNG轎車的燃油消耗量進(jìn)行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)CNG轎車的百公里耗氣量為8～10 m3左右，本文以8.5 m3計算，可以得到CNG轎車百公里燃油消耗費(fèi)用為37.4元左右。對于氫內(nèi)燃機(jī)轎車，由表2可知，95 km/h時的百公里耗氫成本為42元左右。
綜上所述，對于一輛城市普通轎車，采用CNG作為內(nèi)燃機(jī)燃料，百公里燃油消耗成本最低，氫內(nèi)燃機(jī)轎車稍差，如圖6所示。與汽油車相比，CNG轎車百公里燃料消耗成本可節(jié)省42%左右的費(fèi)用，而氫氣轎車可節(jié)省35%左右的費(fèi)用。
2.2 不同燃料公交車的經(jīng)濟(jì)性分析
鄭爽[19]通過分析歐盟碳排放貿(mào)易體系指出，影響碳交易價格的因素較多，且碳交易價格波動較大，但全球減排的大趨勢必然能夠建立穩(wěn)定的碳交易市場。目前每噸CO2交易價格穩(wěn)定在13歐元附近，歐元與人民幣匯率按8.3 RMB/撲悖梢緣玫澆襯諶薊蹈淖拔餑諶薊島蟮那痹諤寂歐攀找媯繽所示。
圖9給出了利用氫內(nèi)燃機(jī)轎車和公交車替代汽油轎車、柴油公交車、CNG轎車和公交車后能夠獲取的碳排放收益?？梢钥闯?，將天然氣公交車改造為氫內(nèi)燃機(jī)公交車所得的碳交易效益最大，每輛公交車一年獲取的碳排放收益達(dá)0.7萬元以上；其次為柴油公交車，將其改裝為氫內(nèi)燃機(jī)公交車一年獲取的碳排放收益為0.6萬元以上；汽油轎車與天然氣轎車的碳排放水平相當(dāng)，一年的碳排放收益在0.3萬元左右。
綜上所述，在不考慮政策補(bǔ)貼的條件下，與汽油機(jī)轎車相比，氫內(nèi)燃機(jī)轎車運(yùn)行2～3年后，碳排放收益所得與燃料成本節(jié)約收益之和能夠完全抵消改裝成本消耗；與柴油公交車相比，氫內(nèi)燃機(jī)公交車需9～10年左右即可抵消改裝費(fèi)用。氫內(nèi)燃機(jī)汽車與CNG汽車的燃料供應(yīng)系統(tǒng)的成本較為接近，而氫內(nèi)燃機(jī)汽車能夠獲得持續(xù)穩(wěn)定的碳排放收益。因此，氫內(nèi)燃機(jī)轎車及公交車的推廣將具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和長遠(yuǎn)的環(huán)境效益。
3 結(jié)論
（1）當(dāng)前技術(shù)條件下，考慮水電解制氫的電耗成本、壓縮耗能成本、制氫設(shè)備折舊成本、管理及人員攤銷成本以及企業(yè)利潤等因素，氫氣使用成本在2～2.5元/m3左右。
（2）將汽油機(jī)轎車改裝為氫內(nèi)燃機(jī)轎車成本增加10.5萬元左右，其中整車供氫系統(tǒng)成本最高，占總成本的50%左右，氫氣噴射系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的改裝成本均在20%左右；將柴油公交車改裝為氫內(nèi)燃機(jī)公交車的成本增加46萬元左右，整車供氫系統(tǒng)成本占54%左右，而氫氣噴射系統(tǒng)和安全系統(tǒng)所占比例略有下降。氫內(nèi)燃機(jī)汽車與CNG汽車的燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)成本較為接近。
（3）與城市普通汽油轎車相比，氫內(nèi)燃機(jī)轎車可節(jié)省35%左右的燃料費(fèi)用；與城市單層中型汽油公交車相比，氫內(nèi)燃機(jī)公交車可節(jié)省20%左右的燃料費(fèi)用。
（4）在不考慮政策補(bǔ)貼的前提下，氫內(nèi)燃機(jī)轎車運(yùn)行2～3年的碳排放收益與燃料成本節(jié)約收益之和能夠完全抵消原汽油轎車的改裝成本；氫內(nèi)燃機(jī)公交車需運(yùn)行9～10年可抵消原柴油公交車的改裝成本。
（5）氫內(nèi)燃機(jī)轎車及公交車的推廣具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和長遠(yuǎn)的環(huán)境效益。
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