為研究氫內燃機汽車推廣應用潛在的經濟價值，對氫氣的生產成本、氫內燃機汽車的改裝成本、運行成本進行了調查研究，探討了轎車和公交車改裝氫內燃機后潛在的碳交易收益。研究結果表明，當前技術條件下，氫氣使用成本為2～2.5元/m3。與汽油轎車相比，氫內燃機轎車可節(jié)省35%左右的燃料費用；與城市單層中型柴油公交車相比，氫內燃機公交車可節(jié)省20%左右的燃料費用。在不考慮政府補貼的前提下，氫內燃機轎車運行3年的碳排放收益與運營成本節(jié)約能夠抵消改裝成本，氫內燃機公交車運行10年可抵消改裝成本。與CNG汽車相比，氫內燃機汽車能夠持續(xù)、穩(wěn)定地獲得可觀的碳交易收益。因此，氫內燃機轎車及公交車的推廣具有良好的經濟效益和長遠的環(huán)境效益。
關鍵詞：氫氣；氫內燃機；經濟性；碳排放收益
中圖分類號：TK431文獻標文獻標識碼：A文獻標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致環(huán)境污染和溫室效應不斷加劇。據《中國機動車污染防治年報》公布的“十一五”期間全國機動車污染排放情況顯示：僅2010年，全國機動車排放氮氧化物（NOx）599.4萬t，碳氫化合物（HC）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、可再生能源為基礎的新能源動力技術成為當今世界各國必須面對的重要課題。
與傳統(tǒng)汽油機和柴油機相比，天然氣（CNG）內燃機的缸內混合狀態(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注[2]。電動車技術因電池的制造過程會產生污染，且電池壽命有限，充電時間較長，還需進一步發(fā)展。氫燃料電池技術具有高效、零污染和低噪聲等諸多優(yōu)點，但因其成本過高，目前還不適合大規(guī)模推廣應用。氫內燃機技術具有清潔、高效等特點，特別是排放產物中不含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燃機和汽車的開發(fā)[5-6]。與此同時，制氫技術的快速發(fā)展[7]也對氫能源的推廣應用起到積極的促進作用。
在氫內燃機經濟性研究中，Winter[8]對氫能經濟的發(fā)展前景進行了預測，并對具有里程碑意義的氫能關鍵技術進行了總結。Wallner[9]等人通過對BMW公司開發(fā)的Hydrogen 7系列氫內燃機汽車進行燃油經濟性能測試，表明氫內燃機技術具有良好的經濟性能。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)燃料內燃機公交車改裝成氫燃料公交車所存在的問題及其應對策略。由于氫氣的制取、存儲、運輸和使用受外部因素影響較大，Langford等人沒有對氫內燃機公交車的改裝成本及氫內燃機公交車潛在的經濟效益進行探討。毛宗強[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)展現狀，提出發(fā)展氫經濟對全球CO2減排至關重要。孫作宇等人[12]通過探討我國的能源安全現狀，認為發(fā)展與使用氫能源汽車已經迫在眉睫。
綜上所述，國內外研究者針對氫內燃機的工作特性及應用前景進行了比較深入的研究，但是對于氫內燃機汽車經濟性能，特別是與傳統(tǒng)內燃機汽車經濟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燃機轎車和公交車的經濟性分析。因此，本文從城市公共交通公司的經濟利益角度出發(fā)，將對氫氣的生產成本、氫內燃機汽車的改裝成本、運行成本進行了調查研究，并對轎車和公交車改裝氫內燃機后潛在的碳交易收益進行探討。
1.1.2 CNG、汽油和柴油的使用成本調查
根據商務部提供的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 氫內燃機汽車改裝成本調查
為降低氫內燃機系統(tǒng)的開發(fā)成本，氫內燃機汽車的開發(fā)可通過改裝傳統(tǒng)內燃機汽車完成。下面將對氫內燃機汽車的改裝成本進行探討。
北京理工大學與長安汽車公司合作開發(fā)的高效率、低排放氫內燃機及轎車如圖1所示。目前該氫內燃機轎車已累積運行超過1萬 km，積累了豐富的開發(fā)經驗。在此基礎上，北京理工大學已開展氫內燃機公交車的研發(fā)工作，氫內燃機公交車樣車如圖2所示。氫內燃機轎車和公交車的具體參數見表2。
根據輕型汽車燃料消耗量試驗方法（GB/T 19233―2008）和重型商用車輛燃料消耗量測量方法（GB/T 27840―2011）測得氫內燃機轎車及公交車的油耗，分別是16.85 Nm3/100 km和61 Nm3/100 km。從而得到氫內燃機轎車及公交車的油耗成本分別為42元/100 km和152.5元/100 km。
氫內燃機轎車主要以汽油轎車為基礎進行改裝，氫內燃機公交車主要以柴油公交車為基礎進行改裝?？紤]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。
為了探討氫內燃機汽車、CNG汽車、汽油車和柴油車的經濟性，下面對國內主要大、中城市的汽油轎車、柴油公交車的燃油消耗量進行統(tǒng)計，并與CNG汽車和氫內燃機汽車進行對比研究。
2 結果分析與討論
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，這是因為隨轎車排量增大，用于提高車輛經濟性能的新技術應用增多。綜合200種不同車型的燃油消耗數據，可以得到汽油轎車的平均綜合油耗在8.1 L/100 km左右，對應的百公里燃油消耗費用在64.8元左右。
為了對比天然氣（CNG）轎車與汽油車的燃油經濟性，對2011年CNG轎車的燃油消耗量進行了統(tǒng)計，發(fā)現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用為37.4元左右。對于氫內燃機轎車，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作為內燃機燃料，百公里燃油消耗成本最低，氫內燃機轎車稍差，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%左右的費用，而氫氣轎車可節(jié)省35%左右的費用。
2.2 不同燃料公交車的經濟性分析
鄭爽[19]通過分析歐盟碳排放貿易體系指出，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給出了利用氫內燃機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。可以看出，將天然氣公交車改造為氫內燃機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0.7萬元以上；其次為柴油公交車，將其改裝為氫內燃機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，一年的碳排放收益在0.3萬元左右。
綜上所述，在不考慮政策補貼的條件下，與汽油機轎車相比，氫內燃機轎車運行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，氫內燃機公交車需9～10年左右即可抵消改裝費用。氫內燃機汽車與CNG汽車的燃料供應系統(tǒng)的成本較為接近，而氫內燃機汽車能夠獲得持續(xù)穩(wěn)定的碳排放收益。因此，氫內燃機轎車及公交車的推廣將具有良好的經濟效益和長遠的環(huán)境效益。
3 結論
（1）當前技術條件下，考慮水電解制氫的電耗成本、壓縮耗能成本、制氫設備折舊成本、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）將汽油機轎車改裝為氫內燃機轎車成本增加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燃機公交車的成本增加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。氫內燃機汽車與CNG汽車的燃氣供應系統(tǒng)成本較為接近。
（3）與城市普通汽油轎車相比，氫內燃機轎車可節(jié)省35%左右的燃料費用；與城市單層中型汽油公交車相比，氫內燃機公交車可節(jié)省20%左右的燃料費用。
（4）在不考慮政策補貼的前提下，氫內燃機轎車運行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；氫內燃機公交車需運行9～10年可抵消原柴油公交車的改裝成本。
（5）氫內燃機轎車及公交車的推廣具有良好的經濟效益和長遠的環(huán)境效益。
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