為研究氫內燃機汽車(chē)推廣應用潛在的經(jīng)濟價(jià)值，對氫氣的生產(chǎn)成本、氫內燃機汽車(chē)的改裝成本、運行成本進(jìn)行了調查研究，探討了轎車(chē)和公交車(chē)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(shù)條件下，氫氣使用成本為2～2.5元/m3。與汽油轎車(chē)相比，氫內燃機轎車(chē)可節省35%左右的燃料費用；與城市單層中型柴油公交車(chē)相比，氫內燃機公交車(chē)可節省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(chē)運行3年的碳排放收益與運營(yíng)成本節約能夠抵消改裝成本，氫內燃機公交車(chē)運行10年可抵消改裝成本。與CNG汽車(chē)相比，氫內燃機汽車(chē)能夠持續、穩定地獲得可觀(guān)的碳交易收益。因此，氫內燃機轎車(chē)及公交車(chē)的推廣具有良好的經(jīng)濟效益和長(cháng)遠的環(huán)境效益。
關(guān)鍵詞：氫氣；氫內燃機；經(jīng)濟性；碳排放收益
中圖分類(lèi)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(lái)石油資源的消耗日益增長(cháng)，21世紀僅車(chē)用燃料的需求就占全球石油總需求的52%，未來(lái)大約有94%的石油消費增長(cháng)都將緣于車(chē)用燃料的需求[1]。與此同時(shí)，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(dòng)車(chē)污染防治年報》公布的“十一五”期間全國機動(dòng)車(chē)污染排放情況顯示：僅2010年，全國機動(dòng)車(chē)排放氮氧化物（NOx）599.4萬(wàn)t，碳氫化合物（HC）487.2萬(wàn)t，一氧化碳（CO）4 080.4萬(wàn)t，顆粒物（PM）近60萬(wàn)t，而且隨著(zhù)機動(dòng)車(chē)保有量的增加將不斷增長(cháng)。汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展面臨能源危機和環(huán)境污染的雙重挑戰，開(kāi)發(fā)以清潔、可再生能源為基礎的新能源動(dòng)力技術(shù)成為當今世界各國必須面對的重要課題。
與傳統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(shí)同樣會(huì )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(dòng)車(chē)技術(shù)因電池的制造過(guò)程會(huì )產(chǎn)生污染，且電池壽命有限，充電時(shí)間較長(cháng)，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(guò)高，目前還不適合大規模推廣應用。氫內燃機技術(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(guò)多種手段予以顯著(zhù)降低[3-4]。近年來(lái)，世界各國都在積極致力于氫燃料內燃機和汽車(chē)的開(kāi)發(fā)[5-6]。與此同時(shí)，制氫技術(shù)的快速發(fā)展[7]也對氫能源的推廣應用起到積極的促進(jìn)作用。
在氫內燃機經(jīng)濟性研究中，Winter[8]對氫能經(jīng)濟的發(fā)展前景進(jìn)行了預測，并對具有里程碑意義的氫能關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結。Wallner[9]等人通過(guò)對BMW公司開(kāi)發(fā)的Hydrogen 7系列氫內燃機汽車(chē)進(jìn)行燃油經(jīng)濟性能測試，表明氫內燃機技術(shù)具有良好的經(jīng)濟性能。Langford等人[10]探討了將美國諾克斯維爾地區公交樞紐的全部傳統燃料內燃機公交車(chē)改裝成氫燃料公交車(chē)所存在的問(wèn)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(méi)有對氫內燃機公交車(chē)的改裝成本及氫內燃機公交車(chē)潛在的經(jīng)濟效益進(jìn)行探討。毛宗強[11]記述了第18屆世界氫能大會(huì )上各國氫能源市場(chǎng)化的發(fā)展現狀，提出發(fā)展氫經(jīng)濟對全球CO2減排至關(guān)重要。孫作宇等人[12]通過(guò)探討我國的能源安全現狀，認為發(fā)展與使用氫能源汽車(chē)已經(jīng)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(jìn)行了比較深入的研究，但是對于氫內燃機汽車(chē)經(jīng)濟性能，特別是與傳統內燃機汽車(chē)經(jīng)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(chē)和公交車(chē)的經(jīng)濟性分析。因此，本文從城市公共交通公司的經(jīng)濟利益角度出發(fā)，將對氫氣的生產(chǎn)成本、氫內燃機汽車(chē)的改裝成本、運行成本進(jìn)行了調查研究，并對轎車(chē)和公交車(chē)改裝氫內燃機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查
根據商務(wù)部提供的2011年我國部分城市車(chē)用天然氣的價(jià)格顯示，各地車(chē)用天然氣平均價(jià)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(jià)格與國際市場(chǎng)相比仍處于較低水平，目前我國汽油和柴油價(jià)格均在8元/L左右。
1.2 氫內燃機汽車(chē)改裝成本調查
為降低氫內燃機系統的開(kāi)發(fā)成本，氫內燃機汽車(chē)的開(kāi)發(fā)可通過(guò)改裝傳統內燃機汽車(chē)完成。下面將對氫內燃機汽車(chē)的改裝成本進(jìn)行探討。
北京理工大學(xué)與長(cháng)安汽車(chē)公司合作開(kāi)發(fā)的高效率、低排放氫內燃機及轎車(chē)如圖1所示。目前該氫內燃機轎車(chē)已累積運行超過(guò)1萬(wàn) km，積累了豐富的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗。在此基礎上，北京理工大學(xué)已開(kāi)展氫內燃機公交車(chē)的研發(fā)工作，氫內燃機公交車(chē)樣車(chē)如圖2所示。氫內燃機轎車(chē)和公交車(chē)的具體參數見(jiàn)表2。
根據輕型汽車(chē)燃料消耗量試驗方法（GB/T 19233―2008）和重型商用車(chē)輛燃料消耗量測量方法（GB/T 27840―2011）測得氫內燃機轎車(chē)及公交車(chē)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(chē)及公交車(chē)的油耗成本分別為42元/100 km和152.5元/100 km。
氫內燃機轎車(chē)主要以汽油轎車(chē)為基礎進(jìn)行改裝，氫內燃機公交車(chē)主要以柴油公交車(chē)為基礎進(jìn)行改裝?？紤]到目前城市中等規模出租車(chē)公司和城市公交線(xiàn)路的車(chē)輛規模，分別以500輛出租車(chē)和100輛公交車(chē)的規模進(jìn)行改裝成本核算，出租車(chē)和公交車(chē)的改裝成本如圖3和圖4所示。
一臺出租車(chē)的改裝成本大概為10.5萬(wàn)元，成本構成中以整車(chē)供氫系統的成本最高，占總成本的50%左右，氫氣噴射系統和安全系統的改裝成本均占20%左右。由圖4可知，一臺公交車(chē)的改裝成本大概為46萬(wàn)元，同樣是整車(chē)供氫系統的成本最為顯著(zhù)，占54%左右。與出租車(chē)的改裝成本相比，公交車(chē)的改造成本中氫氣噴射系統和安全系統所占比例稍有下降。
為了探討氫內燃機汽車(chē)、CNG汽車(chē)、汽油車(chē)和柴油車(chē)的經(jīng)濟性，下面對國內主要大、中城市的汽油轎車(chē)、柴油公交車(chē)的燃油消耗量進(jìn)行統計，并與CNG汽車(chē)和氫內燃機汽車(chē)進(jìn)行對比研究。
2 結果分析與討論
對于緊湊型和中型轎車(chē)，綜合油耗均隨排量增加呈整體上升趨勢。對于中大型轎車(chē)，尤其是排量大于2.5 L時(shí)，綜合油耗隨排量增大呈逐漸下降趨勢，這是因為隨轎車(chē)排量增大，用于提高車(chē)輛經(jīng)濟性能的新技術(shù)應用增多。綜合200種不同車(chē)型的燃油消耗數據，可以得到汽油轎車(chē)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(chē)與汽油車(chē)的燃油經(jīng)濟性，對2011年CNG轎車(chē)的燃油消耗量進(jìn)行了統計，發(fā)現CNG轎車(chē)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(chē)百公里燃油消耗費用為37.4元左右。對于氫內燃機轎車(chē)，由表2可知，95 km/h時(shí)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(chē)，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(chē)稍差，如圖6所示。與汽油車(chē)相比，CNG轎車(chē)百公里燃料消耗成本可節省42%左右的費用，而氫氣轎車(chē)可節省35%左右的費用。
2.2 不同燃料公交車(chē)的經(jīng)濟性分析
鄭爽[19]通過(guò)分析歐盟碳排放貿易體系指出，影響碳交易價(jià)格的因素較多，且碳交易價(jià)格波動(dòng)較大，但全球減排的大趨勢必然能夠建立穩定的碳交易市場(chǎng)。目前每噸CO2交易價(jià)格穩定在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(chē)和公交車(chē)替代汽油轎車(chē)、柴油公交車(chē)、CNG轎車(chē)和公交車(chē)后能夠獲取的碳排放收益?？梢钥闯?，將天然氣公交車(chē)改造為氫內燃機公交車(chē)所得的碳交易效益最大，每輛公交車(chē)一年獲取的碳排放收益達0.7萬(wàn)元以上；其次為柴油公交車(chē)，將其改裝為氫內燃機公交車(chē)一年獲取的碳排放收益為0.6萬(wàn)元以上；汽油轎車(chē)與天然氣轎車(chē)的碳排放水平相當，一年的碳排放收益在0.3萬(wàn)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(chē)相比，氫內燃機轎車(chē)運行2～3年后，碳排放收益所得與燃料成本節約收益之和能夠完全抵消改裝成本消耗；與柴油公交車(chē)相比，氫內燃機公交車(chē)需9～10年左右即可抵消改裝費用。氫內燃機汽車(chē)與CNG汽車(chē)的燃料供應系統的成本較為接近，而氫內燃機汽車(chē)能夠獲得持續穩定的碳排放收益。因此，氫內燃機轎車(chē)及公交車(chē)的推廣將具有良好的經(jīng)濟效益和長(cháng)遠的環(huán)境效益。
3 結論
（1）當前技術(shù)條件下，考慮水電解制氫的電耗成本、壓縮耗能成本、制氫設備折舊成本、管理及人員攤銷(xiāo)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(chē)改裝為氫內燃機轎車(chē)成本增加10.5萬(wàn)元左右，其中整車(chē)供氫系統成本最高，占總成本的50%左右，氫氣噴射系統和安全系統的改裝成本均在20%左右；將柴油公交車(chē)改裝為氫內燃機公交車(chē)的成本增加46萬(wàn)元左右，整車(chē)供氫系統成本占54%左右，而氫氣噴射系統和安全系統所占比例略有下降。氫內燃機汽車(chē)與CNG汽車(chē)的燃氣供應系統成本較為接近。
（3）與城市普通汽油轎車(chē)相比，氫內燃機轎車(chē)可節省35%左右的燃料費用；與城市單層中型汽油公交車(chē)相比，氫內燃機公交車(chē)可節省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(chē)運行2～3年的碳排放收益與燃料成本節約收益之和能夠完全抵消原汽油轎車(chē)的改裝成本；氫內燃機公交車(chē)需運行9～10年可抵消原柴油公交車(chē)的改裝成本。
（5）氫內燃機轎車(chē)及公交車(chē)的推廣具有良好的經(jīng)濟效益和長(cháng)遠的環(huán)境效益。
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