氫內燃機汽車與傳統內燃機汽車的經濟性比較研究

孫柏剛，田華宇，張冬生，劉福水

（1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京，100081；2.北京汽車動力總成有限公司，北京，101108）

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。汽車工業的發展面臨能源危機和環境污染的雙重挑戰，開發以清潔、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。

與傳統汽油機和柴油機相比，天然氣（CNG）內燃機的缸內混合狀態更為均勻、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，還需進一步發展。氫燃料電池技術具有高效、零污染和低噪聲等諸多優點，但因其成本過高，目前還不適合大規模推廣應用。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[5-6]。與此同時，制氫技術的快速發展[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公交樞紐的全部傳統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展現狀，提出發展氫經濟對全球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，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 材料和方法

1.1 不同燃料的使用成本調查

為了對比氫內燃機汽車、CNG汽車、汽油車和柴油車的經濟性，首先應對燃料的使用成本進行探討。

1.1.1 氫氣的使用成本

氫氣的制取方式隨制氫技術的進步越來越多，其中水電解制氫工藝過程簡單，無污染，效率較高，達75%～85%[13]，同時水為可再生資源，長遠來看是最有前途的方式。本文調研了國內主要電解水制氫企業的制氫能耗，見表1。

表1 國內主要電解水制氫企業的制氫能耗

由表1可知，水電解制氫的直流電耗一般在15.8～18 MJ/Nm3H2之間，氫氣的生產成本應考慮制氫設備折舊費用、管理及人員攤銷費用以及企業利潤等因素。因此，采用式（1）對氫氣的使用成本進行核算。

式中，C表示氫氣使用成本；C1表示水電解制氫的直接生產成本；C2表示管理及人員攤銷比例；C3表示設備折舊比例；C4表示提純和壓縮的能量消耗比例；C5表示制氫企業利潤和其它因素比例。目前國內主要城市的電網谷電價格在0.3元/MJ左右，企業管理及人員攤銷比例設為10%，設備折舊比例設為20%，提純和壓縮比例設為10%，企業利潤設為10%，從而計算得到的氫氣生產成本為2～2.28元/Nm3，考慮到氫氣壓縮過程中會增加電能消耗，取2.5元/Nm3作為水電解制氫的直接生產成本較為合理。

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的開發成本，氫內燃機汽車的開發可通過改裝傳統內燃機汽車完成。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。

表2 氫內燃機轎車和公交車參數

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。考慮到目前城市中等規模出租車公司和城市公交線路的車輛規模，分別以500輛出租車和100輛公交車的規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。

由圖3可知，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，一臺公交車的改裝成本大概為46萬元，同樣是整車供氫系統的成本最為顯著，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和安全系統所占比例稍有下降。

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

2.1 不同燃料轎車的經濟性分析

在城市道路中，轎車以中、低檔汽油車為主，按排量可分為緊湊型轎車（1.2～2 L）、中型轎車（1.3～2.5 L）、中大型轎車（1.4～3.5 L）。評價轎車燃油經濟性一般采用兩種油耗評價指標，即市區油耗和綜合油耗，其中綜合油耗指市區油耗與郊區油耗的平均值，采用綜合油耗評價汽油轎車燃油經濟性更為合理。下面對200輛不同品牌、不同排量的全新轎車進行綜合油耗統計，統計結果如圖5所示。

由圖5可知，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計，發現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省42%左右的費用，而氫氣轎車可節省35%左右的費用。

2.2 不同燃料公交車的經濟性分析

國內主要大、中城市的公交車多以5～14 m的柴油車為主，主要品牌包括宇通客車、海格客車、金龍客車等。以150輛全新公交車作為統計樣本量，得到的不同車身長度的公交車百公里耗油量如圖7所示。

由圖7可知，隨著公交車車身長度的增加，即公交車最大滿載質量的增加，燃油消耗量逐漸增大。柴油公交車百公里耗油量平均值為23 L，參考目前的柴油價格（8元/L），對應的百公里柴油費用在184元左右。

劉麗珍等人[14]對北京市2005年和2006年24輛單層中型CNG公交車的燃氣消耗量進行了統計，結果顯示CNG公交車的百公里耗氣量在34.5 m3左右，參考目前的天然氣價格（4.4元/m3），計算得到的天然氣公交車燃料消耗費用為152元/100 km。參考表2可知，氫內燃機公交車以40 km/h的車速運行時百公里耗氫量為61 m3，對應的耗氫成本在152.5元/100 km左右。

因此，對于城市單層中型公交車，氫內燃機公交車與CNG公交車百公里燃料消耗費用相當，如圖8所示，與柴油公交車相比百公里均可節省20%左右的費用。

2.3 氫內燃機汽車潛在碳排放收益

婁偉[15]對城市碳排放量測算方法進行了深入研究，并提出了CO2排放量的計算公式。

式中，s為行駛百公里里程數；ρ為燃油密度；a為百公里油耗（氣耗）；b為燃料的含碳量。

汽油的含碳量受密度和辛烷值影響較大，根據劉瑞昌[16]、龔家偉[17]等人對長春、北京地區不同加油站的90號汽油含碳量和密度的統計數據，汽油含碳量取86%、汽油的平均密度取0.71 g/ml較為合理。基于目前北京市出租車年均行駛里程，假設出租車年均里程為16萬km，百公里耗油量以8.1 L計算，城市一般汽油出租車一年的碳排放質量達29.02 t。

柴油密度平均為0.84 g/ml左右，含碳量為87%[18]。基于北京市公交車年均行駛里程，假設柴油公交車一年平均行駛里程為10萬km，可計算得出其一年碳排質量為61.63 t。

天然氣主要成份為甲烷，標準狀態（0℃，101.352 kPa）時密度為0.717 4 kg/Nm3，含碳量在75%左右。由于天然氣轎車和公交車的百公里耗氣量為8.5 m3和34.5 m3，可利用式（2）計算得到天然氣轎車和公交車一年的碳排放質量分別為26.83 t和68.06 t。

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定的碳交易市場。目前每噸CO2交易價格穩定在13歐元附近，歐元與人民幣匯率按8.3 RMB/€計算，可以得到將傳統內燃機汽車改裝為氫內燃機汽車后的潛在碳排放收益，如圖9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的成本較為接近，而氫內燃機汽車能夠獲得持續穩定的碳排放收益。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。氫內燃機汽車與CNG汽車的燃氣供應系統成本較為接近。

（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境效益。

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