城市新能源公交車輛發展策略研究——以福州為例

方雪嬌

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350108)

引 言

我國是世界第二能源消耗大國，而城市交通是我國能源消耗的大戶[1]，特別是高度依賴石油消耗使其發展堪憂。同時，近年來機動車的激增也導致交通成為城市大氣污染的重要來源[2]。2009年，全國燃油機動車占到99%;其中，僅占機動車保有量2.1%的大型載客汽車排放的CO、HC、NOx和PM均超過總量的16%，其中不乏公交客車的污染貢獻[3]。最新國家發展規劃綱要中明確提出“十二五”“節能減排”目標——“單位 GDP能耗和二氧化碳排放分別下降16%和17%，主要污染物化學需氧量、二氧化硫排放總量均下降8%，氨氮和氮氧化物均減排10%”，“節能減排”指標也將分解落實到各級政府工作中，作為政府年度責任考核指標。因此，不僅是各級地方政府而且各行業主管部門都必須嚴肅完成節能減排細分的指標，這也是公共交通領域的必然趨勢。

近年來國內外在交通節能減排領域的研究漸多，但主要集中于從政策或車輛研發或尾氣排放指標估算來闡述公交車的發展情況[4-8]，少量文獻嘗試比較天然氣及柴油等車型的成本以評價其經濟性[9]。而分析認為政府將會要求公交企業以“十二五”節能減排指標為控制條件來開展工作，故本文就如何制定城市公交系統新能源發展模式構筑體系及流程，并通過建模得到包括外部成本在內的社會成本最小化時的福州市公交運力發展計劃，定性定量地剖析政策建議。

1 福州公交新能源發展模式

首先，本文制定了城市公交系統新能源發展模式的體系流程:通過總結國內外公共交通節能減排的方法，根據各個城市發展的實際情況分階段選用公交車用能源類型，搜集基礎數據建立模型，預測單位GDP能耗與二氧化碳排放、二氧化硫和氮氧化物排放指標降幅情況，以“五年計劃”為一個周期，以節能減排指標及配套設施為限制條件，以最優化包括直接投入和外部成本在內的全周期社會總成本為目標，建立最優化模型，最終為企業規劃“五年計劃”期間公交運力發展，為政府分擔能耗節約及二氧化碳、污染物減排任務。具體制定體系流程見(圖1)。

圖1 城市公交系統新能源發展模式制定的體系流程圖

1.1 公交車輛新能源應用分類及前景

城市公共交通按照運輸工具可分為以地鐵、輕軌、現代有軌電車等為主的快速軌道交通和地面常規公交兩大系統，大力發展軌道交通本身就是在推進節能減排，本文則是研究針對地面常規公交系統的節能減排。地面常規公交節能減排關鍵技術和相關策略很多，可按車輛動力、車輛結構和軟手段提出“推廣節能與新能源車輛”、“提升車輛節能減排系統”和“管理政策手段”三個層面的策略。其中公交車輛的節能與新能源技術非常具有發展潛力，且車用能源的選擇最大程度上影響著城市公交發展模式的確定，包括公交車輛配置、場站規劃等。

現階段，可將公交車輛按照燃料狀態和能量轉化形式，分為燃氣類、液體燃料類和電動類。燃氣類公交車主要包括 LPG(液化石油氣)、CNG(壓縮天然氣)、LNG(液化天然氣)和DME(二甲醚)公交車輛;液體燃料類公交車主要包括汽油、柴油、其他代用燃料(生物柴油、醇類(甲醇、乙醇))公交車輛;電動類公交車主要包括混合動力 HEV、純電動(蓄電池SBEV、超級電容SCEV、電池電容 BCEV)、燃料電池、無軌電車等公交車輛。除了汽柴油車，其他能源車可統稱為節能與新能源公交客車，均值得推廣。

綜合分析對比各種節能與新能源技術的在國內公交車上應用的優勢、難點、推廣可能性及實際情況，預測近期(2010～2020年)、中期(2020～2050年)、遠期(2050年后)各技術的應用前景:

1)近期可以重點推廣技術最成熟、先進的LNG/CNG公交車，但需要政府在配套方面的資金支持，中期將占有較大市場份額，遠期則因天然氣的衰竭而減少。

2)LPG公交車技術雖成熟，但相比天然氣，排放和成本存在劣勢，近中期只做部分補充，遠期份額也漸少。

3)DME公交車的燃料由于適合中國資源優勢，目前已經形成一支涵蓋整個產業鏈的技術團隊，一旦攻克關鍵技術、燃料價格等難點，近中期可適度發展，遠期利用生物質制造燃料，則有更好的發展空間。

4)醇類燃料、生物柴油公交車在燃料來源豐富的地方市場競爭力強，近期只能作為添加劑但實現容易，是目前條件具備的部分城市的最佳選擇。中后期因其再生性，只要降低成本，則將有較大發展。

5)由于電動類公交車具有電能來源非常豐富、能源效率高、運行零污染且噪聲小等主要優點，使其在政策上能得到政府更大的支持。

①混合動力公交車因其現階段具備的明顯優勢，近期的發展前景非常好，將進入快速產業化階段，但它只能減少而無法擺脫對石油的依賴，在中期和遠期則日漸減少。

②蓄電池和超級電容公交車各具優缺點，前者因電池能量密度小，在價格上競爭力稍顯不足;后者主要為考慮改造無軌電車的城市交通提供一種解決方案。而電池-電容公交車綜合上述兩種車輛的優點，只要配套設備完善，近期可作為示范運行，相信中遠期將占據市場較大部分。

③氫燃料電池公交車近期應在更多城市推廣示范運營，中期憑借國內在該領域的突破開始較大規模生產并制定相關市場機制，在遠期成為公交車行業的主力軍。

總之，天然氣、混合動力及 LPG等屬于過渡燃料，近期將大大增加，遠期則慢慢退出歷史舞臺;DME、醇類、生物柴油爭取中遠期作為輔助燃料;電能的上升勢頭最猛，中遠期純電動車屬于主力車型，燃料電池則是未來重點發展的方案。不斷升級和持續增長的城市公交客車應順應這一發展趨勢。

1.2 福州新能源公交車發展階段性策略

根據福州配套設施的建設規劃，建議近、中、遠期福州市公共交通選取車用能源方案如下:

1)近期，發展天然氣公交車為主，輔以混合動力、純電動公交車，試運行燃料電池車，補充高節能低排放柴油車，并盡量加裝液壓儲能系統。

①借助于福州正在建設的天然氣加氣站點規劃，福州應大力發展天然氣公交車，一方面新增CNG和LNG公交車，另一方面對未達到歐IV排放標準的公交車進行CNG、LNG改裝;

②順應國家發展方向，盡快申請加入“節能與新能源汽車試點示范城市”，加快發展混合動力公交車，并協調發展充電設施，為后期電動車的發展和設施的建設做鋪墊;

③選取2～5條公交線路開展電池電容公交車推廣示范工程，爭取開通1條燃料電池公交車示范運營線;

④受限于前期基礎設施的建設進程，仍需要新增滿足歐IV、歐V排放標準的新型高效柴油公交車;

⑤應盡量對新增的柴油和天然氣公交車安裝液壓式能量回收系統，無需增加配套便可進一步節能減排(以下對加裝液壓儲能系統的公交車簡稱為HHV)。

2)中期，大規模引進混合動力，穩步發展天然氣公交車，正式引進運行蓄電池和電池電容等純電動公交車，大規模配套建設充電站，擴大氫和物理燃料電池公交車的車隊和加氫站的建設，補充部分歐VI、歐VII及更高排放標準的新型高效柴油車，并全部加裝液壓儲能系統和污染控制設備。

3)遠期，隨著氫氣成本的下降和加氫站網絡的完善，以發展燃料電池公交車為主，輔以純電動公交車，補充部分LNG-電能混合動力公交車。

2 新能源公交車輛發展計劃預測模型

以福州市為例，遵循城市公交發展模式研究的流程，根據福州閩運公司、福州公交集團等提供的數據，以及參考上海、北京、長沙等各地的文獻資料，以“十二五”節能減排指標為控制條件，通過建模得到社會成本(直接投入成本(Input Cost，IC)與外部成本(External Cost，EC)之和)最小化時的運力發展計劃。

2.1 模型構建

目標函數包括4類，1)“十二五”期間所有公交車輛的全周期社會成本(Life Cycle Social Cost，簡稱LCSC);2)僅計算五年內的社會成本(Twelfth Five-Year Social Cost，簡稱TFYSC);3)混合動力公交車無購置補貼下LCSC;4)電池電容公交車無購置補貼下LCSC。假設預測年期間各類型公交車產生的GDP一樣。模型條件集及指標解釋見(表1)。

表1 模型條件集及指標解釋

2.2 模型測算

2.2.1 成本指標估算

按照福州市城區公交車平均日行里程230km，全年運行330天計算，得到福州市各類公交車日均耗油、氣或電數據、日均CO2排放量及年均污染物排放量，見(表 2、表 3)。

根據《關于開展節能與新能源汽車示范推廣試點工作的通知》中十米以上城市公交客車示范推廣補助標準，公交企業將得到中央財政給予購置的資金補助，如下表所示。以公交車生命周期8年計算，得到各類公交車的全生命周期內直接投入的經濟成本(包括車輛購置、能源消耗、維修更換、配套設施、報廢回收)如(表4)所示。

從(表4)可以看到，LNG公交車在全周期中比柴油車節省成本最多超過百萬，緊接著是蓄電池、電池電容和超級電容公交車，CNG公交車節省將近75萬元，加裝了液壓儲能器的柴油公交車也能節省45萬元，混合動力公交車成本節約最少但也達20萬元。如果采購新型公交車沒有政府的補貼，那么混合動力公交車全周期將比柴油車虧損15.88萬元。

同時根據市場報價，改裝成1輛CNG公交車約需0.8～1.0萬元;若采用國產件改裝LNG車，中型車成本約1.5萬元，重型車約2.2萬元;公交車裝用液壓混合動力裝置報價為7萬元。可以推算出若改裝1輛CNG公交車，僅需一個月就可以回收改裝成本;若改裝1輛LNG公交車，也只需一個半月就可回收成本;而加裝一套液壓儲能器，在一年又一個月后便將成本回收。可見公交車“油改氣”的效益非常好，安裝液壓能量回收系統的效益亦不錯。純電動公交車的年均運營成本比柴油車減少了近20萬元，效益非常可觀。由于混合動力系統比較復雜，維修成本較高，因此年均節省費用最少，需要繼續深入研究攻克混合動力技術。

目前交通運輸外部成本主要包括大氣污染、全球變暖、噪聲、擁堵、事故成本等。對于不同能源的公交車，前兩者相差最大，因此本文主要計算大氣污染成本和溫室效應成本之和。目前國際上對機動車尾氣排放造成的大氣污染經濟損失進行了大量研究，但由于評估方法和研究區域的不同，評估結果往往差異較大[10]。本研究利用國外相似的研究成果計算不同公交車的具體污染物單位污染成本，如(表5)所示。二氧化碳減排量每噸價格按照我國已簽署的CDM合同中約80元人民幣計算，得到車均外部成本見(表6)。

2.2.2 配套設施的制約

以全生命周期總社會成本最小化為目標，得到2011年～2015年間福州市的公交運力發展方案，知LNG、BCEV、CNG、HHV、HEV、Diesel Vehicle的邊際效用依次降低，即如果不考慮配套設施的制約，LNG在年均增長542輛而其他車種車輛基本為0時，LCSC最小。

但是，根據《福建省天然氣汽車加氣發展規劃》，到2015年福州市區的天然氣加氣站發展規模為滿足約692輛 CNG公交車、1618輛 LNG公交車每天的加氣需求，即 CNG、LNG年均約 138、277輛的發展速度。同時，一個具備10個充電設備的大型充電站的建設周期為2～3個月，前期規劃征地招投標需要2～3個月，建成可同時服務14～20輛公交車，保證白天運行、夜間充電，因此若建立一個20輛左右電池電容車隊，需要充電設備10個，全周期需4～6個月，如此一年發展3個車隊的速度比較合理，即年均引進60輛電池電容公交車。可見，加氣站和充電站配套設施的建設規模直接制約天然氣和電動公交車的發展。

若依次考慮加氣站或充電站配套設施限制車輛發展，LNG、BCEV、CNG的增長與 LCSC的曲線圖如(圖2)所示，可見三者的上下限分別為(542，277)輛，(266，60)輛和(285，138)輛，且每增加一輛車三者對應的LCSC變化量分別為-133.78、-218.30/-69.10、-149.56萬元。

在上述配套設施限制下，若加裝液壓儲能器的歐IV或歐V公交車以年均增加100輛的速度發展，則HEV每年新增車輛可達到106輛。最終得到模型的結果如(表7)所示，即福州市2011年 ～2015年公交運力發展計劃。

表2 燃料日均消耗及CO2排放量對比

表3 年均污染物排放量對比 /kg

表4 8年綜合成本對比 /萬元

表5 研究所采用的大氣污染單位成本 /$/t

表6 年均外部成本對比 /萬元

表7 “十二五”福州市區公交運力發展計劃 /輛

圖2 配套設施限制車輛發展與LCSC的關系

控制2015年總車數保持在4000輛，對最終方案計算配套設施產生的影響。一般一個加氣子站的供氣規模為1.2～1.5或1.5～2.0萬 Nm3/日，可供約166～277輛CNG公交車或74～124輛 LNG公交車日加氣一次。由于CNG、LNG公交車加1次氣分別可行駛1天和2天，因此若在2011年增加一個LNG加氣子站，可再投入148～248輛LNG車，LCSC將最小減少4.16億元;若增加一個CNG加氣子站，則可再投入166～277輛CNG車，LCSC將最小減少3.48億元。若增加一個大型充電站，可再投入20輛BCEV，LCSC將減少3.31億元。

2.2.3 補貼與否

以HEV和BCEV無補貼作為目標函數求最小，計算得到若無國家補貼支持，單從企業的角度縱使考慮外部成本，每年可選用HEV和BCEV的車輛數都將從106輛、265輛分別降至6輛、0輛。有無補貼的全周期社會成本及外部成本對比如(表8)所示，可見外部成本有不同程度的降低，公交企業和地方政府投入的成本也大大減少。

因此，當公交企業將獲得巨大資金的補助，使用節能與新能源車輛的積極性勢必得到極大的提高，不僅有利于減輕地方政府的財政負擔，促進公交事業和高新科技的發展，同時更能得到社會和企業對節能減排工作開展的支持。建議，福州市政府應抓住國家“深入開展節能與新能源汽車試點示范”的契機，積極結合福州實際情況研究制定公共交通節能減排相關規劃，爭取獲得30個節能與新能源汽車示范城市中的1個名額。

2.2.4 短期與長期效益比較

如果僅考慮“十二五”期間的總社會成本最小化(目標函數3)，邊際效用從大到小依次為LNG、CNG、HHV、BCEV、HEV。在 LNG和 CNG每年發展 277、138輛的限制下，最優方案為BCEV以每年12輛的速度發展，遠低于配套可提供的60輛的規模。同時比較2個公交運力發展方案，發現除了“十二五”期間的總社會成本和總投入成本較小外，全生命周期內的總社會成本、兩時期的外部成本都較大，如(表9)所示。充分說明，若僅考慮短期效益最大化，則長期利益勢必受損。

因此，雖然創新的技術會帶來長遠的效益，但是近期卻無法看到。長期與短期目標的協調，關乎企業和政府職能與管理責任的價值觀判斷，企業一般不可能放棄短期目標，此時更要政府立足長遠發展給予新能源車輛適當的政策傾斜。

2.3 成本效益評價

按照福州公交運力發展計劃，預測2011年 ～2015年車均投入成本和外部成本，兩者均呈下降趨勢，投入的成本能夠帶來的環境效益逐年增加(圖3)。

圖3 福州“十二五”期間車均投入成本和外部成本

表8 有無補貼情況下LCSC和LCEC比較 /萬元

表9 五年期或全周期利益最大化下各類成本比較 /萬元

3 保障機制

城市新能源公交車輛的發展需要政府各部門在規劃、用地、財稅及產業等方面給予保障，具體包括:結合公共交通首末站的布局來協調加氣站、充電站的選址規劃，并落實輸氣管網、充電網絡和場站等配套設施的用地建設;建立節能減排專項基金，專款專用，保障新型能源產業的科研開發、推廣應用和配套建設，給予加氣、充電站等適當的稅收優惠;地方政府需積極支持、引導發展車輛制造行業，促進天然氣和電動公交車、“油改氣”、高效車輛構件和能源回收系統產業規模化和規范化;構建智能調度和公交優先系統，實現信息資源一體化服務;做好公交車輛的報廢、檢測和維修等的監督工作;公交企業對員工下達節約燃油和減少排放的考核指標，提出適當的獎懲方案。

4 結語

公共交通是政府“節能減排”的主抓領域，各地各城市選擇適宜發展的公交模式及運力計劃至關重要。本研究旨在表明只要遵循“油→氣→生物類→電”的能源發展規律分階段、有計劃地推動公交車輛能源結構優化，不但可以降低公交系統的直接投入成本，而且能確保甚至加快實現政府節能減排的目標。通過模型定量論證得到加大配套設施的建設、適當補貼政策將提高新能源車輛的邊際效益，有利于新能源車輛的推廣，最終減少企業和社會成本;并認為短期利益最大化必定損害長期效益，政府著眼于長遠發展應給予公交企業、新能源產業短期內一定的扶持。同時以福州市為實例，建議市政府應爭取獲得“節能與新能源汽車示范城市”名額，保障配套設施和補貼政策、推廣應用新能源車輛等，力保“十二五”節能減排目標的實現，對其他城市的新能源公交發展有借鑒作用。

[1]陳莎，楊少輝.城市公共交通系統節能降耗對策研究[J].城市交通，2009，7(3):43-47.

[2]Song Y，et al.Source apportionment of ambient volatile organic compounds in Beijing.Environmental Science and Technology，2007，41(12):4348-4353.

[3]中華人民共和國環境保護部.中國機動車污染防治年報(2010年度)[R].北京，2010.

[4]李錦，王愛兵.城市公交節能減排對策[J].城市車輛，2009，(4):23-25.

[5]陳俐，張勇.國內外新能源公交客車發展狀況綜述[J].城市公用事業，2008，22(3):15-18.

[6]韓廷杰翻譯.日本的交通運輸節能減排情況簡介[J].節能，2010，(2):4-11.

[7]周齊.未來公交車用能源初探[J].城市公共交通，2007，(9):27-31.

[8]蔡皓，謝紹東.中國不同排放標準機動車排放因子的確定[J].北京大學學報(自然科學版)，2010，46(3):319-326.

[9]蔡夏英.新能源客車在上海公交的示范應用[J].城市公用事業，2008，22(3):18-22.

[10]王壽兵，等.上海市柴油和CNG公交車生命周期成本比較[J].復旦學報(自然科學版)，2007，46(1):123-128.