氢内燃机汽车与传统内燃机汽车的经济性比较研究

摘 要：为研究氢内燃机汽车推广应用潜在的经济价值，对氢气的生产成本、氢内燃机汽车的改装成本、运行成本进行了调查研究，探讨了轿车和公交车改装氢内燃机后潜在的碳交易收益。研究结果表明，当前技术条件下，氢气使用成本为2～2.5元/m3。与汽油轿车相比，氢内燃机轿车可节省35%左右的燃料费用；与城市单层中型柴油公交车相比，氢内燃机公交车可节省20%左右的燃料费用。在不考虑政府补贴的前提下，氢内燃机轿车运行3年的碳排放收益与运营成本节约能够抵消改装成本，氢内燃机公交车运行10年可抵消改装成本。与CNG汽车相比，氢内燃机汽车能够持续、稳定地获得可观的碳交易收益。因此，氢内燃机轿车及公交车的推广具有良好的经济效益和长远的环境效益。

关键词：氢气；氢内燃机；经济性；碳排放收益

中图分类号：TK431文献标文献标识码：A文献标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

近年来石油资源的消耗日益增长，21世纪仅车用燃料的需求就占全球石油总需求的52%，未来大约有94%的石油消费增长都将缘于车用燃料的需求[1]。与此同时，石油资源储量不断减少，石化燃料的大量消耗导致环境污染和温室效应不断加剧。据《中国机动车污染防治年报》公布的“十一五”期间全国机动车污染排放情况显示：仅2010年，全国机动车排放氮氧化物（NOx）599.4万t，碳氢化合物（HC）487.2万t，一氧化碳（CO）4 080.4万t，颗粒物（PM）近60万t，而且随着机动车保有量的增加将不断增长。汽车工业的发展面临能源危机和环境污染的双重挑战，开发以清洁、可再生能源为基础的新能源动力技术成为当今世界各国必须面对的重要课题。

与传统汽油机和柴油机相比，天然气（CNG）内燃机的缸内混合状态更为均匀、燃烧充分，可大幅度降低CO、HC和微粒的排放污染，而天然气为不可再生能源，燃烧时同样会产生CO2，不能从根本上解决能源与环境之间的矛盾，但因其储量相对丰富，目前作为石油的替代能源受到了广泛关注[2]。电动车技术因电池的制造过程会产生污染，且电池寿命有限，充电时间较长，还需进一步发展。氢燃料电池技术具有高效、零污染和低噪声等诸多优点，但因其成本过高，目前还不适合大规模推广应用。氢内燃机技术具有清洁、高效等特点，特别是排放产物中不含CO2，仅有的污染物NOx也能够通过多种手段予以显著降低[3-4]。近年来，世界各国都在积极致力于氢燃料内燃机和汽车的开发[5-6]。与此同时，制氢技术的快速发展[7]也对氢能源的推广应用起到积极的促进作用。

在氢内燃机经济性研究中，Winter[8]对氢能经济的发展前景进行了预测，并对具有里程碑意义的氢能关键技术进行了总结。Wallner[9]等人通过对BMW公司开发的Hydrogen 7系列氢内燃机汽车进行燃油经济性能测试，表明氢内燃机技术具有良好的经济性能。Langford等人[10]探讨了将美国诺克斯维尔地区公交枢纽的全部传统燃料内燃机公交车改装成氢燃料公交车所存在的问题及其应对策略。由于氢气的制取、存储、运输和使用受外部因素影响较大，Langford等人没有对氢内燃机公交车的改装成本及氢内燃机公交车潜在的经济效益进行探讨。毛宗强[11]记述了第18届世界氢能大会上各国氢能源市场化的发展现状，提出发展氢经济对全球CO2减排至关重要。孙作宇等人[12]通过探讨我国的能源安全现状，认为发展与使用氢能源汽车已经迫在眉睫。

综上所述，国内外研究者针对氢内燃机的工作特性及应用前景进行了比较深入的研究，但是对于氢内燃机汽车经济性能，特别是与传统内燃机汽车经济性能的比较研究相对较少，尤其是针对城市交通公司改装氢内燃机轿车和公交车的经济性分析。因此，本文从城市公共交通公司的经济利益角度出发，将对氢气的生产成本、氢内燃机汽车的改装成本、运行成本进行了调查研究，并对轿车和公交车改装氢内燃机后潜在的碳交易收益进行探讨。

1.1.2 CNG、汽油和柴油的使用成本调查

根据商务部提供的2011年我国部分城市车用天然气的价格显示，各地车用天然气平均价格在4.4元/Nm3左右，而且还存在进一步上涨空间；我国汽油和柴油价格与国际市场相比仍处于较低水平，目前我国汽油和柴油价格均在8元/L左右。

1.2 氢内燃机汽车改装成本调查

为降低氢内燃机系统的开发成本，氢内燃机汽车的开发可通过改装传统内燃机汽车完成。下面将对氢内燃机汽车的改装成本进行探讨。

北京理工大学与长安汽车公司合作开发的高效率、低排放氢内燃机及轿车如图1所示。目前该氢内燃机轿车已累积运行超过1万 km，积累了丰富的开发经验。在此基础上，北京理工大学已开展氢内燃机公交车的研发工作，氢内燃机公交车样车如图2所示。氢内燃机轿车和公交车的具体参数见表2。

根据轻型汽车燃料消耗量试验方法（GB/T 19233—2008）和重型商用车辆燃料消耗量测量方法（GB/T 27840—2011）测得氢内燃机轿车及公交车的油耗，分别是16.85 Nm3/100 km和61 Nm3/100 km。从而得到氢内燃机轿车及公交车的油耗成本分别为42元/100 km和152.5元/100 km。

氢内燃机轿车主要以汽油轿车为基础进行改装，氢内燃机公交车主要以柴油公交车为基础进行改装。考虑到目前城市中等规模出租车公司和城市公交线路的车辆规模，分别以500辆出租车和100辆公交车的规模进行改装成本核算，出租车和公交车的改装成本如图3和图4所示。

一台出租车的改装成本大概为10.5万元，成本构成中以整车供氢系统的成本最高，占总成本的50%左右，氢气喷射系统和安全系统的改装成本均占20%左右。由图4可知，一台公交车的改装成本大概为46万元，同样是整车供氢系统的成本最为显著，占54%左右。与出租车的改装成本相比，公交车的改造成本中氢气喷射系统和安全系统所占比例稍有下降。

为了探讨氢内燃机汽车、CNG汽车、汽油车和柴油车的经济性，下面对国内主要大、中城市的汽油轿车、柴油公交车的燃油消耗量进行统计，并与CNG汽车和氢内燃机汽车进行对比研究。

2 结果分析与讨论

对于紧凑型和中型轿车，综合油耗均随排量增加呈整体上升趋势。对于中大型轿车，尤其是排量大于2.5 L时，综合油耗随排量增大呈逐渐下降趋势，这是因为随轿车排量增大，用于提高车辆经济性能的新技术应用增多。综合200种不同车型的燃油消耗数据，可以得到汽油轿车的平均综合油耗在8.1 L/100 km左右，对应的百公里燃油消耗费用在64.8元左右。

为了对比天然气（CNG）轿车与汽油车的燃油经济性，对2011年CNG轿车的燃油消耗量进行了统计，发现CNG轿车的百公里耗气量为8～10 m3左右，本文以8.5 m3计算，可以得到CNG轿车百公里燃油消耗费用为37.4元左右。对于氢内燃机轿车，由表2可知，95 km/h时的百公里耗氢成本为42元左右。

综上所述，对于一辆城市普通轿车，采用CNG作为内燃机燃料，百公里燃油消耗成本最低，氢内燃机轿车稍差，如图6所示。与汽油车相比，CNG轿车百公里燃料消耗成本可节省42%左右的费用，而氢气轿车可节省35%左右的费用。

2.2 不同燃料公交车的经济性分析

郑爽[19]通过分析欧盟碳排放贸易体系指出，影响碳交易价格的因素较多，且碳交易价格波动较大，但全球减排的大趋势必然能够建立稳定的碳交易市场。目前每吨CO2交易价格稳定在13欧元附近，欧元与人民币汇率按8.3 RMB/€计算，可以得到将传统内燃机汽车改装为氢内燃机汽车后的潜在碳排放收益，如图9所示。

图9给出了利用氢内燃机轿车和公交车替代汽油轿车、柴油公交车、CNG轿车和公交车后能够获取的碳排放收益。可以看出，将天然气公交车改造为氢内燃机公交车所得的碳交易效益最大，每辆公交车一年获取的碳排放收益达0.7万元以上；其次为柴油公交车，将其改装为氢内燃机公交车一年获取的碳排放收益为0.6万元以上；汽油轿车与天然气轿车的碳排放水平相当，一年的碳排放收益在0.3万元左右。

综上所述，在不考虑政策补贴的条件下，与汽油机轿车相比，氢内燃机轿车运行2～3年后，碳排放收益所得与燃料成本节约收益之和能够完全抵消改装成本消耗；与柴油公交车相比，氢内燃机公交车需9～10年左右即可抵消改装费用。氢内燃机汽车与CNG汽车的燃料供应系统的成本较为接近，而氢内燃机汽车能够获得持续稳定的碳排放收益。因此，氢内燃机轿车及公交车的推广将具有良好的经济效益和长远的环境效益。

3 结论

（1）当前技术条件下，考虑水电解制氢的电耗成本、压缩耗能成本、制氢设备折旧成本、管理及人员摊销成本以及企业利润等因素，氢气使用成本在2～2.5元/m3左右。

（2）将汽油机轿车改装为氢内燃机轿车成本增加10.5万元左右，其中整车供氢系统成本最高，占总成本的50%左右，氢气喷射系统和安全系统的改装成本均在20%左右；将柴油公交车改装为氢内燃机公交车的成本增加46万元左右，整车供氢系统成本占54%左右，而氢气喷射系统和安全系统所占比例略有下降。氢内燃机汽车与CNG汽车的燃气供应系统成本较为接近。

（3）与城市普通汽油轿车相比，氢内燃机轿车可节省35%左右的燃料费用；与城市单层中型汽油公交车相比，氢内燃机公交车可节省20%左右的燃料费用。

（4）在不考虑政策补贴的前提下，氢内燃机轿车运行2～3年的碳排放收益与燃料成本节约收益之和能够完全抵消原汽油轿车的改装成本；氢内燃机公交车需运行9～10年可抵消原柴油公交车的改装成本。

（5）氢内燃机轿车及公交车的推广具有良好的经济效益和长远的环境效益。

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作者介绍

责任作者：孙柏刚（1962-），男，黑龙江哈尔滨人。博士，副教授，主要从事氢内燃机及整车开发应用方面的相关研究。

Tel：010-68915235，18810338503

E-mail：sunbg@bit.edu.cn

通讯作者：田华宇（1990-），男，河北新乐人。硕士，主要从事氢内燃机及整车开发应用方面的相关研究。

Tel：15101117804

E-mail：tianhuayu627@163.com

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