氫燃料電池汽車替代燃油汽車減排效益分析*

林 翔，劉耀龍，邵俊博，趙曉雪，徐倩嵐

（太原理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山西 晉中030600）

為了實(shí)現(xiàn)低碳減排和環(huán)境保護(hù)目標(biāo)，各國政府積極推行氫燃料電池汽車（Hydrogen Fuel Cell Vehicle，HFCV）替代燃油汽車的政策。美國替代燃料專家Thomas等認(rèn)為，燃料電池和氫燃料將是本世紀(jì)有效地應(yīng)對(duì)全球變暖的最佳汽車技術(shù)方案[1]。事實(shí)上，現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)水平下，氫燃料電池汽車（HFCV）的車輛成本是高昂的。在我國現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)、政策和技術(shù)條件下，HFCV替代燃油汽車是否能夠真正實(shí)現(xiàn)減排環(huán)保、全生命周期的消費(fèi)成本和排放成本是否合理、消費(fèi)者是否愿意接受政策引導(dǎo)并購買HFCV等尚待證實(shí)。本文定量測(cè)算全生命周期過程中（生產(chǎn)階段+燃料鏈階段+使用階段，使用階段設(shè)定為10年15萬km）HFCV和燃油汽車的總成本（消費(fèi)成本+排放成本），通過比較來分析討論HFCV替代燃油汽車的經(jīng)濟(jì)效益。其中，消費(fèi)成本計(jì)算基于消費(fèi)者持有成本理論[2]，排放成本計(jì)算基于GREET模型[3]全生命周期排放模擬結(jié)果。

1 成本分析與測(cè)算

1.1 汽車全生命周期消費(fèi)成本

汽車全生命周期消費(fèi)成本分為車輛成本和能源成本兩大類，其中，車輛成本分為購置成本和維保成本，而購置成本包括零售價(jià)、購置稅和購車補(bǔ)貼，維保成本包括保養(yǎng)和保險(xiǎn)成本；能源成本分為能源制備成本、能源運(yùn)輸成本和能源使用成本（見表1）。

表1 燃油汽車和HFCV全生命周期消費(fèi)成本

1.1.1 車輛成本測(cè)算

1）購置成本。汽車購置成本設(shè)為Cp，燃油汽車以2018年全國累計(jì)銷量排名前三位汽車（哈弗H6、軒逸、新朗逸）的平均值為參考[4]，其中，零售價(jià)為11.79萬元，購置稅為1.18萬元（稅率為零售價(jià)的10%），無購車補(bǔ)貼，則燃油汽車的Cp為12.97萬元。HFCV以豐田Mirai為參考，零售價(jià)為40.45萬元，無購置稅，購車補(bǔ)貼為20萬元/輛[5]，則HFCV的Cp為20.45萬元。

2）維保成本。燃油汽車和HFCV的維保成本計(jì)算公式為

式中：Cvm為不同車輛的維保成本；Km為所對(duì)應(yīng)車輛的1 km保養(yǎng)成本；D為車輛年行駛公里數(shù)；Cvmi為所對(duì)應(yīng)車輛的年保險(xiǎn)成本；r為折現(xiàn)率，取值為5%；t為車輛運(yùn)行第t年；n為車輛運(yùn)行總年數(shù)。燃油汽車的Km取值為0.125 6元/km，為2018年全國累計(jì)銷量排名前三位汽車的平均值（相關(guān)數(shù)據(jù)來源于太平洋汽車網(wǎng)）；Cvmi為4 007元，其中交強(qiáng)險(xiǎn)950元、車船稅450元、第三者責(zé)任險(xiǎn)877元、車損險(xiǎn)1 730元（相關(guān)數(shù)據(jù)來源于新浪汽車）。HFCV的Km取值為0.078 6元/km，為相似規(guī)格的北汽EV系列的保養(yǎng)價(jià)格加更換電池關(guān)鍵零部件膜電極組件（Membrane Electrode Assembly，MEA）的費(fèi)用[6]；Cvmi為3 557元（免征車船稅）。通過計(jì)算可得，燃油汽車和HFCV的維保成本Cvm分別為45 490.67元、27 767.78元。

1.1.2 能源成本測(cè)算

考慮到能源制備成本和運(yùn)輸成本一般都折價(jià)到能源的使用成本中，如汽油價(jià)格包含了汽油制備、運(yùn)輸和使用的價(jià)格。因此，燃油汽車和HFCV的能源成本可表示為

式中：CE為不同車輛的能源成本，單位為元/km；KE為所對(duì)應(yīng)車輛行駛100 km的能耗；P為能源價(jià)格；D為車輛年行駛公里數(shù)，取值為1.5萬km/年。燃油汽車的KE取值為6.9 L/100 km，為2018年全國累計(jì)銷量排名前三位汽車的平均值；P取值為7.2元/L，為2018年92號(hào)汽油平均價(jià)格。HFCV的KE為0.94 kg/100 km（數(shù)據(jù)來源于Fuel Economy網(wǎng)站），P為36.46元/kg。由于缺乏國內(nèi)加氫站的氫能價(jià)格，本文采用制備成本、運(yùn)輸成本和使用成本求和方式進(jìn)行計(jì)算，其中，氫能制備成本采用宇通集團(tuán)的預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年氫氣成本為20元/kg[7]；氫能運(yùn)輸成本采用馬建新等學(xué)者的研究結(jié)果[8]，采用長管拖車運(yùn)輸成本；氫能使用成本采用深圳市國鐵新能源計(jì)算的加氫成本（設(shè)備折舊+人工成本+管理運(yùn)營），為14.16元/kg[9]。通過計(jì)算得到，燃油汽車的CE為0.496 8元/km，全生命周期的能源成本為74 520元；HFCV的CE為0.342 7元/km，全生命周期的能源成本為51 408.6元。綜上所述，燃油汽車的全生命周期消費(fèi)成本為249 700.67元，HFCV的全生命周期消費(fèi)成本為283 676.38元（見表1）。

1.2 汽車全生命周期排放成本

兩類汽車全生命周期排放成本采用GREET模型模擬計(jì)算[10]，前期數(shù)據(jù)可借鑒美國的相關(guān)參數(shù)[11]，GREET1模型涉及燃料鏈部分。在汽車生產(chǎn)過程中，能耗和排放在全生命周期中占比小于1%，并且各類汽車生產(chǎn)所用原料和能耗相差不大[12]，因此本文未考慮GREET2模型部分。

考慮到我國現(xiàn)有的制氫技術(shù)，HFCV的燃料鏈路徑設(shè)定為兩條。

1）電解水路徑：一次能源開采→一次能源運(yùn)輸→電解水制氫→氫氣運(yùn)輸→加注→使用。

2）天然氣路徑：一次能源開采→一次能源運(yùn)輸→天然氣蒸汽重整制氫→氫氣運(yùn)輸→加注→使用。

燃油汽車的燃料鏈路徑設(shè)定為原油開采→原油運(yùn)輸→煉制→汽油運(yùn)輸→加油→使用。

1.2.1 汽車排放測(cè)算

GREET模型的參數(shù)包括3類：電力結(jié)構(gòu)、天然氣結(jié)構(gòu)和車輛參數(shù)。電力結(jié)構(gòu)采用《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016—2020年）》中設(shè)置的2020年我國的電力結(jié)構(gòu)，即火力發(fā)電、核能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、光伏發(fā)電、天然氣發(fā)電和其他發(fā)電 的 占 比 分 別 為55.00%、2.90%、10.50%、17.00%、5.50%、5.50%、3.60%。天然氣結(jié)構(gòu)采用GREET2018內(nèi)置數(shù)據(jù)，能量轉(zhuǎn)化率為71.4%；天然氣壓縮效率為90.73%，能源消耗為100%電能。車輛參數(shù)包括零售價(jià)、政府補(bǔ)貼、能耗率、發(fā)動(dòng)機(jī)排量和汽車質(zhì)量。其中，燃油汽車零售價(jià)為11.79萬元，能耗率為6.9 L/100 km，發(fā)動(dòng)機(jī)排量為2.53 L，質(zhì)量為1 333 kg，均為2018年全國累計(jì)銷量排名前三位汽車的平均值；HFCV零售價(jià)為40.45萬元，政府補(bǔ)貼20萬元，能耗率為0.94 kg/100 km，質(zhì)量為1 848 kg，為豐田Mirai汽車數(shù)據(jù)。

通過GREET軟件進(jìn)行仿真分析，得出燃油汽車和HFCV各類污染物的排放量（見表2）。

表2 燃油汽車和2種路徑HFCV排放比較（g/100 km）

除了CO外，HFCV電解水路徑的整體排放強(qiáng)度大于天然氣路徑。原因在于，電解水路徑的全生命周期耗電量較大，在現(xiàn)有供電側(cè)電源結(jié)構(gòu)條件下，化石燃料（尤其是煤炭）的消耗量較大，導(dǎo)致排放量總體較高。因此，排放成本測(cè)算僅考慮天然氣路徑的HFCV。

1.2.2排放成本測(cè)算

將表2中的污染物排放量轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量和污染物當(dāng)量，以此測(cè)算碳排放和廢氣排污費(fèi)用。參考IPCC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[13]，本文主要計(jì)算CH4和N2O對(duì)CO2的排放當(dāng)量，其計(jì)算公式為

式中：GHG為CO2當(dāng)量；23和296分別為CH4和N2O的全球變暖潛力值。全部使用天然氣蒸汽重整制氫技術(shù)提供氫氣，車輛使用10年行駛15萬km時(shí)，燃油汽車、HFCV的CO2當(dāng)量排放分別為39.02 t，23.61 t。引入碳交易市場(chǎng)噸碳價(jià)格來度量汽車排放所帶來的環(huán)境經(jīng)濟(jì)損失及計(jì)算碳排放的成本。根據(jù)北京碳交易所2019年4月份數(shù)據(jù)，平均碳價(jià)格為75元/t，則燃油汽車、HFCV的全生命周期CO2當(dāng)量的排放成本分別為2 926.77元、1 771.02元。

根據(jù)國務(wù)院《排污費(fèi)征收使用管理?xiàng)l例》，廢氣排污費(fèi)按排污者排放污染物的種類、數(shù)量以污染當(dāng)量計(jì)算征收，每一污染當(dāng)量征收標(biāo)準(zhǔn)為0.7元，廢氣排污征費(fèi)計(jì)算公式為

本文取前3項(xiàng)污染物SO2，NOx，CO進(jìn)行計(jì)算，其對(duì)應(yīng)的污染當(dāng)量值分別為0.95 kg，0.95 kg，16.7 kg。在全部使用天然氣蒸汽重整制氫技術(shù)提供氫氣，車輛使用10年行駛15萬km的情況下，燃油汽車、HFCV的污染物當(dāng)量排放值分別為60.837 9 kg，30.881 9 kg，則燃油汽車、HFCV的污染物排放成本分別為42.59元、21.62元。

2 全生命周期成本比較

2.1 消費(fèi)成本比較

經(jīng)計(jì)算，在10年15萬km情況下，燃油汽車、HFCV全生命周期消費(fèi)成本分別為249 700.67元、283 676.38元，HFCV的消費(fèi)成本比燃油汽車的消費(fèi)成本高33 975.71元，即消費(fèi)者如果選擇HFCV替代燃油汽車，意味著平均每年多支出3 397.57元。具體而言，在享受國家補(bǔ)貼的情況下，HFCV的車輛成本仍比燃油汽車高出57 087.11元，超出部分為燃油汽車購置成本的57.68%。但是，燃油汽車的維保成本和能源成本高于HFCV。整體來看，HFCV全生命周期的消費(fèi)成本為燃油汽車的1.14倍，顯然，在現(xiàn)階段技術(shù)水平下，HFCV的車輛成本仍然過高。在能源成本方面，HFCV具有明顯優(yōu)勢(shì)，隨著國際油價(jià)的不斷上漲、氫能使用技術(shù)的不斷成熟，這種優(yōu)勢(shì)將會(huì)不斷擴(kuò)大。

2.2 排放成本比較

在全部使用天然氣蒸汽重整制氫技術(shù)提供氫氣情景下，全生命周期內(nèi)（10年行駛15萬km）燃油汽車的排放成本為2 969.36元，HFCV的排放成本為1 792.63元，天然氣路徑制氫的HFCV比燃油汽車的排放成本低1 176.73元。如果未來10年內(nèi)政府征收汽車排污費(fèi)（碳排放和污染物排放征費(fèi)），消費(fèi)者選擇HFCV替代燃油汽車意味著平均每年可減少支出117.67元。此外，考慮到CO2等溫室氣體排放造成的環(huán)境影響巨大，逐步使用天然氣路徑的HFCV替代燃油汽車具有更大的環(huán)境經(jīng)濟(jì)意義。

在減排效果方面，全生命周期內(nèi)1輛HFCV替代燃油汽車減少CO2當(dāng)量排放15.40 t，減少部分為燃油汽車CO2當(dāng)量排放的39.46%；全生命周期內(nèi)1輛HFCV替代燃油汽車減少的污染物排放當(dāng)量為29.96 kg,減少部分為燃油汽車污染物排放當(dāng)量的49.25%。據(jù)工業(yè)和信息化部估計(jì)，2020年我國新能源汽車占比要達(dá)到10%[14]；據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截至2018年年底，全國汽車保有量達(dá)2.4億輛[15]。因此，全生命周期內(nèi)（10年行駛15萬km）HFCV替代燃油汽車可減少碳排放36 960萬t（年減排3 696萬t）。根據(jù)中國碳排放交易網(wǎng)公布數(shù)據(jù)，我國每年的CO2排放量為10 357萬t[16]。顯然，當(dāng)HFCV替代燃油汽車的比率達(dá)到全國汽車保有量的10%時(shí)，我國每年可實(shí)現(xiàn)減少碳排放3 696萬t，占每年CO2排放量的35.69%，環(huán)境效益巨大。

2.3 全生命周期成本比較

假設(shè)未來10年內(nèi)政府開始征收汽車排污費(fèi)，則燃油汽車的全生命周期成本為252 670.03元，HFCV（天然氣路徑）的全生命周期成本為285 469.02元，HFCV全生命周期成本比燃油汽車高出32 798.99元，即消費(fèi)者選擇HFCV替代燃油汽車意味著平均每年增加支出3 279.90元，或每1萬km路程增加支出2 186.60元。比較HFCV的環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益和全生命周期成本增加值，即對(duì)于每1位HFCV使用者而言，每年追加3 279.90元的費(fèi)用就能實(shí)現(xiàn)CO2減排1.54 t及污染物減排3.00 kg，從消費(fèi)者的經(jīng)濟(jì)條件和環(huán)保意識(shí)角度看，HFCV替代燃油汽車可以接受。

事實(shí)上，從全生命周期成本角度看，HFCV消費(fèi)者比燃油汽車消費(fèi)者多支付約3.28萬元，考慮到HFCV的消費(fèi)成本已經(jīng)超出28萬元，多數(shù)用戶可能不愿意因?yàn)榄h(huán)境效益而額外支付費(fèi)用。如果HFCV企業(yè)能夠吸納年均3 279.90元的成本（如提高技術(shù)、降低銷售成本或自己承擔(dān)而減少利潤），則消費(fèi)者更傾向于選擇HFCV而不是燃油汽車。

此外，李小東等[17]研究表明：溫室氣體的支付意愿為0.22元/kgeq.C，即為了減少CO2當(dāng)量1 kg，消費(fèi)者愿意支付0.22元。而本文研究顯示，每減少1 kg CO2當(dāng)量排放，消費(fèi)者需要額外支付2.13元，超出消費(fèi)者愿意支付近10倍。換句話說，在現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)政策和HFCV技術(shù)水平下，為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益而引導(dǎo)消費(fèi)者放棄燃油汽車選擇HFCV，從消費(fèi)者支付意愿角度看是不現(xiàn)實(shí)的。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

1）與燃油汽車相比，HFCV全生命周期的消費(fèi)成本較高。在10年15萬km情景下，HFCV消費(fèi)成本比燃油汽車高約3.40萬元，在享受國家補(bǔ)貼的情況下，HFCV的購置成本仍然高出燃油汽車的57.68%。盡管HFCV在能源成本方面具有一定優(yōu)勢(shì)，但是消費(fèi)成本的總體差距在一定程度上阻礙了消費(fèi)者選擇HFCV。

2）與燃油汽車相比，天然氣制氫的HFCV全生命周期具有一定的環(huán)境經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。1輛HFCV替代燃油汽車可減少CO2當(dāng)量排放15.40 t，減少污染物排放當(dāng)量29.96 kg，排放成本相應(yīng)地減少1 176.73元。當(dāng)HFCV（天然氣路徑）替代燃油汽車的比率達(dá)到汽車保有量的10%時(shí)，我國每年可以實(shí)現(xiàn)碳減排3 696萬t，減排率達(dá)35.69%。相對(duì)而言，電解水制氫的HFCV不具有環(huán)境效應(yīng)，化石燃料發(fā)電帶來的碳排放和污染物排放較高。

3）全生命周期內(nèi)，天然氣制氫的HFCV總成本高于燃油汽車。假設(shè)未來10年內(nèi)政府開始征收汽車排污費(fèi)，HFCV（天然氣路徑）全生命周期成本比燃油汽車高3.28萬元，也就是說消費(fèi)者選擇HFCV替代燃油汽車平均每年增加支出3 280元，或每1萬km路程增加支出2 187元?，F(xiàn)有政策、技術(shù)和成本條件下，消費(fèi)者傾向于選擇燃油汽車而非HFCV。當(dāng)然，出于環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益和收入消費(fèi)水平考量，每年增加3 280元支出實(shí)現(xiàn)CO2減排1.54 t、污染物減排3.00 kg，消費(fèi)者總體上可以接受。

3.2 建議

為了進(jìn)一步促進(jìn)HFCV產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)國家應(yīng)對(duì)全球氣候變化的減排目標(biāo)與環(huán)境保護(hù)目的，針對(duì)上述結(jié)論，提出如下對(duì)策和建議。

1）提高居民人均可支配收入和消費(fèi)水平以促使更多的消費(fèi)者選擇HFCV。HFCV全生命周期成本高于燃油汽車32 798.99元，年均3 279.90元。2018年我國居民人均可支配收入28 228元。消費(fèi)者選擇HFCV的額外成本占其可支配收入的11.62%。如果能夠持續(xù)增加居民人均可支配收入，其購買HFCV的意愿將逐漸增加。

2）降低煤電比例、提高天然氣蒸汽重整制氫占比，有助于增加HFCV的環(huán)境效益。除了CO外，電解水路徑的HFCV全生命周期內(nèi)整體排放強(qiáng)度大于天然氣路徑。在推動(dòng)HFCV產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，不斷提高制氫技術(shù)的減排效果，增加天然氣蒸汽重整制氫技術(shù)占比或逐步降低煤炭發(fā)電比例均有助于擴(kuò)大環(huán)境保護(hù)效益。

3）政府持續(xù)甚至增加購車補(bǔ)貼可促進(jìn)HFCV產(chǎn)業(yè)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)效果。目前，HFCV購車補(bǔ)貼為20萬元/輛，如果追加3.28萬元的環(huán)境補(bǔ)貼，則HFCV全生命周期的成本等于燃油汽車，出于保護(hù)環(huán)境的考慮，絕大多數(shù)消費(fèi)者愿意選擇HFCV。

4）企業(yè)加大技術(shù)研發(fā)投入，降低HFCV的消費(fèi)成本，以促進(jìn)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。HFCV技術(shù)研發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益不言而喻，如果企業(yè)因技術(shù)革新而減少消費(fèi)成本超過3.28萬元，政府免除額外補(bǔ)貼，消費(fèi)者免除追加成本，HFCV企業(yè)迎來快速發(fā)展，顯然這是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和政策效益的最終途徑。