氢燃料电池汽车替代燃油汽车减排效益分析*

林 翔，刘耀龙，邵俊博，赵晓雪，徐倩岚

（太原理工大学经济管理学院，山西 晋中030600）

为了实现低碳减排和环境保护目标，各国政府积极推行氢燃料电池汽车（Hydrogen Fuel Cell Vehicle，HFCV）替代燃油汽车的政策。美国替代燃料专家Thomas等认为，燃料电池和氢燃料将是本世纪有效地应对全球变暖的最佳汽车技术方案[1]。事实上，现有生产技术水平下，氢燃料电池汽车（HFCV）的车辆成本是高昂的。在我国现有经济、政策和技术条件下，HFCV替代燃油汽车是否能够真正实现减排环保、全生命周期的消费成本和排放成本是否合理、消费者是否愿意接受政策引导并购买HFCV等尚待证实。本文定量测算全生命周期过程中（生产阶段+燃料链阶段+使用阶段，使用阶段设定为10年15万km）HFCV和燃油汽车的总成本（消费成本+排放成本），通过比较来分析讨论HFCV替代燃油汽车的经济效益。其中，消费成本计算基于消费者持有成本理论[2]，排放成本计算基于GREET模型[3]全生命周期排放模拟结果。

1 成本分析与测算

1.1 汽车全生命周期消费成本

汽车全生命周期消费成本分为车辆成本和能源成本两大类，其中，车辆成本分为购置成本和维保成本，而购置成本包括零售价、购置税和购车补贴，维保成本包括保养和保险成本；能源成本分为能源制备成本、能源运输成本和能源使用成本（见表1）。

表1 燃油汽车和HFCV全生命周期消费成本

1.1.1 车辆成本测算

1）购置成本。汽车购置成本设为Cp，燃油汽车以2018年全国累计销量排名前三位汽车（哈弗H6、轩逸、新朗逸）的平均值为参考[4]，其中，零售价为11.79万元，购置税为1.18万元（税率为零售价的10%），无购车补贴，则燃油汽车的Cp为12.97万元。HFCV以丰田Mirai为参考，零售价为40.45万元，无购置税，购车补贴为20万元/辆[5]，则HFCV的Cp为20.45万元。

2）维保成本。燃油汽车和HFCV的维保成本计算公式为

式中：Cvm为不同车辆的维保成本；Km为所对应车辆的1 km保养成本；D为车辆年行驶公里数；Cvmi为所对应车辆的年保险成本；r为折现率，取值为5%；t为车辆运行第t年；n为车辆运行总年数。燃油汽车的Km取值为0.125 6元/km，为2018年全国累计销量排名前三位汽车的平均值（相关数据来源于太平洋汽车网）；Cvmi为4 007元，其中交强险950元、车船税450元、第三者责任险877元、车损险1 730元（相关数据来源于新浪汽车）。HFCV的Km取值为0.078 6元/km，为相似规格的北汽EV系列的保养价格加更换电池关键零部件膜电极组件（Membrane Electrode Assembly，MEA）的费用[6]；Cvmi为3 557元（免征车船税）。通过计算可得，燃油汽车和HFCV的维保成本Cvm分别为45 490.67元、27 767.78元。

1.1.2 能源成本测算

考虑到能源制备成本和运输成本一般都折价到能源的使用成本中，如汽油价格包含了汽油制备、运输和使用的价格。因此，燃油汽车和HFCV的能源成本可表示为

式中：CE为不同车辆的能源成本，单位为元/km；KE为所对应车辆行驶100 km的能耗；P为能源价格；D为车辆年行驶公里数，取值为1.5万km/年。燃油汽车的KE取值为6.9 L/100 km，为2018年全国累计销量排名前三位汽车的平均值；P取值为7.2元/L，为2018年92号汽油平均价格。HFCV的KE为0.94 kg/100 km（数据来源于Fuel Economy网站），P为36.46元/kg。由于缺乏国内加氢站的氢能价格，本文采用制备成本、运输成本和使用成本求和方式进行计算，其中，氢能制备成本采用宇通集团的预计数据，2020年氢气成本为20元/kg[7]；氢能运输成本采用马建新等学者的研究结果[8]，采用长管拖车运输成本；氢能使用成本采用深圳市国铁新能源计算的加氢成本（设备折旧+人工成本+管理运营），为14.16元/kg[9]。通过计算得到，燃油汽车的CE为0.496 8元/km，全生命周期的能源成本为74 520元；HFCV的CE为0.342 7元/km，全生命周期的能源成本为51 408.6元。综上所述，燃油汽车的全生命周期消费成本为249 700.67元，HFCV的全生命周期消费成本为283 676.38元（见表1）。

1.2 汽车全生命周期排放成本

两类汽车全生命周期排放成本采用GREET模型模拟计算[10]，前期数据可借鉴美国的相关参数[11]，GREET1模型涉及燃料链部分。在汽车生产过程中，能耗和排放在全生命周期中占比小于1%，并且各类汽车生产所用原料和能耗相差不大[12]，因此本文未考虑GREET2模型部分。

考虑到我国现有的制氢技术，HFCV的燃料链路径设定为两条。

1）电解水路径：一次能源开采→一次能源运输→电解水制氢→氢气运输→加注→使用。

2）天然气路径：一次能源开采→一次能源运输→天然气蒸汽重整制氢→氢气运输→加注→使用。

燃油汽车的燃料链路径设定为原油开采→原油运输→炼制→汽油运输→加油→使用。

1.2.1 汽车排放测算

GREET模型的参数包括3类：电力结构、天然气结构和车辆参数。电力结构采用《电力发展“十三五”规划（2016—2020年）》中设置的2020年我国的电力结构，即火力发电、核能发电、风力发电、水力发电、光伏发电、天然气发电和其他发电 的 占 比 分 别 为55.00%、2.90%、10.50%、17.00%、5.50%、5.50%、3.60%。天然气结构采用GREET2018内置数据，能量转化率为71.4%；天然气压缩效率为90.73%，能源消耗为100%电能。车辆参数包括零售价、政府补贴、能耗率、发动机排量和汽车质量。其中，燃油汽车零售价为11.79万元，能耗率为6.9 L/100 km，发动机排量为2.53 L，质量为1 333 kg，均为2018年全国累计销量排名前三位汽车的平均值；HFCV零售价为40.45万元，政府补贴20万元，能耗率为0.94 kg/100 km，质量为1 848 kg，为丰田Mirai汽车数据。

通过GREET软件进行仿真分析，得出燃油汽车和HFCV各类污染物的排放量（见表2）。

表2 燃油汽车和2种路径HFCV排放比较（g/100 km）

除了CO外，HFCV电解水路径的整体排放强度大于天然气路径。原因在于，电解水路径的全生命周期耗电量较大，在现有供电侧电源结构条件下，化石燃料（尤其是煤炭）的消耗量较大，导致排放量总体较高。因此，排放成本测算仅考虑天然气路径的HFCV。

1.2.2排放成本测算

将表2中的污染物排放量转化为CO2当量和污染物当量，以此测算碳排放和废气排污费用。参考IPCC相关标准[13]，本文主要计算CH4和N2O对CO2的排放当量，其计算公式为

式中：GHG为CO2当量；23和296分别为CH4和N2O的全球变暖潜力值。全部使用天然气蒸汽重整制氢技术提供氢气，车辆使用10年行驶15万km时，燃油汽车、HFCV的CO2当量排放分别为39.02 t，23.61 t。引入碳交易市场吨碳价格来度量汽车排放所带来的环境经济损失及计算碳排放的成本。根据北京碳交易所2019年4月份数据，平均碳价格为75元/t，则燃油汽车、HFCV的全生命周期CO2当量的排放成本分别为2 926.77元、1 771.02元。

根据国务院《排污费征收使用管理条例》，废气排污费按排污者排放污染物的种类、数量以污染当量计算征收，每一污染当量征收标准为0.7元，废气排污征费计算公式为

本文取前3项污染物SO2，NOx，CO进行计算，其对应的污染当量值分别为0.95 kg，0.95 kg，16.7 kg。在全部使用天然气蒸汽重整制氢技术提供氢气，车辆使用10年行驶15万km的情况下，燃油汽车、HFCV的污染物当量排放值分别为60.837 9 kg，30.881 9 kg，则燃油汽车、HFCV的污染物排放成本分别为42.59元、21.62元。

2 全生命周期成本比较

2.1 消费成本比较

经计算，在10年15万km情况下，燃油汽车、HFCV全生命周期消费成本分别为249 700.67元、283 676.38元，HFCV的消费成本比燃油汽车的消费成本高33 975.71元，即消费者如果选择HFCV替代燃油汽车，意味着平均每年多支出3 397.57元。具体而言，在享受国家补贴的情况下，HFCV的车辆成本仍比燃油汽车高出57 087.11元，超出部分为燃油汽车购置成本的57.68%。但是，燃油汽车的维保成本和能源成本高于HFCV。整体来看，HFCV全生命周期的消费成本为燃油汽车的1.14倍，显然，在现阶段技术水平下，HFCV的车辆成本仍然过高。在能源成本方面，HFCV具有明显优势，随着国际油价的不断上涨、氢能使用技术的不断成熟，这种优势将会不断扩大。

2.2 排放成本比较

在全部使用天然气蒸汽重整制氢技术提供氢气情景下，全生命周期内（10年行驶15万km）燃油汽车的排放成本为2 969.36元，HFCV的排放成本为1 792.63元，天然气路径制氢的HFCV比燃油汽车的排放成本低1 176.73元。如果未来10年内政府征收汽车排污费（碳排放和污染物排放征费），消费者选择HFCV替代燃油汽车意味着平均每年可减少支出117.67元。此外，考虑到CO2等温室气体排放造成的环境影响巨大，逐步使用天然气路径的HFCV替代燃油汽车具有更大的环境经济意义。

在减排效果方面，全生命周期内1辆HFCV替代燃油汽车减少CO2当量排放15.40 t，减少部分为燃油汽车CO2当量排放的39.46%；全生命周期内1辆HFCV替代燃油汽车减少的污染物排放当量为29.96 kg,减少部分为燃油汽车污染物排放当量的49.25%。据工业和信息化部估计，2020年我国新能源汽车占比要达到10%[14]；据公安部统计，截至2018年年底，全国汽车保有量达2.4亿辆[15]。因此，全生命周期内（10年行驶15万km）HFCV替代燃油汽车可减少碳排放36 960万t（年减排3 696万t）。根据中国碳排放交易网公布数据，我国每年的CO2排放量为10 357万t[16]。显然，当HFCV替代燃油汽车的比率达到全国汽车保有量的10%时，我国每年可实现减少碳排放3 696万t，占每年CO2排放量的35.69%，环境效益巨大。

2.3 全生命周期成本比较

假设未来10年内政府开始征收汽车排污费，则燃油汽车的全生命周期成本为252 670.03元，HFCV（天然气路径）的全生命周期成本为285 469.02元，HFCV全生命周期成本比燃油汽车高出32 798.99元，即消费者选择HFCV替代燃油汽车意味着平均每年增加支出3 279.90元，或每1万km路程增加支出2 186.60元。比较HFCV的环境经济效益和全生命周期成本增加值，即对于每1位HFCV使用者而言，每年追加3 279.90元的费用就能实现CO2减排1.54 t及污染物减排3.00 kg，从消费者的经济条件和环保意识角度看，HFCV替代燃油汽车可以接受。

事实上，从全生命周期成本角度看，HFCV消费者比燃油汽车消费者多支付约3.28万元，考虑到HFCV的消费成本已经超出28万元，多数用户可能不愿意因为环境效益而额外支付费用。如果HFCV企业能够吸纳年均3 279.90元的成本（如提高技术、降低销售成本或自己承担而减少利润），则消费者更倾向于选择HFCV而不是燃油汽车。

此外，李小东等[17]研究表明：温室气体的支付意愿为0.22元/kgeq.C，即为了减少CO2当量1 kg，消费者愿意支付0.22元。而本文研究显示，每减少1 kg CO2当量排放，消费者需要额外支付2.13元，超出消费者愿意支付近10倍。换句话说，在现有产业政策和HFCV技术水平下，为了实现环境经济效益而引导消费者放弃燃油汽车选择HFCV，从消费者支付意愿角度看是不现实的。

3 结论与建议

3.1 结论

1）与燃油汽车相比，HFCV全生命周期的消费成本较高。在10年15万km情景下，HFCV消费成本比燃油汽车高约3.40万元，在享受国家补贴的情况下，HFCV的购置成本仍然高出燃油汽车的57.68%。尽管HFCV在能源成本方面具有一定优势，但是消费成本的总体差距在一定程度上阻碍了消费者选择HFCV。

2）与燃油汽车相比，天然气制氢的HFCV全生命周期具有一定的环境经济效应。1辆HFCV替代燃油汽车可减少CO2当量排放15.40 t，减少污染物排放当量29.96 kg，排放成本相应地减少1 176.73元。当HFCV（天然气路径）替代燃油汽车的比率达到汽车保有量的10%时，我国每年可以实现碳减排3 696万t，减排率达35.69%。相对而言，电解水制氢的HFCV不具有环境效应，化石燃料发电带来的碳排放和污染物排放较高。

3）全生命周期内，天然气制氢的HFCV总成本高于燃油汽车。假设未来10年内政府开始征收汽车排污费，HFCV（天然气路径）全生命周期成本比燃油汽车高3.28万元，也就是说消费者选择HFCV替代燃油汽车平均每年增加支出3 280元，或每1万km路程增加支出2 187元。现有政策、技术和成本条件下，消费者倾向于选择燃油汽车而非HFCV。当然，出于环境经济效益和收入消费水平考量，每年增加3 280元支出实现CO2减排1.54 t、污染物减排3.00 kg，消费者总体上可以接受。

3.2 建议

为了进一步促进HFCV产业的发展，实现国家应对全球气候变化的减排目标与环境保护目的，针对上述结论，提出如下对策和建议。

1）提高居民人均可支配收入和消费水平以促使更多的消费者选择HFCV。HFCV全生命周期成本高于燃油汽车32 798.99元，年均3 279.90元。2018年我国居民人均可支配收入28 228元。消费者选择HFCV的额外成本占其可支配收入的11.62%。如果能够持续增加居民人均可支配收入，其购买HFCV的意愿将逐渐增加。

2）降低煤电比例、提高天然气蒸汽重整制氢占比，有助于增加HFCV的环境效益。除了CO外，电解水路径的HFCV全生命周期内整体排放强度大于天然气路径。在推动HFCV产业发展过程中，不断提高制氢技术的减排效果，增加天然气蒸汽重整制氢技术占比或逐步降低煤炭发电比例均有助于扩大环境保护效益。

3）政府持续甚至增加购车补贴可促进HFCV产业发展和实现环境保护效果。目前，HFCV购车补贴为20万元/辆，如果追加3.28万元的环境补贴，则HFCV全生命周期的成本等于燃油汽车，出于保护环境的考虑，绝大多数消费者愿意选择HFCV。

4）企业加大技术研发投入，降低HFCV的消费成本，以促进产业快速发展。HFCV技术研发的经济效益不言而喻，如果企业因技术革新而减少消费成本超过3.28万元，政府免除额外补贴，消费者免除追加成本，HFCV企业迎来快速发展，显然这是实现经济、环境和政策效益的最终途径。