城市新能源公交车辆发展策略研究——以福州为例

方雪娇

(福州市规划设计研究院 福建福州 350108)

引 言

我国是世界第二能源消耗大国，而城市交通是我国能源消耗的大户[1]，特别是高度依赖石油消耗使其发展堪忧。同时，近年来机动车的激增也导致交通成为城市大气污染的重要来源[2]。2009年，全国燃油机动车占到99%;其中，仅占机动车保有量2.1%的大型载客汽车排放的CO、HC、NOx和PM均超过总量的16%，其中不乏公交客车的污染贡献[3]。最新国家发展规划纲要中明确提出“十二五”“节能减排”目标——“单位 GDP能耗和二氧化碳排放分别下降16%和17%，主要污染物化学需氧量、二氧化硫排放总量均下降8%，氨氮和氮氧化物均减排10%”，“节能减排”指标也将分解落实到各级政府工作中，作为政府年度责任考核指标。因此，不仅是各级地方政府而且各行业主管部门都必须严肃完成节能减排细分的指标，这也是公共交通领域的必然趋势。

近年来国内外在交通节能减排领域的研究渐多，但主要集中于从政策或车辆研发或尾气排放指标估算来阐述公交车的发展情况[4-8]，少量文献尝试比较天然气及柴油等车型的成本以评价其经济性[9]。而分析认为政府将会要求公交企业以“十二五”节能减排指标为控制条件来开展工作，故本文就如何制定城市公交系统新能源发展模式构筑体系及流程，并通过建模得到包括外部成本在内的社会成本最小化时的福州市公交运力发展计划，定性定量地剖析政策建议。

1 福州公交新能源发展模式

首先，本文制定了城市公交系统新能源发展模式的体系流程:通过总结国内外公共交通节能减排的方法，根据各个城市发展的实际情况分阶段选用公交车用能源类型，搜集基础数据建立模型，预测单位GDP能耗与二氧化碳排放、二氧化硫和氮氧化物排放指标降幅情况，以“五年计划”为一个周期，以节能减排指标及配套设施为限制条件，以最优化包括直接投入和外部成本在内的全周期社会总成本为目标，建立最优化模型，最终为企业规划“五年计划”期间公交运力发展，为政府分担能耗节约及二氧化碳、污染物减排任务。具体制定体系流程见(图1)。

图1 城市公交系统新能源发展模式制定的体系流程图

1.1 公交车辆新能源应用分类及前景

城市公共交通按照运输工具可分为以地铁、轻轨、现代有轨电车等为主的快速轨道交通和地面常规公交两大系统，大力发展轨道交通本身就是在推进节能减排，本文则是研究针对地面常规公交系统的节能减排。地面常规公交节能减排关键技术和相关策略很多，可按车辆动力、车辆结构和软手段提出“推广节能与新能源车辆”、“提升车辆节能减排系统”和“管理政策手段”三个层面的策略。其中公交车辆的节能与新能源技术非常具有发展潜力，且车用能源的选择最大程度上影响着城市公交发展模式的确定，包括公交车辆配置、场站规划等。

现阶段，可将公交车辆按照燃料状态和能量转化形式，分为燃气类、液体燃料类和电动类。燃气类公交车主要包括 LPG(液化石油气)、CNG(压缩天然气)、LNG(液化天然气)和DME(二甲醚)公交车辆;液体燃料类公交车主要包括汽油、柴油、其他代用燃料(生物柴油、醇类(甲醇、乙醇))公交车辆;电动类公交车主要包括混合动力 HEV、纯电动(蓄电池SBEV、超级电容SCEV、电池电容 BCEV)、燃料电池、无轨电车等公交车辆。除了汽柴油车，其他能源车可统称为节能与新能源公交客车，均值得推广。

综合分析对比各种节能与新能源技术的在国内公交车上应用的优势、难点、推广可能性及实际情况，预测近期(2010～2020年)、中期(2020～2050年)、远期(2050年后)各技术的应用前景:

1)近期可以重点推广技术最成熟、先进的LNG/CNG公交车，但需要政府在配套方面的资金支持，中期将占有较大市场份额，远期则因天然气的衰竭而减少。

2)LPG公交车技术虽成熟，但相比天然气，排放和成本存在劣势，近中期只做部分补充，远期份额也渐少。

3)DME公交车的燃料由于适合中国资源优势，目前已经形成一支涵盖整个产业链的技术团队，一旦攻克关键技术、燃料价格等难点，近中期可适度发展，远期利用生物质制造燃料，则有更好的发展空间。

4)醇类燃料、生物柴油公交车在燃料来源丰富的地方市场竞争力强，近期只能作为添加剂但实现容易，是目前条件具备的部分城市的最佳选择。中后期因其再生性，只要降低成本，则将有较大发展。

5)由于电动类公交车具有电能来源非常丰富、能源效率高、运行零污染且噪声小等主要优点，使其在政策上能得到政府更大的支持。

①混合动力公交车因其现阶段具备的明显优势，近期的发展前景非常好，将进入快速产业化阶段，但它只能减少而无法摆脱对石油的依赖，在中期和远期则日渐减少。

②蓄电池和超级电容公交车各具优缺点，前者因电池能量密度小，在价格上竞争力稍显不足;后者主要为考虑改造无轨电车的城市交通提供一种解决方案。而电池-电容公交车综合上述两种车辆的优点，只要配套设备完善，近期可作为示范运行，相信中远期将占据市场较大部分。

③氢燃料电池公交车近期应在更多城市推广示范运营，中期凭借国内在该领域的突破开始较大规模生产并制定相关市场机制，在远期成为公交车行业的主力军。

总之，天然气、混合动力及 LPG等属于过渡燃料，近期将大大增加，远期则慢慢退出历史舞台;DME、醇类、生物柴油争取中远期作为辅助燃料;电能的上升势头最猛，中远期纯电动车属于主力车型，燃料电池则是未来重点发展的方案。不断升级和持续增长的城市公交客车应顺应这一发展趋势。

1.2 福州新能源公交车发展阶段性策略

根据福州配套设施的建设规划，建议近、中、远期福州市公共交通选取车用能源方案如下:

1)近期，发展天然气公交车为主，辅以混合动力、纯电动公交车，试运行燃料电池车，补充高节能低排放柴油车，并尽量加装液压储能系统。

①借助于福州正在建设的天然气加气站点规划，福州应大力发展天然气公交车，一方面新增CNG和LNG公交车，另一方面对未达到欧IV排放标准的公交车进行CNG、LNG改装;

②顺应国家发展方向，尽快申请加入“节能与新能源汽车试点示范城市”，加快发展混合动力公交车，并协调发展充电设施，为后期电动车的发展和设施的建设做铺垫;

③选取2～5条公交线路开展电池电容公交车推广示范工程，争取开通1条燃料电池公交车示范运营线;

④受限于前期基础设施的建设进程，仍需要新增满足欧IV、欧V排放标准的新型高效柴油公交车;

⑤应尽量对新增的柴油和天然气公交车安装液压式能量回收系统，无需增加配套便可进一步节能减排(以下对加装液压储能系统的公交车简称为HHV)。

2)中期，大规模引进混合动力，稳步发展天然气公交车，正式引进运行蓄电池和电池电容等纯电动公交车，大规模配套建设充电站，扩大氢和物理燃料电池公交车的车队和加氢站的建设，补充部分欧VI、欧VII及更高排放标准的新型高效柴油车，并全部加装液压储能系统和污染控制设备。

3)远期，随着氢气成本的下降和加氢站网络的完善，以发展燃料电池公交车为主，辅以纯电动公交车，补充部分LNG-电能混合动力公交车。

2 新能源公交车辆发展计划预测模型

以福州市为例，遵循城市公交发展模式研究的流程，根据福州闽运公司、福州公交集团等提供的数据，以及参考上海、北京、长沙等各地的文献资料，以“十二五”节能减排指标为控制条件，通过建模得到社会成本(直接投入成本(Input Cost，IC)与外部成本(External Cost，EC)之和)最小化时的运力发展计划。

2.1 模型构建

目标函数包括4类，1)“十二五”期间所有公交车辆的全周期社会成本(Life Cycle Social Cost，简称LCSC);2)仅计算五年内的社会成本(Twelfth Five-Year Social Cost，简称TFYSC);3)混合动力公交车无购置补贴下LCSC;4)电池电容公交车无购置补贴下LCSC。假设预测年期间各类型公交车产生的GDP一样。模型条件集及指标解释见(表1)。

表1 模型条件集及指标解释

2.2 模型测算

2.2.1 成本指标估算

按照福州市城区公交车平均日行里程230km，全年运行330天计算，得到福州市各类公交车日均耗油、气或电数据、日均CO2排放量及年均污染物排放量，见(表 2、表 3)。

根据《关于开展节能与新能源汽车示范推广试点工作的通知》中十米以上城市公交客车示范推广补助标准，公交企业将得到中央财政给予购置的资金补助，如下表所示。以公交车生命周期8年计算，得到各类公交车的全生命周期内直接投入的经济成本(包括车辆购置、能源消耗、维修更换、配套设施、报废回收)如(表4)所示。

从(表4)可以看到，LNG公交车在全周期中比柴油车节省成本最多超过百万，紧接着是蓄电池、电池电容和超级电容公交车，CNG公交车节省将近75万元，加装了液压储能器的柴油公交车也能节省45万元，混合动力公交车成本节约最少但也达20万元。如果采购新型公交车没有政府的补贴，那么混合动力公交车全周期将比柴油车亏损15.88万元。

同时根据市场报价，改装成1辆CNG公交车约需0.8～1.0万元;若采用国产件改装LNG车，中型车成本约1.5万元，重型车约2.2万元;公交车装用液压混合动力装置报价为7万元。可以推算出若改装1辆CNG公交车，仅需一个月就可以回收改装成本;若改装1辆LNG公交车，也只需一个半月就可回收成本;而加装一套液压储能器，在一年又一个月后便将成本回收。可见公交车“油改气”的效益非常好，安装液压能量回收系统的效益亦不错。纯电动公交车的年均运营成本比柴油车减少了近20万元，效益非常可观。由于混合动力系统比较复杂，维修成本较高，因此年均节省费用最少，需要继续深入研究攻克混合动力技术。

目前交通运输外部成本主要包括大气污染、全球变暖、噪声、拥堵、事故成本等。对于不同能源的公交车，前两者相差最大，因此本文主要计算大气污染成本和温室效应成本之和。目前国际上对机动车尾气排放造成的大气污染经济损失进行了大量研究，但由于评估方法和研究区域的不同，评估结果往往差异较大[10]。本研究利用国外相似的研究成果计算不同公交车的具体污染物单位污染成本，如(表5)所示。二氧化碳减排量每吨价格按照我国已签署的CDM合同中约80元人民币计算，得到车均外部成本见(表6)。

2.2.2 配套设施的制约

以全生命周期总社会成本最小化为目标，得到2011年～2015年间福州市的公交运力发展方案，知LNG、BCEV、CNG、HHV、HEV、Diesel Vehicle的边际效用依次降低，即如果不考虑配套设施的制约，LNG在年均增长542辆而其他车种车辆基本为0时，LCSC最小。

但是，根据《福建省天然气汽车加气发展规划》，到2015年福州市区的天然气加气站发展规模为满足约692辆 CNG公交车、1618辆 LNG公交车每天的加气需求，即 CNG、LNG年均约 138、277辆的发展速度。同时，一个具备10个充电设备的大型充电站的建设周期为2～3个月，前期规划征地招投标需要2～3个月，建成可同时服务14～20辆公交车，保证白天运行、夜间充电，因此若建立一个20辆左右电池电容车队，需要充电设备10个，全周期需4～6个月，如此一年发展3个车队的速度比较合理，即年均引进60辆电池电容公交车。可见，加气站和充电站配套设施的建设规模直接制约天然气和电动公交车的发展。

若依次考虑加气站或充电站配套设施限制车辆发展，LNG、BCEV、CNG的增长与 LCSC的曲线图如(图2)所示，可见三者的上下限分别为(542，277)辆，(266，60)辆和(285，138)辆，且每增加一辆车三者对应的LCSC变化量分别为-133.78、-218.30/-69.10、-149.56万元。

在上述配套设施限制下，若加装液压储能器的欧IV或欧V公交车以年均增加100辆的速度发展，则HEV每年新增车辆可达到106辆。最终得到模型的结果如(表7)所示，即福州市2011年 ～2015年公交运力发展计划。

表2 燃料日均消耗及CO2排放量对比

表3 年均污染物排放量对比 /kg

表4 8年综合成本对比 /万元

表5 研究所采用的大气污染单位成本 /$/t

表6 年均外部成本对比 /万元

表7 “十二五”福州市区公交运力发展计划 /辆

图2 配套设施限制车辆发展与LCSC的关系

控制2015年总车数保持在4000辆，对最终方案计算配套设施产生的影响。一般一个加气子站的供气规模为1.2～1.5或1.5～2.0万 Nm3/日，可供约166～277辆CNG公交车或74～124辆 LNG公交车日加气一次。由于CNG、LNG公交车加1次气分别可行驶1天和2天，因此若在2011年增加一个LNG加气子站，可再投入148～248辆LNG车，LCSC将最小减少4.16亿元;若增加一个CNG加气子站，则可再投入166～277辆CNG车，LCSC将最小减少3.48亿元。若增加一个大型充电站，可再投入20辆BCEV，LCSC将减少3.31亿元。

2.2.3 补贴与否

以HEV和BCEV无补贴作为目标函数求最小，计算得到若无国家补贴支持，单从企业的角度纵使考虑外部成本，每年可选用HEV和BCEV的车辆数都将从106辆、265辆分别降至6辆、0辆。有无补贴的全周期社会成本及外部成本对比如(表8)所示，可见外部成本有不同程度的降低，公交企业和地方政府投入的成本也大大减少。

因此，当公交企业将获得巨大资金的补助，使用节能与新能源车辆的积极性势必得到极大的提高，不仅有利于减轻地方政府的财政负担，促进公交事业和高新科技的发展，同时更能得到社会和企业对节能减排工作开展的支持。建议，福州市政府应抓住国家“深入开展节能与新能源汽车试点示范”的契机，积极结合福州实际情况研究制定公共交通节能减排相关规划，争取获得30个节能与新能源汽车示范城市中的1个名额。

2.2.4 短期与长期效益比较

如果仅考虑“十二五”期间的总社会成本最小化(目标函数3)，边际效用从大到小依次为LNG、CNG、HHV、BCEV、HEV。在 LNG和 CNG每年发展 277、138辆的限制下，最优方案为BCEV以每年12辆的速度发展，远低于配套可提供的60辆的规模。同时比较2个公交运力发展方案，发现除了“十二五”期间的总社会成本和总投入成本较小外，全生命周期内的总社会成本、两时期的外部成本都较大，如(表9)所示。充分说明，若仅考虑短期效益最大化，则长期利益势必受损。

因此，虽然创新的技术会带来长远的效益，但是近期却无法看到。长期与短期目标的协调，关乎企业和政府职能与管理责任的价值观判断，企业一般不可能放弃短期目标，此时更要政府立足长远发展给予新能源车辆适当的政策倾斜。

2.3 成本效益评价

按照福州公交运力发展计划，预测2011年 ～2015年车均投入成本和外部成本，两者均呈下降趋势，投入的成本能够带来的环境效益逐年增加(图3)。

图3 福州“十二五”期间车均投入成本和外部成本

表8 有无补贴情况下LCSC和LCEC比较 /万元

表9 五年期或全周期利益最大化下各类成本比较 /万元

3 保障机制

城市新能源公交车辆的发展需要政府各部门在规划、用地、财税及产业等方面给予保障，具体包括:结合公共交通首末站的布局来协调加气站、充电站的选址规划，并落实输气管网、充电网络和场站等配套设施的用地建设;建立节能减排专项基金，专款专用，保障新型能源产业的科研开发、推广应用和配套建设，给予加气、充电站等适当的税收优惠;地方政府需积极支持、引导发展车辆制造行业，促进天然气和电动公交车、“油改气”、高效车辆构件和能源回收系统产业规模化和规范化;构建智能调度和公交优先系统，实现信息资源一体化服务;做好公交车辆的报废、检测和维修等的监督工作;公交企业对员工下达节约燃油和减少排放的考核指标，提出适当的奖惩方案。

4 结语

公共交通是政府“节能减排”的主抓领域，各地各城市选择适宜发展的公交模式及运力计划至关重要。本研究旨在表明只要遵循“油→气→生物类→电”的能源发展规律分阶段、有计划地推动公交车辆能源结构优化，不但可以降低公交系统的直接投入成本，而且能确保甚至加快实现政府节能减排的目标。通过模型定量论证得到加大配套设施的建设、适当补贴政策将提高新能源车辆的边际效益，有利于新能源车辆的推广，最终减少企业和社会成本;并认为短期利益最大化必定损害长期效益，政府着眼于长远发展应给予公交企业、新能源产业短期内一定的扶持。同时以福州市为实例，建议市政府应争取获得“节能与新能源汽车示范城市”名额，保障配套设施和补贴政策、推广应用新能源车辆等，力保“十二五”节能减排目标的实现，对其他城市的新能源公交发展有借鉴作用。

[1]陈莎，杨少辉.城市公共交通系统节能降耗对策研究[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]中华人民共和国环境保护部.中国机动车污染防治年报(2010年度)[R].北京，2010.

[4]李锦，王爱兵.城市公交节能减排对策[J].城市车辆，2009，(4):23-25.

[5]陈俐，张勇.国内外新能源公交客车发展状况综述[J].城市公用事业，2008，22(3):15-18.

[6]韩廷杰翻译.日本的交通运输节能减排情况简介[J].节能，2010，(2):4-11.

[7]周齐.未来公交车用能源初探[J].城市公共交通，2007，(9):27-31.

[8]蔡皓，谢绍东.中国不同排放标准机动车排放因子的确定[J].北京大学学报(自然科学版)，2010，46(3):319-326.

[9]蔡夏英.新能源客车在上海公交的示范应用[J].城市公用事业，2008，22(3):18-22.

[10]王寿兵，等.上海市柴油和CNG公交车生命周期成本比较[J].复旦学报(自然科学版)，2007，46(1):123-128.