基于全生命周期成本理論的六種能源類型城市公交的經(jīng)濟(jì)性對比分析

羅青東，樓京京，萬昔源，張旅陽

(義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電信息學(xué)院，浙江 義烏 322000)

0 引言

自2009年國家開展“十城千輛”新能源汽車示范工程推廣開始，至2012年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》以及最新發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，在國家及地方層面積極產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策的大力推廣和驅(qū)動下，我國產(chǎn)銷量不斷攀升，新能源汽車產(chǎn)業(yè)在短短十余年時間就從最初“培育期”進(jìn)入了“快速發(fā)展期”。截至2020年底，單單交通運(yùn)輸行業(yè)推廣應(yīng)用的新能源汽車就達(dá)到了160萬輛。新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，一方面有效地緩解了日趨嚴(yán)重的環(huán)境與能源壓力，另一方面又使汽車產(chǎn)業(yè)這一重要的國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)迎來了嶄新的發(fā)展機(jī)遇。

在交通運(yùn)輸行業(yè)中，公共服務(wù)領(lǐng)域的城市公交車一直是節(jié)能與新能源汽車推廣的“排頭兵”和“先行者”。城市公交從最初的單一的傳統(tǒng)燃油公交，發(fā)展出CNG天然氣、LNG天然氣、油電混動、氣電混動、純電動、氫能源等多種節(jié)能與新能源產(chǎn)品類型。本文以燃油、CNG天然氣、LNG天然氣、氣電混動、純電動、氫能源六種類型的國產(chǎn)12米城市公交為研究對象，采集相關(guān)的實(shí)際運(yùn)營數(shù)據(jù)，建立了城市公交全生命周期成本計(jì)量模型，對初始購置成本、使用成本、維修保養(yǎng)成本、報(bào)廢收益和生命周期總成本進(jìn)行了差異分析，從經(jīng)濟(jì)性角度分析了公共服務(wù)領(lǐng)域積極響應(yīng)推行城市公交電動化發(fā)展的原因。

1 理論模型建立

1.1 數(shù)據(jù)采集

為了保證城市公交的全生命周期成本模型數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性以及可比性，本文采用實(shí)地調(diào)研的方式，采集了某省會城市不同能源類型公交車的相關(guān)行駛及營運(yùn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)樣本來源于某國產(chǎn)客車制造引領(lǐng)企業(yè)，選取了該品牌同為12米車型的燃油、CNG天然氣、LNG天然氣、氣電混動、純電動、氫能源六種類型新能源城市公交的實(shí)際運(yùn)營數(shù)據(jù)。通過對采集的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)據(jù)解析，獲得六類能源城市公交實(shí)際運(yùn)營的百公里燃料成本、保養(yǎng)成本、維修成本等成本分析數(shù)據(jù)。

1.2 全生命周期成本理論模型

全生命周期成本理論(Life Cycle cost，簡稱LCC)中用于全生命周期成本分析的工程估算法數(shù)學(xué)模型為：

汽車全生命周期成本分析是評價汽車生命周期整體經(jīng)濟(jì)性的手段。通過對所要研究的六種能源類型城市公交全生命周期各階段的特點(diǎn)分析，忽略部分不確定性成本因素，本文建立的全生命周期成本計(jì)量模型可用式(2)表示，模型由初始購置成本CI、運(yùn)營使用成本CO、運(yùn)營保養(yǎng)成本CM、運(yùn)營維修成本CF、報(bào)廢回收收益CD五大模塊組成。

LCC=CI+CO+CM+CF-CD

(2)

2 全生命周期成本計(jì)算及差異分析

考慮到對汽車的全生命周期成本進(jìn)行完整的綜合評價具有高復(fù)雜性，數(shù)據(jù)繁多且部分?jǐn)?shù)據(jù)不易收集，且不同類型車輛成本評估變量的不同會導(dǎo)致不易進(jìn)行對比分析，本文基于所構(gòu)建的全生命周期成本模型為計(jì)量模型，對燃油、CNG天然氣、LNG天然氣、氣電混動、純電動、氫能源六種類型城市公交車的全生命周期進(jìn)行了成本計(jì)算，通過其全生命周期的成本差異比較分析完成對不同能源類型城市公交的經(jīng)濟(jì)性評價。

2.1 初始購置成本CI

初始購置成本CI值計(jì)算公式如(3)所示。對于燃油及燃?xì)獬鞘泄?，初始購置成本CI主要由城市公交購買成本CI1和車輛購置稅CI2兩部分組成。對于新能源城市公交，依據(jù)《關(guān)于免征新能源汽車車輛購置稅的公告》相應(yīng)免征購置稅，同時需另外減去政府購置補(bǔ)貼CI3。

CI=CI1+CI2-CI3

(3)

式中：CI1為城市公交的購買成本；CI2為車輛購置稅；CI3為新能源城市公交的政府購置補(bǔ)貼。

(1)車輛購置稅

燃油及燃?xì)獬鞘泄卉囕v購置稅CI2依據(jù)《中華人民共和國車輛購置稅暫行條例》，所需繳納的購置稅為城市公交購買價格的10%。

(2)新能源城市公交車的政府購置補(bǔ)貼

依據(jù)《關(guān)于進(jìn)一步完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》，氣電混動、純電動兩種城市公交享受政府購置補(bǔ)貼CI3，補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)2021年新能源汽車推廣補(bǔ)貼方案，如表1所示。另外，燃料電池城市客車享受城市群示范應(yīng)用獎勵，單車購置不享受政府購置補(bǔ)貼。

表1 2021年新能源客車補(bǔ)貼方案(公共領(lǐng)域)

根據(jù)以上相關(guān)政策及成本分析，六種能源類型城市公交的初始購置成本如圖1所示，六種能源類型城市公交的初始購置總成本對比如表2所示。

圖1 六種能源類型城市公交的初始購置成本對比

表2 六種能源類型城市公交的初始購置成本 單位：萬元

2.2 運(yùn)營使用成本CO

運(yùn)營使用成本CO主要由城市公交運(yùn)行燃料成本CO1構(gòu)成，對于節(jié)能與新能源公交車需另外減去政府運(yùn)營補(bǔ)助CO2。

(1)燃料成本CO1

本文采用城市公交全生命周期的行駛里程、平均百公里能耗量以及燃料價格來計(jì)算燃料成本CO1，如式(3)所示：

CO1=M×S×P

(3)

式中：M為城市公交的平均百公里能耗量(L/100km)；S為城市公交全生命周期的行駛里程(萬km)；P為單位燃料價格(元/L)。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果及數(shù)據(jù)分析，此省會城市公交年均行駛里程55 000公里，公交使用年限8年，生命周期總行駛里程為44萬公里；研究假設(shè)生命周期內(nèi)燃料的市場價格以及六種車型的百公里能源消耗量維持不變，并依據(jù)中國物價年鑒，用最小二乘法擬合得到燃料價格。

(2)政府運(yùn)營補(bǔ)助CO2

依據(jù)《三部門關(guān)于完善城市公交車成品油價格補(bǔ)助政策加快新能源汽車推廣應(yīng)用的通知》，氣電混動、純電動、燃料電池三種城市公交享受政府購置補(bǔ)貼CO2，補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 節(jié)能與新能源公交車運(yùn)營補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn) 單位：萬元/輛/年

根據(jù)以上分析得出六種能源類型城市公交的運(yùn)營使用成本清單如表4所示，六種能源類型城市公交的生命周期燃料總成本對比如圖2所示。扣除節(jié)能與新能源公交車運(yùn)營補(bǔ)助后，六種能源類型城市公交的生命周期運(yùn)營使用成本對比如圖3所示。

表4 運(yùn)營使用成本

圖2 燃料總成本對比

圖3 運(yùn)營使用成本對比

2.3 運(yùn)營保養(yǎng)及維修成本CM+CF

本文依據(jù)各類公交在五年內(nèi)汽車全生命周期中的運(yùn)營保養(yǎng)、一級維修、二級維修和大修發(fā)生費(fèi)用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，主要考慮材料費(fèi)用，不計(jì)入基礎(chǔ)設(shè)施投資成本和人工成本，計(jì)算出每年的平均費(fèi)用估算其運(yùn)營保養(yǎng)及維修成本CM+CF。

(4)

式中：CMi和CFi分別為每一年的保養(yǎng)及維修成本(i=1,2,…,5)。

根據(jù)調(diào)研，此省會城市公交中，燃油城市公交每年平均的保養(yǎng)及維修費(fèi)用為11 232元；CNG和LNG燃?xì)獬鞘泄幻磕昶骄谋ｐB(yǎng)及維修費(fèi)用為10 275元；氣電混動城市公交保有量較少，每年平均的保養(yǎng)及維修費(fèi)用為12 075元；純電動公交電機(jī)、電池和電驅(qū)系統(tǒng)供應(yīng)商保修都在八年及以上，同時取消了傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)、變速箱和離合器等總成部件，維修量大幅下降，每年平均的保養(yǎng)及維修費(fèi)用為6 637元，氫燃料城市公交還處于示范運(yùn)營階段，按純電動基礎(chǔ)上增加20%保養(yǎng)及維修費(fèi)用，估算出每年平均的保養(yǎng)及維修費(fèi)用為7 964元。六種能源類型城市公交的生命周期運(yùn)營保養(yǎng)及維修成本對比如圖4所示。

圖4 運(yùn)營保養(yǎng)及維修成本對比

2.4 報(bào)廢回收收益CD

根據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，汽車報(bào)廢回收時一般按照汽車購置費(fèi)用的4%給予車主補(bǔ)償，燃油城市公交報(bào)廢回收收益為1.8萬元，CNG和LNG城市公交報(bào)廢回收收益為2萬元。節(jié)能和新能源城市公交報(bào)廢收益由電池回收收益和整車回收收益(扣除電池)兩部分組成。

目前純電動城市公交的磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命可達(dá)到 3 000 次以上，按8年時報(bào)廢電池能量衰減至原值的70-80%計(jì)算，梯次利用電池回購價格約為新電池的 30%，12米公交使用300 KWh的電池梯次利用回收價格約為10.8萬元，氣電混動和氫燃料使用50 KWh的電池梯次利用回收價格約為1.8萬元。純電動、氣電混動和氫燃料相應(yīng)整車回收收益(扣除電池)分別為2.6萬元、1.8萬元和10.2萬元。六種能源類型城市公交的報(bào)廢回收收益對比如圖5所示。

圖5 報(bào)廢回收收益對比

2.5 全生命周期成本LCC

根據(jù)以上研究，按全生命周期公式計(jì)算，得出六種能源類型城市公交的全生命周期成本LCC匯總?cè)绫?所示。

表5 全生命周期成本匯總 單位：萬元

3 結(jié)論與分析

六種能源類型城市公交的全生命周期成本LCC對比如圖6所示。綜合本文對六種能源類型城市公交全生命周期成本的差異分析可以得出結(jié)論：

圖6 全生命周期成本對比

(1)純電動城市公交的全生命周期成本最低，具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。從全生命周期成本的具體模塊角度分析，除初始購置成本CI模塊，其他生命周期模塊中純電動城市公交成本都是最低的。特別是運(yùn)營使用成本CO模塊，隨著純電動整車三電系統(tǒng)相關(guān)核心技術(shù)的發(fā)展，目前政府執(zhí)行的節(jié)能與新能源公交車運(yùn)營補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)CO2的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)超過了城市公交充電消耗，8年產(chǎn)生22.4萬元的結(jié)余。

(2)作為示范運(yùn)行的氫燃料城市公交在購置成本和運(yùn)營使用成本上遠(yuǎn)高于其他五種能源車型，制造成本和燃料成本高昂。

本文基于全生命周期成本理論，采集六種能源類型城市公交實(shí)際運(yùn)營數(shù)據(jù)，建立了全生命周期成本計(jì)量模型進(jìn)行全生命周期成本計(jì)算，通過對全生命周期的成本差異分析完成對不同能源類型城市公交的經(jīng)濟(jì)性評價。得出如下結(jié)論和展望：

(1)研究結(jié)果表明純電動城市公交的全生命周期成本最低，具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，符合國家節(jié)能減排藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的需求，是目前最為理想的公交類型。

(2)公共服務(wù)領(lǐng)域推行城市公交電動化具有較大發(fā)展優(yōu)勢，但是純電動城市公交也存在局限性有待提升，具體表現(xiàn)為：受充電時長及充電設(shè)施配套滯后的制約，建成的充電樁處于滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，大批待投入市場的純電公交只能暫停交付；受電池續(xù)航里程的制約，目前純電動城市公交150 kWh的電池實(shí)際運(yùn)營的續(xù)航里程大約為150公里，夏天開啟空調(diào)狀態(tài)下，續(xù)航里程縮減至100公里左右，不能滿足主干線高負(fù)荷大運(yùn)量的使用需求；受電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)效能的制約，純電動公交車的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在零下溫度加熱效果不大，在夏季高溫環(huán)境冷卻效果不大，有待提升。

(3)雖然目前示范運(yùn)行的氫燃料城市公交不具備成本優(yōu)勢，但從中長期來看，隨著氫燃料系統(tǒng)相關(guān)核心技術(shù)的不斷突破，制氫、儲氫和運(yùn)氫技術(shù)的成熟，氫燃料城市公交的燃料成本將實(shí)現(xiàn)大幅下降，氫燃料城市公交生命周期成本有望降至和純電動城市公交相當(dāng)?shù)某杀尽ｎA(yù)計(jì)到2050年，氫燃料電池汽車保有量可達(dá)3 000萬輛，成為我國新能源體系的重要組成部分。