摘 要： 相比傳統(tǒng)的燃油公交車，新能源公交車在減少碳排放、降低環(huán)境污染等領(lǐng)域具備顯著優(yōu)勢(shì)。因此，為助力雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，以新能源公交車為代表的城市綠色出行方式被政府大力倡導(dǎo)。目前，占據(jù)有關(guān)市場(chǎng)份額較多的新能源公交車類型主要有純電動(dòng)公交車和氫燃料電池公交車兩種。本文建立成本效益分析模型，以兩種新能源公交車型取代燃油公交車，在異質(zhì)性線路下對(duì)兩條脫碳途徑的經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行對(duì)比，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算其加入補(bǔ)貼后對(duì)經(jīng)濟(jì)成本的影響。研究結(jié)果顯示，在市區(qū)內(nèi)線路、市區(qū)間線路和市郊線路中，超過一半的情景下純電動(dòng)公交車或氫燃料電池公交車的用車成本低于燃油公交車，說明新能源公交車的發(fā)展?jié)摿^大，有望取代燃油公交車參與運(yùn)營(yíng)；而在微循環(huán)線路和機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線路中，僅在少部分情景下純電動(dòng)公交車的用車成本低于燃油公交車，這主要是由運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)和平均行駛速度低所致。氫燃料電池公交車的成本優(yōu)勢(shì)并不明顯，但通過實(shí)施氫價(jià)補(bǔ)貼和氫燃料電池公交車單車補(bǔ)貼可使其在市區(qū)內(nèi)線路、市區(qū)間線路、機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線上占據(jù)成本優(yōu)勢(shì)，而在微循環(huán)線上很難以此類方式實(shí)現(xiàn)氫燃料電池公交車的成本占優(yōu)。

關(guān)鍵詞： 氫燃料電池公交車；純電動(dòng)公交車；線路異質(zhì)性；經(jīng)濟(jì)成本

中圖分類號(hào)：F426.2" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " "DOI：10.13677/j.cnki.cn65-1285/c.2025.02.07

*基金項(xiàng)目：本文系國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“中國(guó)動(dòng)力電池關(guān)鍵金屬可持續(xù)供給路徑與保障機(jī)制研究”（42271305）、新疆自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目“碳中和技術(shù)投資決策優(yōu)化方法及其應(yīng)用研究”（2022D01E56）的階段性研究成果。

收稿日期：2024-05-21

作者簡(jiǎn)介：王歌，博士，華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院碳中和教研室主任、副教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向：電-氫-交通耦合系統(tǒng)、碳中和能源經(jīng)濟(jì)與政策、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與博弈理論；趙云瑞，華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院本科生，研究方向：電-氫耦合系統(tǒng)；羅藝，華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院本科生，研究方向：碳中和能源經(jīng)濟(jì)與政策；方楨，華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院本科生，研究方向：氫能汽車技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

一、引言

近年來，氫能作為實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，受到越來越多國(guó)家的關(guān)注與重視。在“雙碳”背景下，交通行業(yè)將成為氫能的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一1，且從中央到地方已出臺(tái)了一系列氫能發(fā)展政策。2020年五部委發(fā)布的《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》2明確提出將在4年示范期內(nèi)通過“雙積分”“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”的方式鼓勵(lì)氫燃料電池公交車發(fā)展；2022年發(fā)布的《北京市氫燃料電池公交車車用加氫站發(fā)展規(guī)劃（2021—2025年）》3明確提出了2025年達(dá)成10 000輛氫燃料電池公交車、74座加氫站的發(fā)展目標(biāo)。

作為中國(guó)特大型城市，北京市推動(dòng)其公共交通系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型具有重要意義。近年來，北京市公共交通能源消費(fèi)的轉(zhuǎn)型進(jìn)程逐步加快，截至2021年底，全市已有公共電動(dòng)公交車共計(jì)23 079輛，其中清潔能源和新能源公交車占比達(dá)91.06%，運(yùn)營(yíng)常規(guī)公交線路1 217條、多樣化線路515條次1；另一方面，公交車作為大眾普遍選擇的日常公共交通工具，在碳減排中起到重要作用。受制造技術(shù)落后、購(gòu)置成本昂貴、燃料價(jià)格較高、政策補(bǔ)貼不足等因素限制，氫燃料電池公交車尚未普及；同時(shí)，燃油公交車在碳減排方面表現(xiàn)欠佳。在此背景下，本文以燃油公交車、純電動(dòng)公交車以及氫燃料電池公交車為研究對(duì)象，基于公交車線路的異質(zhì)性，構(gòu)建考慮運(yùn)營(yíng)成本、車輛購(gòu)置成本、線路里程、運(yùn)營(yíng)速度、發(fā)車時(shí)間等的總體運(yùn)營(yíng)成本算法模型并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。本文進(jìn)一步利用敏感性分析法判斷單價(jià)、續(xù)航里程、充電加注用時(shí)、日運(yùn)營(yíng)時(shí)間等因素是否會(huì)影響總運(yùn)營(yíng)成本以及影響程度。

氫能和鋰電是實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的兩種重要能源，如何比較兩種能源利用的經(jīng)濟(jì)性并做出優(yōu)選是加快推進(jìn)交通行業(yè)減碳亟待解決的問題（梅雙，2022年）2。因此，本文評(píng)估了在不同行駛線路下純電動(dòng)公交車和氫燃料電池公交車的經(jīng)濟(jì)性，并分析了氫氣補(bǔ)貼和車輛補(bǔ)貼兩種補(bǔ)貼政策對(duì)兩種公交車經(jīng)濟(jì)性的影響，據(jù)此針對(duì)兩種公交車的推廣提出建議，為助力綠色公交出行方式的完善與推廣提供決策依據(jù)。

二、文獻(xiàn)綜述

脫碳一直是各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)問題，對(duì)于公交車脫碳以及氫燃料電池公交車與純電動(dòng)公交車的行業(yè)發(fā)展，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了研究探討。曾慶華等（2023）3關(guān)注北京市居民乘公交出行情況，在公交車線路“異質(zhì)性”的基礎(chǔ)上進(jìn)行城市多級(jí)公交線路優(yōu)化設(shè)計(jì)，為降污減排提供科學(xué)依據(jù)；舒晗等（2017）4通過構(gòu)建節(jié)約成本模型，利用敏感性分析設(shè)計(jì)純電動(dòng)公交車替代方案并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析；張磊等（2022）5對(duì)氫燃料電池公交車在交通領(lǐng)域的運(yùn)營(yíng)成本進(jìn)行分析，對(duì)氫能交通各方面的成本進(jìn)行預(yù)測(cè)；趙中浩等（2023）6挖掘常規(guī)公交運(yùn)營(yíng)的弊端，探索大城市綠色新型公交系統(tǒng)發(fā)展新模式；Lee等（2019）7提出氫燃料電池電動(dòng)汽車技術(shù)正在成為學(xué)?；蚬话褪侩姎饣挠星巴镜倪x擇；Mahmoud等（2016）8表示“里程焦慮”一詞一直被認(rèn)為是對(duì)電動(dòng)公交車運(yùn)行特性的限制；Pedro等（2022）9就成本、能源消耗和溫室氣體排放而言哪種公交技術(shù)和能源結(jié)構(gòu)更有效這一議題提出了思考；Kim等（2021）10認(rèn)為降低燃料成本將是降低氫燃料電池公交車總擁有成本的一個(gè)重要方面；Chang等（2019）1對(duì)氫燃料電池公交車的普及趨勢(shì)表示肯定，認(rèn)為其可以有效降低交通能耗，緩解城市污染。

這些研究對(duì)燃油公交車、純電動(dòng)公交車和氫燃料電池公交車三者的發(fā)展現(xiàn)狀、運(yùn)營(yíng)成本、在交通中的應(yīng)用情況、公交體系的完善與轉(zhuǎn)型、脫碳的必要性以及純電動(dòng)公交車和氫燃料電池公交車在公交領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了闡述（相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)如表1所示）。

基于以上文獻(xiàn)我們發(fā)現(xiàn)：第一，由于不同類型公交線路的經(jīng)濟(jì)性存在差異，學(xué)界已經(jīng)普遍認(rèn)為需要基于線路異質(zhì)性對(duì)公交車展開分析；第二，在綠色交通體系構(gòu)建和交通系統(tǒng)“脫碳”的過程中，公交車使用電、氫替代燃油有一定的市場(chǎng)前景。

目前，關(guān)于優(yōu)化公交線路的研究較為豐富，針對(duì)純電動(dòng)公交車、氫燃料電池公交車替代燃油公交車的經(jīng)濟(jì)性的研究也較多；但同時(shí)考慮公交線路異質(zhì)性和不同“脫碳”路徑經(jīng)濟(jì)性的文獻(xiàn)相對(duì)較少，涉及公共交通應(yīng)用場(chǎng)景中新能源公交車型對(duì)燃油公交車的替代效益以及氫燃料電池公交車與純電動(dòng)公交車在異質(zhì)性線路的不同優(yōu)勢(shì)這兩方面的相應(yīng)研究數(shù)據(jù)存在欠缺。此外，部分理論建議缺乏實(shí)踐的驗(yàn)證，可行性有待商榷。

綜上所述，本文重點(diǎn)比較純電動(dòng)公交車和氫燃料電池公交車分別替代傳統(tǒng)能源公交車這兩條“脫碳”路徑在不同類型線路下的經(jīng)濟(jì)效益。本研究將有望為公交路徑上的節(jié)能減排提供更具針對(duì)性、具體性的經(jīng)濟(jì)適用方案，為后續(xù)公交領(lǐng)域的綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型提供相關(guān)科學(xué)理論支撐，并助力氫燃料電池公交車關(guān)鍵作用的發(fā)揮。

三、模型構(gòu)建與參數(shù)設(shè)置

（一）模型構(gòu)建

本研究假設(shè)改變公交用車的車型不會(huì)影響公交線路運(yùn)營(yíng)的效益，因此公交用車總成本TC（Total Cost）等于車輛購(gòu)置成本PC（Purchase Cost）與線路運(yùn)營(yíng)成本OC（Operating Cost）之和（公式1）：

[TC=PC+OCnbsp; " " " " " " 1]

車輛購(gòu)置成本PC等于單車購(gòu)置成本與線路所需的最少車輛數(shù)的乘積，如公式（2）所示：

[PC=pc×nmin" " " " " " " "2]

其中，[pc]表示單車購(gòu)置成本（元/輛），[nmin]表示線路所需的最少車輛數(shù)（輛），計(jì)算方法如公式（3）所示：

[nmin=" " " " " tΔt，t≥TtΔt×tc?×vsmax，tlt;T" " " 3]

[t=2sv" " " " " 4]

[tmax=smaxv" " "5]

其中，[t，Δt，T]分別表示單車往返線路時(shí)長(zhǎng)、發(fā)車時(shí)間間隔和線路日運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)（小時(shí)），往返線路時(shí)長(zhǎng)可由線路單程距離[s]（千米）和平均行駛速度[v]（千米/小時(shí)）計(jì)算得到（公式4）。當(dāng)線路日運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)不超過單輛公交車往返線路時(shí)長(zhǎng)時(shí)，需要車輛數(shù)為單車往返線路時(shí)長(zhǎng)除以發(fā)車時(shí)間間隔；反之，則需要設(shè)置兩批次公交車交替運(yùn)營(yíng)，當(dāng)?shù)谝慌囕v進(jìn)站補(bǔ)能時(shí)，派出第二批車輛維持線路運(yùn)營(yíng)。[nmin]等于單車往返線路時(shí)長(zhǎng)除以發(fā)車時(shí)間間隔再乘以補(bǔ)能時(shí)長(zhǎng)除以單車?yán)m(xù)航時(shí)長(zhǎng)[tmax]。[tmax]由單車?yán)m(xù)航里程[smax]（千米）和平均行駛速度[v]（千米/小時(shí)）計(jì)算得到（公式5）。

本研究將公交車的環(huán)境成本納入運(yùn)營(yíng)成本中，因此運(yùn)營(yíng)成本可根據(jù)單位里程能耗成本、碳排放量、線路運(yùn)營(yíng)時(shí)間和里程等計(jì)算得到，表達(dá)式如公式6所示：

[OC=p×2s+A×m×2sTΔt×Y" " " 6]

其中，[p]表示單位里程能耗成本（元/千米），[m]表示車輛行駛一千米產(chǎn)生的碳排放（千克/千米），[A]表示碳排放權(quán)交易價(jià)格（元/千克），[Y]表示公交車運(yùn)營(yíng)壽命（天）。

（二）參數(shù)設(shè)置

參考張磊等（2022）1的研究，本研究設(shè)置車輛相關(guān)參數(shù)取值如表（2）所示：

參考北京交通發(fā)展研究院發(fā)布的報(bào)告2，本研究設(shè)置公交車平均運(yùn)行車速為17千米/小時(shí)。碳價(jià)自2023年1月以來交易額穩(wěn)定在50元/噸左右，故取值50元/噸，即0.05元/千克。設(shè)置公交車運(yùn)營(yíng)壽命為5年，即1 825天。

四、結(jié)果分析

本研究以北京市為例，選擇市區(qū)內(nèi)線路（短途）、市區(qū)間線路、市郊線路、微循環(huán)線和機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線五種情景進(jìn)行公交車經(jīng)濟(jì)性分析。

（一）考慮線路異質(zhì)性的經(jīng)濟(jì)性分析

1.市區(qū)內(nèi)線路

市區(qū)內(nèi)線路（短途）主要服務(wù)于市區(qū)內(nèi)的短途出行需求，通常覆蓋市區(qū)內(nèi)的主要商業(yè)、居民居住區(qū)域。這類線路發(fā)車頻率較高、運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，因此設(shè)置發(fā)車時(shí)間間隔和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)分別為10分鐘和18小時(shí)。在此情景下，三類公交車的總成本隨運(yùn)營(yíng)線路距離和平均行駛速度的變化如圖1所示：

可以發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)營(yíng)線路距離增加，燃油公交車、純電動(dòng)公交車和氫燃料電池公交車的用車成本均有不同程度的提高，當(dāng)運(yùn)營(yíng)線路距離為50千米時(shí)，三類公交車的用車總成本最高可達(dá)到2.08億元、2.84億元和3.95億元。而隨著平均行駛速度的增加，三類公交車的用車總成本呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)平均行駛速度提高到23千米/小時(shí)，三類公交車的用車總成本最低將降至2 127.38萬元、2 598.84萬元和2 123.76萬元。紅色邊框標(biāo)注表示了純電動(dòng)公交車和氫燃料電池公交車用車成本占優(yōu)的區(qū)間，其余區(qū)間內(nèi)燃油公交車用車成本最低。由此可知在市區(qū)內(nèi)線路中，純電動(dòng)公交車平均行駛速度為7—9千米/小時(shí)和19—21千米/小時(shí)時(shí)用車成本最低、氫燃料電池公交車平均行駛速度為23千米/小時(shí)時(shí)用車成本最低。因此，當(dāng)公交線路平均行駛速度穩(wěn)定在上述區(qū)間時(shí)，可以考慮采用純電動(dòng)公交車或氫燃料電池公交車替代燃油公交車。

2.市區(qū)間線路

市區(qū)間線路連接市區(qū)內(nèi)不同的主要區(qū)域，通常覆蓋市區(qū)內(nèi)的不同行政區(qū)域或者重要交通樞紐，比如火車站、機(jī)場(chǎng)等。相比于市區(qū)內(nèi)線路，這類線路的發(fā)車頻率和行駛速度均較低，且不同線路運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)不等。因此，設(shè)置發(fā)車時(shí)間間隔為20分鐘，運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)在8-18小時(shí)之間，線路行駛距離在15—60千米之間。

當(dāng)平均行駛速度[v]取基準(zhǔn)值17千米/小時(shí)時(shí)，不同行駛距離和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)下各類公交車總成本變化如圖2所示。

隨著運(yùn)營(yíng)距離和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)的增加，燃油公交車、純電動(dòng)公交車和氫燃料電池公交車的用車總成本均有不同程度的提高。當(dāng)運(yùn)營(yíng)距離和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)取值分別為60千米和18小時(shí)時(shí)，三類公交車的總成本達(dá)到最大值，分別為6 622.14萬元、6 396.52萬元和7 051.28萬元；當(dāng)運(yùn)營(yíng)距離和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)取值分別為15千米和8小時(shí)時(shí)，三類公交車的總成本達(dá)到最小值，分別為949.13萬元、866.28萬元和138.79萬元。在此情景下，純電動(dòng)公交車將在運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)為8—10小時(shí)，或運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)為18小時(shí)且線路行駛距離在25—60千米時(shí)用車成本最低；而氫燃料電池公交車未出現(xiàn)成本占優(yōu)區(qū)間。

部分線路連接兩衛(wèi)星城區(qū)、途徑擁堵路段少，對(duì)此將平均行駛速度[v]取值上調(diào)25%，即為21.25千米/小時(shí)時(shí)，不同行駛距離和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)下各類公交車總成本變化如圖3所示。

三類公交車的用車總成本均隨運(yùn)營(yíng)距離和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)的增加而增加。與基準(zhǔn)運(yùn)營(yíng)速度下的成本相比，三類公交車的用車成本最大值分別減少4.5%、21.9%和12.1%；最小值分別減少6.3%、16.2%和12.2%。純電動(dòng)公交車占優(yōu)區(qū)間進(jìn)一步擴(kuò)大至運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)為8小時(shí)和16-18小時(shí)區(qū)間以及運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)為14小時(shí)的部分區(qū)間，氫燃料電池公交車仍未出現(xiàn)成本占優(yōu)區(qū)間。

部分線路途經(jīng)擁堵路段較多，速度較慢。此類線路主要是連接核心區(qū)與火車站（如102路），以及連接核心區(qū)和衛(wèi)星城區(qū)的線路（如88路）；另外，北京市的一些繞城大環(huán)線（如300路快車）也在此列。對(duì)此將平均行駛速度[v]取值下調(diào)20%，即為13.6千米/小時(shí)時(shí)，不同行駛距離和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)下各類公交車總成本變化如圖4所示。

三類公交車的用車總成本均隨運(yùn)營(yíng)距離和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)的增加而增加。與基準(zhǔn)運(yùn)營(yíng)速度下的成本相比，三類公交車的用車成本最大值分別增加4.5%、21.9%和12.1%；最小值分別增加6.3%、16.2%和12.2%。純電動(dòng)公交車占優(yōu)區(qū)間進(jìn)一步擴(kuò)大至運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)為10—14小時(shí)區(qū)間以及運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)為8小時(shí)的大部分區(qū)間，氫燃料電池公交車仍未出現(xiàn)成本占優(yōu)區(qū)間。

綜上可知，在三種平均行駛速度情景下，燃油公交車、純電動(dòng)公交車和氫燃料電池公交車的用車成本均隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)和線路距離的增加而增加。在基準(zhǔn)運(yùn)營(yíng)速度下，若運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)為8-10小時(shí)，或運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)為18小時(shí)且線路行駛距離在25-60千米，純電動(dòng)公交車用車成本為三類車型中最小值，具備成本優(yōu)勢(shì)；隨著平均行駛速度增加，純電動(dòng)汽車在運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)較大的成本占優(yōu)區(qū)間增加，反之，在運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)較小的成本占優(yōu)區(qū)間增加。而氫燃料電池公交車的用車成本始終未出現(xiàn)占優(yōu)區(qū)間。

3.市郊線路

市郊線路是連接市區(qū)與郊區(qū)之間的主要交通線路，通常覆蓋市郊和郊縣的主要居住區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)等。這類線路的行駛距離較長(zhǎng)，通常在30千米以上，運(yùn)營(yíng)時(shí)間從8小時(shí)至18小時(shí)不等，發(fā)車頻率相比于市區(qū)間線路更低，本研究將其設(shè)置為25分鐘。

當(dāng)平均行駛速度取基準(zhǔn)值17千米/小時(shí)時(shí)，不同行駛距離和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)下各類公交車總成本變化如圖5所示。

由圖可知，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)和線路行駛距離的增加，燃油公交車、純電動(dòng)公交車與氫燃料電池公交車的用車成本均不斷增加。當(dāng)運(yùn)營(yíng)距離和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)取值分別為140千米和18小時(shí)時(shí)，三類公交車的總成本達(dá)到最大值，分別為1.23億元、1.16億元和1.30億元；當(dāng)運(yùn)營(yíng)距離和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)取值分別為20千米和8小時(shí)時(shí)，三類公交車的總成本達(dá)到最小值，分別為988.4萬元、868.03萬元和1 412.45萬元。當(dāng)運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)為8—10小時(shí)或18小時(shí)時(shí)，純電動(dòng)公交車的用車成本是三類公交車中的最小值，具有成本優(yōu)勢(shì)。而氫燃料電池公交車未出現(xiàn)成本占優(yōu)區(qū)間。

部分線路途經(jīng)擁堵路段少或深入市區(qū)的里程較少，平均行駛車速較快，如932路。對(duì)此將平均行駛速度取值上調(diào)50%，即為25.5千米/小時(shí)時(shí)，不同行駛距離和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)下各類公交車總成本變化如圖6所示。

在此情景下，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)和線路行駛距離的增加，燃油公交車、純電動(dòng)公交車和氫燃料電池公交車用車成本最大將達(dá)到1.15億元、1.18億元和1.08億元，相比于基準(zhǔn)情形，分別下降6.3%、增加1.2%和下降17.0%；最小成本分別為868.4萬元、1 148萬元和1 072.4萬元，相比于基準(zhǔn)情形分別下降12.1%、增加32.3%和下降24.1%。純電動(dòng)公交車將在運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)為12—14小時(shí)的區(qū)間內(nèi)具有成本優(yōu)勢(shì)，而氫燃料電池公交車在運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)為16—18小時(shí)的區(qū)間具有成本優(yōu)勢(shì)。

部分線路途經(jīng)擁堵路段較多，速度較慢。此類線路多為郊區(qū)進(jìn)出城主力/副主力線路（如130路、651路），運(yùn)營(yíng)時(shí)間從14小時(shí)至18小時(shí)。對(duì)此將平均行駛速度下調(diào)10%，即為15.33千米/小時(shí)。代入數(shù)據(jù)后用車成本如圖7所示。

在此情形下，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)和線路行駛距離的增加，三類車型達(dá)到的最大用車成本分別為1.25億元、1.28億元和1.37億元，相比于基準(zhǔn)情形分別增加2.0%、9.6%和5.2%；用車成本最小值分別為1 048.4萬元、1 008萬元和1 582.4萬元，相比于基準(zhǔn)情形分別增加6.1%%、16.1%和12.0%。純電動(dòng)公交車的成本占優(yōu)區(qū)間將擴(kuò)大至8—12小時(shí)運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)，而氫燃料電池公交車仍不存在成本占優(yōu)區(qū)間。

綜上可知，在三種平均行駛速度情形下，三類車型的用車成本均隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)和線路距離的增加而增加。當(dāng)行駛速度為基準(zhǔn)值時(shí)，純電動(dòng)公交車主要在運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)不超過10小時(shí)或大于18小時(shí)時(shí)具備成本優(yōu)勢(shì)，而氫燃料電池公交車未出現(xiàn)成本占優(yōu)區(qū)間。隨著平均行駛速度的增加，純電動(dòng)公交車的成本占優(yōu)區(qū)間將轉(zhuǎn)移至運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)為12—14小時(shí)的區(qū)間，而氫燃料電池汽車也將在運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)為16—18小時(shí)時(shí)具備成本優(yōu)勢(shì)；隨著平均行駛速度的減少，純電動(dòng)公交車的成本占優(yōu)區(qū)間為8-12小時(shí)運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)區(qū)間。

4.微循環(huán)線

北京市微循環(huán)線多以“專”字開頭，主要以地鐵接駁車的形式出現(xiàn)。此類線路通常僅在早晚高峰時(shí)段運(yùn)行，因此總體上運(yùn)行速度較慢。此類線路一般一日運(yùn)行2次，一次運(yùn)行2小時(shí)，發(fā)車間隔從10分鐘至30分鐘不等。此類線路行駛距離在4到30千米不等。本研究將比較不同線路行駛距離和發(fā)車間隔時(shí)間下的用車成本。

當(dāng)平均行駛速度取基準(zhǔn)值17千米/小時(shí)時(shí)，不同行駛距離和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)下各類公交車用車成本變化如圖8所示。

隨著運(yùn)營(yíng)線路距離的增加和發(fā)車時(shí)間間隔的減少，燃油公交車、純電動(dòng)公交車和氫燃料電池公交車的用車總成本均有不同程度的提高。當(dāng)運(yùn)營(yíng)距離和發(fā)車時(shí)間間隔取值分別為32千米和10分鐘時(shí)，三類公交車的總成本達(dá)到最大值，分別為2 516.8萬元、2 996.1萬元和4 354.9萬元。當(dāng)運(yùn)營(yíng)距離和發(fā)車時(shí)間間隔取值分別為4千米和30分鐘時(shí)，三類公交車的總成本達(dá)到最小值，分別為224.7萬元、284.7萬元和405.4萬元。在此情形下，純電動(dòng)公交車和氫燃料電池公交車均未出現(xiàn)成本占優(yōu)區(qū)間。

部分線路行駛路段通行條件較好（如專12路），因此將平均行駛速度上調(diào)10%，即18.7千米/小時(shí)，代入數(shù)據(jù)后用車成本如圖9所示。

在此情形下，隨著運(yùn)營(yíng)線路距離的增加和發(fā)車時(shí)間間隔的減少，三類車型達(dá)到的最大用車成本分別為2 516.8萬元、2 996.1萬元和4 354.9萬元，相比于基準(zhǔn)情形分別下降4.6%、8.5%和7.2%；用車成本最小值與基準(zhǔn)情形相比并無變化。在此情形下，純電動(dòng)公交車和氫燃料電池公交車仍然未出現(xiàn)成本占優(yōu)區(qū)間。

部分線路近乎全線處于擁堵路段，尤其是全線位于大型居民區(qū)、工業(yè)區(qū)的微循環(huán)線，速度較慢。因此，將平均行駛速度下調(diào)20%，即為13.6千米/小時(shí)。代入數(shù)據(jù)后用車成本如圖10所示。

在此情形下，隨著運(yùn)營(yíng)距離的增加和發(fā)車時(shí)間間隔的減少，三類車型達(dá)到的最大用車成本分別為2 998.8萬元、4 116.1萬元和5 714.9萬元，相比于基準(zhǔn)情形分別增加13.7%、25.6%和21.7%；用車成本最小值分別為172.4萬元、282.3萬元和372.7萬元，相比于基準(zhǔn)情形分別增加53.4%、98.4%和83.9%。純電動(dòng)公交車的成本占優(yōu)區(qū)間將擴(kuò)大至8—12小時(shí)運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)，而氫燃料電池公交車仍不存在成本占優(yōu)區(qū)間。

5.機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線

北京市機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)公交線主要有以下特點(diǎn)：

（1）定班定點(diǎn)發(fā)車，發(fā)車間隔時(shí)間大多為60分鐘；

（2）線路呈直線型，其中一個(gè)終點(diǎn)站為首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)或大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)；

（3）中途不停站或極少停站；

（4）運(yùn)營(yíng)時(shí)間從6小時(shí)到16小時(shí)不等；

（5）線路里程大于20千米；

（6）大部分里程行駛于高速路段，平均行駛速度較高，部分線路可突破30千米/小時(shí)。

因此，本研究設(shè)置平均行駛速度為30千米/小時(shí)，不同行駛距離和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)下各類公交車用車成本變化如圖11所示。

隨著運(yùn)營(yíng)距離和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)的增加，燃油公交車、純電動(dòng)公交車和氫燃料電池公交車的用車總成本均有不同程度的提高。當(dāng)運(yùn)營(yíng)距離和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)取值分別為160千米和16小時(shí)時(shí)，三類公交車的總成本達(dá)到最大值，分別為4 849.3萬元、4 806.9萬元和4 486.3萬元。當(dāng)運(yùn)營(yíng)距離和運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)取值分別為20千米和6小時(shí)時(shí)，三類公交車的總成本達(dá)到最小值，分別為3 16.4萬元、288.8萬元和462.6萬元。在此情形下，純電動(dòng)公交車在運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)為6小時(shí)的所有區(qū)間，以及運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)為10—12小時(shí)的部分區(qū)間具有成本優(yōu)勢(shì)，而氫燃料電池汽車始終不具備成本優(yōu)勢(shì)。

（二）考慮政府補(bǔ)貼對(duì)氫燃料電池公交車經(jīng)濟(jì)性的影響

上述研究發(fā)現(xiàn)，氫燃料電池汽車在不同運(yùn)營(yíng)情況下的用車成本始終偏高，而對(duì)氫燃料電池公交車的補(bǔ)貼將在一定程度上提高氫燃料電池汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。已有政策主要集中在氫價(jià)補(bǔ)貼和購(gòu)車補(bǔ)貼上，因此，本研究就兩種補(bǔ)貼對(duì)氫燃料電池公交車的經(jīng)濟(jì)性影響進(jìn)行分析。

1.氫氣補(bǔ)貼對(duì)氫燃料電池公交車的經(jīng)濟(jì)性影響

氫價(jià)變化主要通過氫燃料電池公交車能源成本來影響其經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果如圖12所示。

由上圖可知，對(duì)氫氣進(jìn)行每千克1.11元的補(bǔ)貼即可使氫燃料電池公交車在市區(qū)內(nèi)線路中與純電動(dòng)公交車持平。隨著補(bǔ)貼力度的加大，當(dāng)補(bǔ)貼達(dá)到4.25元、5.1元時(shí)，氫燃料電池公交車在市區(qū)間線路、機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線上相對(duì)于純電動(dòng)公交車的成本劣勢(shì)也將被追平；但顯然，前者難以通過此類補(bǔ)貼在微循環(huán)線上對(duì)后者產(chǎn)生超越。

2.車輛單價(jià)補(bǔ)貼對(duì)氫燃料電池公交車的經(jīng)濟(jì)性影響

氫燃料電池公交車單車價(jià)格補(bǔ)貼主要通過車輛購(gòu)置成本來影響其經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果如圖13所示。

目前，發(fā)展已經(jīng)比較成熟的純電動(dòng)公交車的單價(jià)為140萬元/輛；而氫燃料電池公交車起步較晚，因此可認(rèn)為氫燃料電池公交車的單價(jià)在短時(shí)間內(nèi)很難低于140萬元/輛。因而，對(duì)每輛氫燃料電池公交車補(bǔ)貼4萬元，即可使氫燃料電池公交車在市區(qū)內(nèi)線路上與純電動(dòng)公交車持平；隨著補(bǔ)貼力度的加大，當(dāng)每輛補(bǔ)貼達(dá)到17萬元、20萬元時(shí)，氫燃料電池公交車相對(duì)于電動(dòng)汽車在市區(qū)間線路、機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線上將分別具有成本優(yōu)勢(shì)。但在微循環(huán)線上，仍然難以通過該類補(bǔ)貼使前者對(duì)后者實(shí)現(xiàn)超越。

五、研究結(jié)論與討論

（一）研究結(jié)論

本文選址北京，主要研究氫燃料電池公交車以及純電動(dòng)公交車在市區(qū)內(nèi)線路、市區(qū)間線路、市郊線路、微循環(huán)線以及機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線五類公交線路上對(duì)燃油公交車替代的經(jīng)濟(jì)成本效益，得出如下結(jié)論：

在市區(qū)內(nèi)線路、市區(qū)間線路和市郊線路中，在超過一半的情形下純電動(dòng)公交車或氫燃料電池公交車的用車成本低于燃油公交車，說明新能源公交車的發(fā)展?jié)摿^大，有望取代燃油公交車參與公交運(yùn)營(yíng)。而在微循環(huán)線路和機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線路中，僅有少部分情形下純電動(dòng)公交車的用車成本低于燃油公交車，這主要是由運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)和平均行駛速度低所致。

氫燃料電池公交車的成本優(yōu)勢(shì)并不明顯，僅在市區(qū)內(nèi)線路和市郊線路下的少部分情形中成本占優(yōu)。為此，本研究進(jìn)一步分析了氫價(jià)補(bǔ)貼和氫燃料電池公交車單車補(bǔ)貼對(duì)其經(jīng)濟(jì)性的影響。結(jié)果表明，對(duì)氫氣進(jìn)行每千克1.11元、4.25元和5.1元的補(bǔ)貼將使氫燃料電池公交車在市區(qū)內(nèi)線路、市區(qū)間線路、機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線上與純電動(dòng)公交車成本持平；而在微循環(huán)線上很難通過此類方式實(shí)現(xiàn)氫燃料電池公交車的成本占優(yōu)。

對(duì)每輛氫燃料電池公交車補(bǔ)貼4萬元、17萬元和20萬元，即可使氫燃料電池公交車在市區(qū)內(nèi)線路、市區(qū)間線路和機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線上分別具有成本優(yōu)勢(shì)；但在微循環(huán)線上，仍然難以通過該類補(bǔ)貼實(shí)現(xiàn)氫燃料電池公交車的成本占優(yōu)。

（二）研究結(jié)果的重要性及貢獻(xiàn)

在研究成果填補(bǔ)領(lǐng)域，此前，在本研究主題相關(guān)的文獻(xiàn)中，只存在純電動(dòng)公交車的相關(guān)研究，而以氫燃料電池公交車為研究對(duì)象的文獻(xiàn)幾乎是空白。本文基于現(xiàn)有文獻(xiàn)基礎(chǔ)，在該領(lǐng)域進(jìn)行初步探究和深入分析，具備高創(chuàng)新性以及前瞻性，對(duì)未來研究具有啟發(fā)意義。

在技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域，該研究探討將氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用于公交車這樣的大型交通工具中的發(fā)展?jié)摿Γ梢源龠M(jìn)氫燃料電池研究技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為未來的交通工具提供更加環(huán)保和高效的動(dòng)力系統(tǒng)。

在環(huán)境保護(hù)方面，使用氫燃料電池公交車可以實(shí)現(xiàn)零排放，有效地減少城市空氣污染和環(huán)境污染問題，改善居民生活質(zhì)量；可以促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展，助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

在經(jīng)濟(jì)效益方面，氫能源產(chǎn)業(yè)鏈雖然仍處于發(fā)展階段，但是隨著技術(shù)的不斷成熟，其成本也將逐步降低。使用氫燃料電池公交車可以減少對(duì)石油的依賴，降低燃料成本，提高交通運(yùn)輸效率和經(jīng)濟(jì)效益。

因此，本文探究用氫燃料電池公交車替換燃油公交車，具有重要的研究?jī)r(jià)值和實(shí)踐意義，可以為未來的城市交通和可持續(xù)發(fā)展提供有益的參考。

（三）結(jié)果的局限性和不足之處

第一，該研究模型考慮因素有限，在實(shí)際應(yīng)用中評(píng)估車輛的效率和可持續(xù)性需要更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及在建模中引入更多復(fù)雜因素。

第二，該研究結(jié)果受到區(qū)域和環(huán)境條件的限制。城市的天氣和地形等因素會(huì)影響氫燃料電池公交車和純電動(dòng)公交車的性能和可靠性。在實(shí)際城市公交運(yùn)營(yíng)中，公交車的運(yùn)營(yíng)路線、載客量、行駛速度等因素會(huì)對(duì)電池燃料消耗產(chǎn)生較大影響，因此需要更加細(xì)致的對(duì)實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況分析。

第三，該研究結(jié)果沒有考慮其他非經(jīng)濟(jì)因素的影響。氫燃料電池技術(shù)的成熟度和商業(yè)化程度相對(duì)較低，且公眾存在對(duì)其安全性的擔(dān)憂，這意味著在目前的技術(shù)和市場(chǎng)條件下，氫燃料電池公交車的大規(guī)模推廣可能面臨較高的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)施難度。

第四，該研究結(jié)果沒有考慮新的技術(shù)和創(chuàng)新。例如，隨著技術(shù)的進(jìn)步，新型電池技術(shù)和氫燃料電池技術(shù)可能會(huì)取代當(dāng)前的技術(shù)，并對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生影響。

第五，該研究沒有考慮其他鏈條環(huán)節(jié)的影響。氫氣的制造和輸送過程可能涉及大量的能源和化學(xué)品消耗，且會(huì)產(chǎn)生一定的碳排放和其他環(huán)境問題。因此，在綜合考慮環(huán)境影響時(shí)，氫燃料電池公交車的優(yōu)勢(shì)可能會(huì)有所削弱。

第六，該研究結(jié)果可能沒有考慮到城市公交運(yùn)營(yíng)的整體規(guī)劃和管理。在城市公交系統(tǒng)中，除了車輛技術(shù)的選擇外，還有線路規(guī)劃、運(yùn)營(yíng)管理、乘客服務(wù)等方面的因素也會(huì)影響公交系統(tǒng)的綜合效益和環(huán)境效益。因此，需要將技術(shù)選擇與城市公交運(yùn)營(yíng)的整體規(guī)劃和管理相結(jié)合，進(jìn)行綜合優(yōu)化。

因此，我們需要繼續(xù)深入研究和評(píng)估氫燃料電池公交車和純電動(dòng)公交車的可行性和可持續(xù)性，以實(shí)現(xiàn)城市公交系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

（四）未來研究的方向和建議

此處主要圍繞氫燃料電池公交車和純電動(dòng)公交車的成本效益分析、性能優(yōu)化、環(huán)境影響、城市公交的實(shí)際需求、政策支持等方面展開。

第一，深入研究氫燃料電池公交車和純電動(dòng)公交車的成本效益分析。針對(duì)氫燃料電池公交車和純電動(dòng)公交車制造和能源成本相對(duì)較高的問題，可以進(jìn)一步探究如何優(yōu)化制造工序，提高它們的成本效益；另外，也可以考慮在更多不同的線路條件下進(jìn)行成本效益分析。

第二，研究氫燃料電池公交車和純電動(dòng)公交車的性能優(yōu)化。雖然氫燃料電池公交車具有更短的加注時(shí)間和更長(zhǎng)的續(xù)航里程，但純電動(dòng)公交車也有其優(yōu)勢(shì)，比如能源利用效率更高、充電設(shè)施更易獲得等。因此，可以研究異質(zhì)性線路下二者各異的性能優(yōu)化，進(jìn)而提高適配度。

第三，比較氫燃料電池公交車和純電動(dòng)公交車的環(huán)境影響。即使氫燃料電池公交車和純電動(dòng)公交車都可以顯著減少交通對(duì)環(huán)境造成的污染和碳排放量，使用過程中被認(rèn)為是零碳排放，但實(shí)際上它們的環(huán)境影響是存在差異的。因此，可以進(jìn)一步比較兩者的環(huán)境影響，計(jì)算其在去除環(huán)境污染上的成本差異。

第四，考慮城市公交的實(shí)際需求。氫燃料電池公交車和純電動(dòng)公交車在實(shí)際應(yīng)用中的適用范圍和需求存在很大差異，因而可以對(duì)城市公交的實(shí)際需求進(jìn)行研究，以便區(qū)分氫燃料電池公交車和純電動(dòng)公交車的適用范圍和路線類型。

第五，探究政策支持的影響。政策支持和補(bǔ)貼是推動(dòng)氫燃料電池公交車和純電動(dòng)公交車發(fā)展的重要因素，尤其對(duì)于氫燃料電池公交車這樣的新興產(chǎn)業(yè)，除了在文中提到的車輛成本和能源價(jià)格兩方面，還可以進(jìn)一步探究是否可以進(jìn)行其他方面的補(bǔ)貼。