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在Wyoming公共校区
改用天然气汽车的可行性研究
概要
推广使用天然气汽车(NGV)，坚守了减少碳排放的承诺，减少了对外国石油的依赖，并且降低了运输成本。天然气作为运输燃料的可行性在增长，在一定程度上是因为页岩气的可用性资源已大幅扩张，汽油和柴油价格也大幅上涨。此外，因为高压燃料系统密封，所以在加燃料和使用时很少有蒸发性排放发生，因此天然气汽车更为吸引人。目前，压缩天然气(CNG)价格与汽油和柴油相比更具有竞争力。相当于一加仑柴油的压缩天然气的价格已经日益低于一加仑柴油的价格。尽管在过去十年里，天然气的市场价格有相当大的波动，但是预计将稳定在一个与柴油相比具有高竞争力的水平上。现在看来，天然气的价格已经与石油价格脱钩了，因此它不像汽油和柴油价格那样剧烈波动。
尽管天然气汽车有良好的性能，但是压缩天然气校车在占据主要市场份额上面临着巨大的障碍，根本上是因为购买价格溢价约为30000美元。另一个阻碍使用天然气汽车的障碍，是缺乏可加注燃料的基础设施。目前，怀俄明州只有五个CNG车站允许公众存取（见表2在第11页）。由于目前道路上缺乏天然气汽车，企业对是否积极投资于CNG基础设施犹豫不决。截止2012年，联邦政府对购买天然气汽车或建造CNG车站的激励措施已经期满，这包括了联邦汽车燃料损失，去除了以前收到的CNG燃料税收抵免。
因为天然气通常比柴油便宜(目前的差价是每DGE2美元)，一辆车行驶的里程数越高，与常规燃料相比车队就会节省更多。回报计算中的假设，包含了在CNG和柴油之间的价格差异和平均英里旅行场景中不同的选择。结果表明，在某些条件下，投资回报期间（需要为CNG动力校车偿还额外的增量成本所需要的数年时间）是有吸引力的。最近的价格差价是2美元/DGE，偿还增量成本(30000美元)需要6年的时间，假设一辆校车每年行程是20000英里。另外，由于规模经济，一个大的学区将可以在大约三年时间能够收回加油站的成本，如果所有传统的和运输靠柴油燃烧的公共汽车被CNG方式取代。
在一辆已经拥有的柴油或气体燃料的校车上重新改造（改装），在新发动机上使用CNG来运行，这一选择是不可行的，因为成本高。特别是在没有税收激励或拨款提供资金帮助的情况下，将现有的校车改装成CNG运行成本会高。
引言
几十年来，天然气汽车一直是全球汽车车辆总量的一部分，在全球范围内估计有1500万辆。目前，美国的天然气车辆使用，远远落后于许多国家。巴基斯坦、伊朗、阿根廷、巴西和印度都超过100万辆，巴基斯坦运营的CNG车辆总数超过了其总车辆的50%。美国注册有2.5亿辆汽车；其中12万辆或0.048%是天然气车辆。全美17个州有超过140个学区使用了超过3000辆天然气校车来每天接送学生。一些地区已经运行CNG校车超过20年。例如，洛杉矶学区上世纪80年代末开始运营CNG巴士，目前运营着403 CNG校车（全国最大的一所学校），约占其总车辆数的四分之一。1988年，塔尔萨的公立学校改用24辆天然气校车。在2009年，他们重新使用了140辆（一半的车辆）使用CNG发动机的校车。
天然气车辆是清洁且安静的，尤其是与老式的柴油公交车相比，它提供减排和相关的环保、健康益处。他们使用美国新的丰富的国内天然气来供应。由于水力压裂技术的进步和开采页岩气的水平钻探技术的进步，天然气目前在国内比石油产品更便宜，可用性更高。由于柴油价格始终高于每加仑3.00美元，天然气看起来更有吸引力。此外，在过去10年里，天然气发动机和汽车技术的进步使它们在耐久性、性能和可靠性方面与汽油和柴油发动机不相上下。
尽管天然气汽车有良好的特性，但CNG校车在获取市场主要份额方面仍然面临着巨大的障碍：
·主要的障碍是增加的购买价格溢价。由于经济状况不佳，学区交通预算经常资金不足，导致设备更新延迟并延长车辆使用年限。在成本敏感的环境中，除非较低的生命周期运营费用抵消了成本，否则额外的初始成本是很难保证的。
·一个主要因素是缺乏补充燃料的基础设施——“鸡和蛋”的问题。
·此外，在公共汽车上，在容纳CNG气罐上巡航范围和储存空间也有限制。
怀俄明州目前的学生交通补助
怀俄明州依然是美国人口最少的州，并且覆盖了一个很大的地理区域。每平方英里5.8人的人口密度是全国第二低的；只有阿拉斯加更低。在该州48所公立学区中，超过一半的学校有5所或更少的学校。怀俄明州教育部的教育信息显示，37,288名怀俄明州学生或者42%登记的学生，在2010-2011学年每天被送到348所公立学校。所有学区的车辆每天行驶的里程总计将近8万英里。距离覆盖了从距离120英里的普拉特县#1学区到超过1万英里的坎贝尔县#1学区。
校车种类
在所有学区共有1731辆用于学生交通的车辆。
这一总数包括177辆A型车、659辆C型车、628辆D型车和269辆多功能车辆（见下文的车辆类型的解释）。
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A型车--这些小巴士的设计是能够携带约20个乘客。这种巴士留有驾驶员门并且以轻型底盘为主。 B型车--这些小巴士和A型车很相像，但能携带约30个乘客。目前，怀俄明州的学校不使用这类车型。 C型车（传统型）--这类车型基于中型的平背式牛车底盘，卡车底盘，发动机在挡风玻璃前，进门口在前车轮后面。 D型车--这类车型使用前、中、后置发动机的中型卡车底盘。进口门在前轮的前面。 |
当车龄超过14年或者里程超过200,000英里，校区是有资格从怀俄明获得100%的更换成本补偿。公交车辆几乎一直是先达到里程数阈值，而他们的更换通常是发生在10年左右。在全州范围内，2010-2011学年运载学生的里程为1340万英里。总车队行驶里程（VMT），包括课外活动和暑期学校，行程总计2000万英里。该州在2010-11学年支付总共6430万美元的交通费：驾驶员和技术员薪水和津贴（3340万美元），燃料（780万美元），车辆更换、操作和维修费（2300万美元）。
制造商
托马斯比尔特客车和蓝鸟公司都提供了工厂制造的D型美国环境保护署(EPA)2010年符合标准的CNG公共汽车，它具有多种座位容量和其他选择。这两种型号都配备了Cummings Westport公司自2007年起就一直在市场上销售的ISL-g型发动机。某些现有的柴油或汽油驱动的公共汽车可以通过重新改造发动机来转变为CNG运行的汽车。排放解决有限公司(ESI)为纳威司达DT400发动机提供了天然气改造服务(2009年预模型)。
公共汽车购买费用
校车定价受到各种因素的影响，如用户的具体选择、购买数量、经销商竞争和订单时间等。尽管2007年和2010年兼容的柴油发动机（主要是遵守美国环保署排放标准的结果）的价格上涨，但CNG校车的价格依然昂贵。由于有限的生产和专门的油箱，CNG公交车的价格约为15万美元，比柴油公交车的12万美元高出大约25%。出于本报告的目的，D型天然气校车用于计算回收期的增量成本估计为3万美元。
燃油经济性
CNG的油箱比柴油的重，一辆五缸巴士大约增加了2500磅重量。增加的车辆重量降低了燃料的效率。这很重要，因为在比较燃料成本时，必须考虑燃料效率。柴油加仑当量是等同于一加仑柴油燃料的能量所需的CNG量，也就是作为英国热量单位或BTU的单位。然而，他们在不同的发动机转换燃料能量潜力的方式和效率上，存在着巨大的差异。人们普遍认为，火花点火的天然气发动机的燃油效率（即较低的燃油经济性）比压缩式点火的柴油发动机要少些。根据多份出版物和引用，这份报告假设柴油公交车的平均燃油经济性为每加仑7.0英里（每加仑行驶的英里数），而CNG公共汽车的平均燃油经济性为6.0英里。这相当于降低了14.3%的效率。
柴油和CNG燃料的成本
在经历了2008年夏季的高峰之后，天然气价格已经下跌，目前处于10年来的低价格点，原因是供过于求和需求下降（见图3表1）。相比之下，自2009年1月以来，柴油价格一直在上涨。因此，国内的大部分地区在压缩天然气和柴油价格上有显著差异。最近几年，CNG(1.50- 2.00美元/DGE)在一加仑柴油当量的基础上更便宜，从20%到60%范围比柴油(2.50- 4.00美元/加仑)便宜。数据表明，CNG价格波动小于柴油价格波动。天然气价格对天然气价格变化的敏感度低于柴油价格对油价变化的影响。石油价格在2008年达到最高水平，柴油价格为每加仑4.75美元。在同一时期，CNG的价格便宜点约为$2.00/DGE，尽管天然气的现货价格极高，为$11.00-$13.00/千立方英尺(mcf)。目前，由于Henry Hub的天然气价格约为3.50美元/mcf，且该州某些地区的天然气价格低于1.50美元，因此该价差高于2美元/加仑。
最近的燃料价格差距预计将在未来继续存在，主要原因是勘探页岩气的可及性和技术进步，使得天然气价格保持在相对较低的水平。因此，石油和柴油的价格继续呈上升趋势。不过，天然气行业官员和其他人士预计，天然气价格将稳定在3.00- 5.00美元/mcf的水平。相比之下，西德克萨斯中质原油期货价格每桶超过85.00美元。新兴市场对石油的需求持续增长。因此，天然气和柴油作为燃料的未来成本将成为市场购买决策的主要驱动因素。
燃料成本的考虑超出了燃料本身的成本。各个学区如何购买他们的燃料以及他们如何为他们的车辆提供燃料也可能会影响一个转变的决定。最终交付的燃料费用将根据许多因素而不同，包括燃料供应设施的所有权(合同与卖方的合同)，批量与个人购买协议，以及合同与市场价格。出具本报告的目的，在分析中只使用了最后的燃料成本差异。在计算回报时，假设压缩天然气和柴油之间有四种价格差异：每加仑$1.00，$1.50，$2.00，$2.50。
操作和维护成本
由于CNG车辆的历史较短，直接而准确地比较新校车在柴油和天然气上的维护费用是困难的。它没有一致的测量标准，诸如校车年龄、技术人员经验和驾驶习惯等关键因素的差异很大。基于对比较操作成本的研究有限，成本的增加和成本的降低都有证据支持。在NGV部署初期阶段的学校区域内，维护费用可能会高于柴油车辆。
以案例研究为基础，维护拥有多年经验并最优化其NGV操作实践的车辆的成本，可能会有所降低。在此分析中，假定使用和维护成本是相等的。
其他潜在的成本
由于天然气比空气轻，室内泄露的甲烷会上升到天花板造成爆炸事故。这可能需要进行一些设施改造，包括清除打开的火焰加热器和其他点火源以及安装甲烷探测器和通风设备。这些修改的费用取决于单个车辆的情况。
当一辆柴油巴士在5-6分钟内加油时，一辆CNG的巴士可能需要12分钟的时间在一个有良好的泵压的快速加油设备上加油。通常，一辆柴油公交车每周需要加油一到两次，但由于燃料容量有限，一辆CNG巴士可能需要每天加油。随着时间的推移，如果没有足够的燃料补给设施来消除漫长的运输和排队，那么与加油相关的人工成本可能不会低的。
尽管在任何地区的最终决策过程中都应该考虑这些问题，但在本报告中分析，以上提到的潜在额外成本不包括在内。
每年英里数和车辆寿命
据美国校车协会估计，校车平均行驶里程约为每年12,000英里，柴油机燃料消耗量约为1,700加仑。由于怀俄明州人口多且稀疏，许多学区都覆盖了大片地区——有的面积超过3000平方英里。大多数的车辆都被认为是郊区路线和乡村路线的车辆，每年行驶2万英里。为了分析的目的，英里数的范围是不同的，从低的每年10000英里到高的每年25000英里。
由于天然气的燃烧比柴油更清洁，因此较少发生相关的发动机磨损，包括喷油器和阀门的污染较少。天然气的低碳含量也能转化为更大的石油变化区间。据传闻称，CNG发动机的寿命将比柴油发动机更长，但它还不明确。而且，目前唯一的校车CNG发动机制造商，康明斯威斯波特，并没有提到寿命的差别。因此，这一分析中没有包含引擎寿命因素。
简单的投资回收期
另一种衡量替代燃料项目经济性的方法是简单回报，这是通过将汽车的总增量成本除以每年的燃料成本节约来计算的，从而获得最初投资所需的年限。本报告所列的所有成本和储蓄均以当期美元计，因此在此不考虑折现率或其他利率。此外，在这些计算中CNG燃料基础设施(车站)的成本不包括在内，但它们是任何燃料转换决策中考虑的一个主要因素。
使用上面列出的假设的简单回报分析的结果（见表1，第8页）。在这16种不同的组合中，12种的投资回报期要比目前的模型汽车寿命短(14年)。如果假定一个地区的车辆日常运行的公交车在十年一次的更换周期平均每年16700英里，柴油和天然气燃料成本上的差距应该至少每加仑1.30美元/ DGE来抵消高成本(30000美元)的CNG校车和较低的燃油效率。在低燃料成本差异下，校车操作员不会节省成本，尤其是在较低的年行驶里程。高里程的公交车队最有可能产生成本节约，这将为燃料转换提供理由。公共汽车越多，使用天然气的成本节约就越高。所有其他变量都保持不变，价格差异越高，投资回报期就越短。将燃油价格的差价提高一倍，投资回收期会减少一半以上。在最近的每加仑2美元的价格差异中，假设每年2万美元的价格，要偿还增量成本将需要6年的时间。
表1显示了不同的燃料价格差异和车辆行驶里程所产生的年度储蓄和投资回
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