電動工程機械推廣應(yīng)用研究

聶 浩，沈文平

（南京市市政工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，江蘇 南京 210037）

當前，工程機械大多以化石燃油機械為主，排放大量高污染氣體，與當前國家提倡的低碳排放新理念相違背。所以開展清潔能源工程機械研究正當其時、也非常必要。本文從分析當前清潔能源工程機械優(yōu)缺點和實際使用數(shù)據(jù)入手，試點先行、總結(jié)評價，為今后推廣清潔能源工程機械提供更多理論支撐和實踐經(jīng)驗。

1 清潔能源工程機械種類及優(yōu)缺點

以柴油為燃料的工程機械，其燃燒效率僅為35%～40%，也造成大氣等環(huán)境污染和噪聲污染，與當前碳達峰、碳中和目標理念相悖。為適應(yīng)低碳綠色發(fā)展理念，工程機械生產(chǎn)廠家逐步轉(zhuǎn)變認識，開始加大清潔能源工程機械生產(chǎn)研發(fā)投入。目前市場上使用清潔能源工程機械主要以氫燃料電池、LNG 燃氣發(fā)動機、電動等工程機械。這些工程機械優(yōu)缺點總結(jié)如下。

1.1 氫燃料工程機械

主要燃料類型為氫，是將化學能轉(zhuǎn)化為電能，該電池安全性高（電池內(nèi)的電堆能量很少，電堆出問題時只要把氫氣切斷即可），轉(zhuǎn)化效率更高、清潔無污染、使用噪聲污染小。氫燃料電池主要特點是發(fā)電熱效率約70%，質(zhì)量能量密度達500～700Wh/kg，體積能量密度達1 000～1 200Wh/L[2]。但是從實際使用看，氫燃料電池中關(guān)鍵技術(shù)材料鉑的成本較高，導(dǎo)致制造成本要比燃油車、鋰電池車要高得多，所以如能把關(guān)鍵材料成本和用量降低的話，氫燃料電池將比鋰電池使用成本低。氫燃料電池還需要從氫原料的獲取、儲存和運輸?shù)燃夹g(shù)層面突破，待技術(shù)成熟后氫燃料工程機械將成為建筑行業(yè)使用的主流產(chǎn)品。

1.2 液化天然氣（LNG）工程機械

液化天然氣工程機械工作原理與普通柴油機類似，是將天然氣經(jīng)過低溫冷凝處理后為發(fā)動機提供動能。但液化天然氣工程機械與燃油工程機械也有很多不同之處，其碳排放物、氮排放物明顯減少，液化天然氣能量密度高更有利于長久續(xù)航，此外液化天然氣使用成本較低、經(jīng)濟性較好。有研究表明，液化天然氣工程機械可使排放的CO2減少23%，SO2減少70%，CO 減少50%。但液化天然氣作為工程機械燃料，存在一些問題:①安全性不高，液化天然氣使用有壓氣瓶，溫度急劇升高會通過閥門釋放內(nèi)部壓力，使用中會存在一定安全風險；②工況適用性受限，液化天然氣工程機械由于受安全性影響，嚴禁在相對密閉空間使用或作業(yè)；③動力輸出不穩(wěn)定，液化天然氣工程機械在大負載時，動力響應(yīng)速度慢，不能很好地適應(yīng)負載變化[3]。由于目前國內(nèi)天然氣主要依賴于進口，加之液化天然氣燃燒仍然排放一定CO2污染氣體，所以一些工程機械生產(chǎn)廠家不把LNG 工程機械作為研究方向，僅作為當前過渡階段使用的工程機械。

1.3 電動工程機械

電驅(qū)動工程機械是采用蓄電池給電動機供電，其使用過程中碳排放幾乎為零[1]。所以世界各國開始發(fā)展純電動工程機械產(chǎn)業(yè)，以緩解能源短缺之困，降低環(huán)境污染。電動工程機械在地鐵隧道、污水箱涵等密閉空間使用具有較高的實用性，因為這種機械在空氣流通不暢的工況環(huán)境下沒有尾氣排放和發(fā)動機噪聲污染，機械施工效率高，對操作員健康損害大大降低。但電動化工程機械受電池成本高、電池安全性差、配套充換電設(shè)施不足、續(xù)航里程短等因素影響，電動工程機械產(chǎn)業(yè)處于起步之初，隨著各生產(chǎn)廠家研發(fā)投入增加，即將會有更多電動化大型工程機械在城市建設(shè)中使用。

從以上分析可以看出，電動工程機械雖然處于起步階段，但一些工程機械制造廠家已經(jīng)研發(fā)出適用工程建設(shè)所需的機械設(shè)備，像渣土車、混凝土攪拌車、小型樁工機械等，這些機械技術(shù)相對成熟，已在城市工程建設(shè)過程中逐步推廣使用。

2 試點案例

2.1 試點基本情況

本文中試點的工程機械采用電動裝載機（型號XC958-EV），鏟斗容量3.2m3，現(xiàn)場租賃和自購各1 臺電動裝載機，同時還配有同型號燃油裝載機。于2021 年7～11 月，依托某施工企業(yè)在南京某碼頭技改工程中展開試點使用。

2.2 自購和租賃模式比較

租賃工程機械一般按月支付租賃費，每月租金約3 萬元（年租金約35 萬元），日常維修保養(yǎng)費用和機械使用問題由租賃單位承擔，其充電樁也是由租賃單位提供，較自購機械綜合使用成本相對較低。

自購工程機械一次采購費約為95 萬元（電池成本約為機械購置費50%），自購充電樁約10 萬元（不含供電公司擴容相關(guān)費用），工程機械質(zhì)保2 年、電池質(zhì)保5 年，綜合分析采購成本較高，一次性投入較大。

2.3 經(jīng)濟性分析

1）燃油類工程裝載機 車輛購置價格35 萬元，車輛保險約2.0 萬元，車輛維修費約3.5 萬元，每天運行時間按8h 算，能源消耗為14L/h，年運行天數(shù)300 天，平均能源價格按7 元計，平均每天能源消耗費用為784 元，綜上單車年均費用為23.52 萬元。

2）電動裝載機 車輛購置價格95 萬元，車輛保險費約1.5 萬元，車輛維修費約2.0 萬元，每天運行時間按8h 算，每小時能源消耗36kWh，年運行天數(shù)300 天，平均能源價格按1元計，平均每天能源消耗費用為288 元，綜上單車年均費用為8.64 萬元。

2.4 總體性評價

2.4.1 操作性評價

司機通過對電動和燃油裝載機實際操控，電動裝載機操作相對靈敏，操控簡單，舒適高，養(yǎng)護成本低，動力強勁，噪音小。

2.4.2 使用性評價

1）工作效率方面 電動裝載機持續(xù)工作時間較燃油裝載機較弱，但根據(jù)作息時間安排，電動裝載機在工作效率方面強于燃油裝載機。

2）動力方面 電動裝載機動力和制動性方面稍強于燃油機械。

3）性價比方面 電動裝載機及充電樁配套一次性投入成本較大，約為燃油裝載機的3 倍，采購成本高；但根據(jù)同等工況下，使用過程中燃油裝載機產(chǎn)生的費用約為電動的3 倍，工作時間越長其性價比較燃油裝載機越高。

4）維修保養(yǎng)方面 電動裝載機在后期維護保養(yǎng)方面，因其采用電機控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，免去了保養(yǎng)空濾、機油濾、柴油濾等維護成本，節(jié)省維護成本，維護成本約為燃油裝載機的0.6倍。

5）其他方面 電動裝載機在使用過程中，產(chǎn)生的噪聲小，比燃油版本產(chǎn)生的噪聲小15dB 左右，使用過程零排放。

2.5 推廣使用建議

2.5.1 市政工程不建議使用

1）自購模式 一次性投入成本較大，因其充電樁功率需求大，需要與電力部門協(xié)調(diào)大功率配電，造成投入成本增加較多；市政工程項目大多以線狀為主，現(xiàn)場作業(yè)面需要不停轉(zhuǎn)換和推進，而充電樁一旦固定，就很難遷改，若車輛來回充電成本較高。

2）租賃模式 其臺班價格較貴；現(xiàn)場需配合強電箱變，審批手續(xù)繁瑣及費用投入較大；市政工程項目占線長、周期短、使用頻率不均衡。

2.5.2 可在礦山、碼頭、堆場、拌和場使用

該條件下箱變能滿足充電要求；場地相對固定，滿足充電樁建設(shè)；工況滿足要求，環(huán)保要求高；使用頻率較高，2 年左右能收回機械投入成本，且保養(yǎng)成本降低。

現(xiàn)有電池技術(shù)不成熟，5 年左右電池衰減30%，若相關(guān)部門加強政策引導(dǎo)，出臺配套設(shè)施，在建筑工地使用概率會大大提升。

3 結(jié)論及建議

3.1 提前做好低碳綠色建設(shè)謀劃布局

“碳達峰”和“碳中和”時間節(jié)點逐漸臨近，各行業(yè)各領(lǐng)域?qū)Φ吞寂欧畔嚓P(guān)要求落實會逐步向縱深推進。作為建筑行業(yè)，更應(yīng)該加快轉(zhuǎn)型速度，重視工程機械清潔能源推廣和引導(dǎo)工作，盡快實現(xiàn)建筑行業(yè)全過程低碳建設(shè)。同時要認清當前清潔能源工程機械推廣中存在的問題，及時采取糾正和改進措施。從目前推廣使用困難看，行業(yè)管理方面缺少鼓勵清潔能源工程機械發(fā)展的相關(guān)政策與方針,例如建設(shè)主管部門缺少對清潔能源施工機械激勵措施，評優(yōu)評先中對清潔能源工程機械引導(dǎo)不足、企業(yè)信用加分項未涵蓋該內(nèi)容、采購清潔能源工程機械政府補貼缺少政策文件等。

3.2 促進行業(yè)健康有序發(fā)展

我國清潔能源工程機械起步較晚，目前在工程項目中使用率并不是很高，但從國家各項政策來看未來清潔能源工程機械必將成為工程建設(shè)發(fā)展方向。從現(xiàn)階段清潔能源施工機械使用來看，清潔能源工程機械從生產(chǎn)、使用、維修保養(yǎng)等全鏈條各環(huán)節(jié)缺乏統(tǒng)一的標準，對此應(yīng)抓緊制定新能源工程機械的工藝、性能測試、質(zhì)量控制、關(guān)鍵技術(shù)等相關(guān)標準來規(guī)范整個行業(yè)，進而推動行業(yè)健康發(fā)展。

3.3 完善和健全電動機械配套設(shè)施

電動工程機械取代現(xiàn)有燃油機械是趨勢。目前我國與清潔能源工程機械相關(guān)的配套設(shè)施還不完善，這也在很大程度上阻礙了清潔能源工程機械行業(yè)的發(fā)展。一方面需要加快清潔能源工程機械相關(guān)配套設(shè)施建設(shè)。一些城市公用充電站、技術(shù)維修站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)遲緩，導(dǎo)致充電的效率不高，對故障車輛維修不及時；另一方面國家開始鼓勵地方建設(shè)換電站等相關(guān)設(shè)施，結(jié)合相關(guān)要求各地應(yīng)建設(shè)能夠快速更換電池的換電站，通過直接更換電池為工程機械提供更加充足的動力，減少在充電方面的時間損耗。同時延長清潔能源工程機械電池的使用壽命是最急需解決的關(guān)鍵問題，由于清潔能源工程機械電池的造價比較高，導(dǎo)致很多企業(yè)并不愿意更換電池，這也在無形中對清潔能源工程機械行業(yè)的發(fā)展造成了限制。