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新能源动力——工程机械新未来

新能源动力——工程机械新未来

作者:admin    来源:未知    发布时间:2021-08-18 04:56    

  在全球能源消耗和环境污染的严峻形势下,各国都在争先恐后的开展工程机械节能减排工作。在“十三五”规划、“863”科技计划、“中国制造2025”发展战略下,我国工程机械减排和降耗工作面临着巨大的压力和挑战。另一方面,随着排放标准的不断提升,降低燃油消耗,进而降低用户使用成本,是企业提高产品的核心竞争力和实现可持续发展的关键。

  2021年两会政府工作报告指出:要扎实做好碳中和,坚持绿色发展。“碳达峰、碳中和”概念在各行各业不断宣贯,成为社会关注的重点议题。在节能减排的产业变革背景下,工程机械产品的节能减排需求更为迫切。工信部在2020年发布了《推动公共领域车辆电动化行动计划》,工程机械电动化、绿色节能发展将是行业未来发展的主流趋势。

  目前国家宏观政策和企业战略布局都在大力助推了这一新趋势继续朝纵深方向攻坚发展。国内头部企业已经成功研发并推出了节能减排新能源产品,但目前处于市场推广期,并未形成完整成熟的商用产业链和相关配套企业;主机厂和研究院研发人员探索的新能源应用主要集中在提高机械元件的性能、改进液压系统等方面,尚不能从根本解决工程机械能耗高、排放大、效率低、高污染的问题。

  行业主要品牌厂商均已意识到新能源动力将成为工程机械绿色发展的重要方向之一,特别是2020年12月28日,生态环境部正式批准发布《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求(发布稿)》,非道路内燃机国四排放将于2022年实施,电动化将进入快速发展阶段。面对这片“蓝海”,截至目前,国内多家工程机械企业纷纷着手布局设备新能源,并陆续推出新能源动力产品,品类和数量也在不断增长。

  随着《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》政策的逐步推进,环保趋势愈发严格,工程机械转向环保的新能源动力发展已是大势所趋,这必将让更多的工程机械企业向工程机械新能源动力研发增加投入资源。工程机械新能源从现实走向实践的步伐,预计速度将会加快。

  随着国家相关政策的逐步推进,尾气排放标准愈发严格,工程机械广泛使用柴油内燃机提供动力,长期存在耗能高、热效率低、污染环境等问题。行业乐观预计,随着电池能量密度、电控技术、机电匹配传动技术的不断成熟,绿色环保、节能减排、质量可靠、维护简易的电驱动工程机械更加符合低碳经济的要求,发展电驱动工程机械对能源动力转化、国际化竞争、产品转型升级和我国实现碳中和目标具有重要意义。此外,我国在电动技术与欧美日技术代差相比内燃机较小,局部领域甚至有技术比较优势,大力发展电动机械设备,有助于我国行业赶超欧美日标杆企业,规避内燃机、变矩器等核心部件的劣势,利用百年不遇的历史机会,有希望实现弯道超车。

  第三,国内外在城市中心、密集施工场站、高原缺氧施工环境以及水利等特定区域也急需纯电动工程机械产品。因此,工程机械行业电动化大有可为。对于工程机械电动化的发展,在技术上,我国已经有完全能够替代工程机械领域的发动机和部分液压传动系统;在商业模式上,通过车电分离、电池租赁模式可解决用户对购置成本、续航里程等的担心。

  当前新能源工程机械技术正处于快速发展期,以挖掘机装载机汽车起重机为主导的工程机械电动化趋势刚迈入发展快车道。但是由于电驱动工程机械产品应用较少,相比内燃机,动力成本劣势较大,主要表现是动力电池成本、电气控制系统成本较高,价格劣势明显,成为制约电动机械设备市场发展的重要原因。

  从产品的角度,目前电动工程机械应用集中于特定工况或应用场景,仍处于市场培育期。除此之外,工程机械的工作环境恶劣,普遍具备高温、高寒、大粉尘、强振动的恶劣作业环境因素,这对电池、电机、电控系统提出了极高要求。未来电动化产品真正推广落地,仍需要较长时间的技术迭代、实践检验和市场培育。

  在外部环境方面,当前国内工程机械电动化刚刚起步,缺乏成熟行业标准,面临的难题与汽车行业初期类似,主要在于电动化基础设施不足、工作场景限制,工程机械设备难以实现长距离、长工时使用,需要频繁充电,配套设施匮乏。因此,为了解决工程机械电动化的发展瓶颈,需要相关政府部门尽快制定有关鼓励支持工程机械电动化、助推工程机械行业绿色发展的政策。除此之外,行业协会作为具有公信力和社会影响力的第三方机构,在助推工程机械电动化,构建工程机械行业绿色制造体系进程中应起到重要的作用。

  国内头部工程机械企业已密集对节能减排技术进行不断探索,很多企业已经在动力源改善、匹配与控制改善、再制造技术、新能源的使用等方面取得一定的进展,不少企业已推出、上市新能源动力产品,随着产品技术不断迭代升级,节能减排成效明显。但随之而来的是新的问题和挑战,其中电传动方式下的电池能量密度低、续航时效短、蓄电池报废后的污染处理、交流电源的辐射危害和作业区域限制、天然气作为动力燃料气源不足、安全防爆等问题。

  电气化工程机械多以大功率的电动马达代替了发动机,主要应用在一些大型的工程机械产品中,经实践证明,应用电驱动工程机械在一定程度上可以降低能源消耗大的问题,同时,改善对环境造成的污染,该工程机写最突出的特点就是采用的是电网能源,实现了零排放噪声小以及能源消耗较少的优势。

  相比柴油内燃机,天然气内燃机动力构成增加了燃气发动机,气瓶气化装置和管路。通过相关的调整,使天然气介入燃气发动机中,然后在发动机装置中做进一步的调整,调整工作完成以后,使发动机所有的动力传递到耗功装置,实现最后的功力输出。

  工程机械常用的混合动力分为油电混合,油液混合以及油电混合三种形式,由于电动机辅助,所以与传统的柴油机相比,产生的功率较小;电动机运行时,柴油机可以在低耗油低排放的区域上运行,从总体上来看,混合动力工程机械和传统的内燃机工程机械相比,在一定程度上可以降低能源的消耗,也可以减少污染物的排放。

  目前我国在新能源工程机械领域已经开始市场化和产业化,已初步形成了新能源工程机械研发和技术体系;主要品牌厂家均已推出产品已经满足了人们对于车的所有要求;生产方面,一些新能源工程机械产量可以实现小批量销售和生产。

  但是在取得这些进展的同时,也存在着一些问题,需要进行解决:我国新能源工程机械发展起步时间较晚,政府和相关企业对该方面的投入较少,使得我国新能源工程机械的发展与国际水平存在着一定的差距;新能源工程机械的关键零件的生产链尚未形成,需要不断地提高产业化的能力;我国缺乏相应的鼓励政策和措施;为了更好地促进新能源工程机械的开发和推广,相关部门和行业应在工艺标准、性能测试标准等方面建立和完善新能源工程机械的相关标准。

  铁金刚集团研究院新能源团队在综合分析国家和行业发展政策、主机研发动向和国内外燃料电池技术情报后,得出以下结论。第一,工程机械油耗大,排放密度大,对环境的污染非常严重,在国家能源转型升级与环保的双轮驱动下,加快工程机械的节能减排已经成为该行业的目标任务;第二,基于氢燃料电池具有全程零排放零污染、续航时间长和能量密度大的比较优势,燃料电池相比传统蓄电电池在工程机械行业的未来应用有望大展宏图。

  工程机械作为非道路移动机械,设备保有量自2017年以来快速增加,设备保有量已超过800万辆,每年还在以40万辆的速度增加,其中绝大多数是以传统柴油为动力来源,基本实现了国三非道路排放标准。巨大增量市场下,氢燃料电池设备有巨大的替代空间,目前行业头部企业开始将氢燃料电池应用于工程机械,氢燃料电池有望成为工程机械领域动力转型的主要方向之一。

  根据《中国移动源环境管理年报(2019)》,从工程机械占非道路移动源污染物排放的比例来看,工程机械排放HC达28.9万吨,占比37.9%;排放NOx达175.3万吨,占比31.1%;排放PM达11.4万吨,占比25.8%。其中又以装载机挖掘机叉车的污染物排放量占比最高,三者排放量总和占据了全部机种的九成以上。

  氢燃料电池最大的特点就在于“零污染、零排放”,采用了氢燃料电池对设备进行驱动,加注氢气作为电池燃料,设备运行过程中生成水,再以液态水的状态排放出来,无色无味,没有任何污染。它与纯电动驱动相比,续航里程更长,加装一次氢气可基本满足多数工况的运营需求。单次充氢时间仅需8~15分钟,单次充氢可满足重载车辆行驶400km以上。与柴油和电动驱动相比,氢燃料电池具备零排放、重载、远距离/长时间运行的优势。

  氢能源电池的能量转化过程不涉及燃烧,无机械损耗,能量转化率高,产物仅为电、热和水蒸气,无其它污染性排放物存在,运行平稳,无振动和噪音,对减少大气污染、改善城市环境和降低能源消耗等有着重要意义。

  虽然燃料电池工程机械应用前景可期,但在投入商用化之前尚需克服众多困难。譬如需要持续对建筑机械特性和环境应用进行技术开发和完善。建筑机械与乘用车或商用车相比,在负载、控制特性、动力传动和发动机运转机制上均存在差异,同时工作环境恶劣,现场还会有高低温、震动和粉尘。工程机械领域也在一直探索并研究氢燃料电池的应用技术,但是由于工程机械的使用环境和使用条件,目前还处于产品初期迭代和市场培育阶段。

  氢燃料电池有望成为工程机械领域动力转型的方向之一。作为“耐用品”+“生产工具”+“重资产”,工程机械的动力源选择与设备的生命周期内运营成本密切相关,这包括采购成本、能源成本、维修成本、人力成本、使用寿命等。因此,氢燃料电池在运营成本上具备一定的比较优势。

  以装载机为例,根据能源差异,目前市场上装载机有燃油装载机、纯电装载机及氢燃料电池装载机。其中纯电装载机及氢燃料电池装载机相对燃油装载机在综合使用成本上优势明显:纯电动方面,基于电和柴油的能耗差异(用电单价用平时段0.725元/度,0号柴油零售价格7.50元/升计算),纯电动装载机的使用成本显然要远低燃油装载机;氢燃料电池方面,加氢只需5-15分钟即可保持恒定功率输出,就可以确定高强度连续作业,与内燃机设备表现相当,如果将氢燃料电池折旧、可回收等因素叠加进去,氢燃料电池装载机的综合使用成本甚至低于纯电动装载机。在国外根据韩国工程机械行业的测试数据,燃料电池挖掘机运行成本比柴油挖掘机便宜。柴油挖掘机每小时消耗燃料2.96L(4,144韩元),燃料电池挖掘机每小时消耗燃料4,736L(3,383韩元)。【备注:柴油价格1,400韩元/升,氢气价格0.71韩元/升(1kg氢气价格= 8,000韩元,1kg氢气量= 11,200L)】。

  目前国内工程机械保有量巨大,且每年还在高增加,设备产品种类繁多,且每种设备搭载的氢燃料电池系统和电池容量都会不同。按照平均单机搭载氢燃料电池系统50kW和带电量100度测算,每年新增的工程机械产品将带来庞大的氢燃料电池系统需求,市场潜力巨大。

  氢燃料电池在工程机械潜在市场规模巨大,但是目前行业应用依然有不少困难和障碍。首先,技术成熟度较低,应用仍需要技术积累和迭代。技术可靠性和规模效应能够有效降低氢燃料电池产品的使用成本和故障率。目前国内氢燃料电池发动机使用寿命最好表现为2.5万小时左右,理论上每天工作时长为10小时,全生命周期接近7年。但是,按照实际常见工况即设备24小时不停运行,全生命周期将不到3年甚至更短。因此要满足工程机械市场的基本需求,氢燃料电池系统寿命还要大幅提升才行。

  其次,工程机械需要较大瞬间输出功率,目前国内燃料电池大功率系统的稳定性和可靠性还需继续经历市场和时间的检验。第三,氢燃料电池工程机械购置成本、用氢气成本仍然很高。与柴油发动机维保十分便利相比,目前氢燃料电池工程机械设备维保时效性也很难做到。其四,便利的加氢网络是氢燃料电池工程机械推广的先决条件。目前国内还没有建立起相对完善的加氢站做基础配套。

  总而言之,氢燃料电池在工程机械设备的应用已经显示出较大比较优势,氢燃料电池工程机械市场的应用也在快速扩大,在国家开始积极推动“碳达峰、碳中和”战略目标和背景下,行业头部企业纷纷积极推动工程机械领域动力能源的转型,制定、实施新能源5年规划目标,计划发展成为国内成熟的氢能整体解决方案提供商。随着政策逐步推进,环保审核愈发严格,氢燃料电池在工程机械领域的应用有望快速扩大。

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