电动工程机械推广应用研究

聂 浩，沈文平

（南京市市政工程质量安全监督站，江苏 南京 210037）

当前，工程机械大多以化石燃油机械为主，排放大量高污染气体，与当前国家提倡的低碳排放新理念相违背。所以开展清洁能源工程机械研究正当其时、也非常必要。本文从分析当前清洁能源工程机械优缺点和实际使用数据入手，试点先行、总结评价，为今后推广清洁能源工程机械提供更多理论支撑和实践经验。

1 清洁能源工程机械种类及优缺点

以柴油为燃料的工程机械，其燃烧效率仅为35%～40%，也造成大气等环境污染和噪声污染，与当前碳达峰、碳中和目标理念相悖。为适应低碳绿色发展理念，工程机械生产厂家逐步转变认识，开始加大清洁能源工程机械生产研发投入。目前市场上使用清洁能源工程机械主要以氢燃料电池、LNG 燃气发动机、电动等工程机械。这些工程机械优缺点总结如下。

1.1 氢燃料工程机械

主要燃料类型为氢，是将化学能转化为电能，该电池安全性高（电池内的电堆能量很少，电堆出问题时只要把氢气切断即可），转化效率更高、清洁无污染、使用噪声污染小。氢燃料电池主要特点是发电热效率约70%，质量能量密度达500～700Wh/kg，体积能量密度达1 000～1 200Wh/L[2]。但是从实际使用看，氢燃料电池中关键技术材料铂的成本较高，导致制造成本要比燃油车、锂电池车要高得多，所以如能把关键材料成本和用量降低的话，氢燃料电池将比锂电池使用成本低。氢燃料电池还需要从氢原料的获取、储存和运输等技术层面突破，待技术成熟后氢燃料工程机械将成为建筑行业使用的主流产品。

1.2 液化天然气（LNG）工程机械

液化天然气工程机械工作原理与普通柴油机类似，是将天然气经过低温冷凝处理后为发动机提供动能。但液化天然气工程机械与燃油工程机械也有很多不同之处，其碳排放物、氮排放物明显减少，液化天然气能量密度高更有利于长久续航，此外液化天然气使用成本较低、经济性较好。有研究表明，液化天然气工程机械可使排放的CO2减少23%，SO2减少70%，CO 减少50%。但液化天然气作为工程机械燃料，存在一些问题:①安全性不高，液化天然气使用有压气瓶，温度急剧升高会通过阀门释放内部压力，使用中会存在一定安全风险；②工况适用性受限，液化天然气工程机械由于受安全性影响，严禁在相对密闭空间使用或作业；③动力输出不稳定，液化天然气工程机械在大负载时，动力响应速度慢，不能很好地适应负载变化[3]。由于目前国内天然气主要依赖于进口，加之液化天然气燃烧仍然排放一定CO2污染气体，所以一些工程机械生产厂家不把LNG 工程机械作为研究方向，仅作为当前过渡阶段使用的工程机械。

1.3 电动工程机械

电驱动工程机械是采用蓄电池给电动机供电，其使用过程中碳排放几乎为零[1]。所以世界各国开始发展纯电动工程机械产业，以缓解能源短缺之困，降低环境污染。电动工程机械在地铁隧道、污水箱涵等密闭空间使用具有较高的实用性，因为这种机械在空气流通不畅的工况环境下没有尾气排放和发动机噪声污染，机械施工效率高，对操作员健康损害大大降低。但电动化工程机械受电池成本高、电池安全性差、配套充换电设施不足、续航里程短等因素影响，电动工程机械产业处于起步之初，随着各生产厂家研发投入增加，即将会有更多电动化大型工程机械在城市建设中使用。

从以上分析可以看出，电动工程机械虽然处于起步阶段，但一些工程机械制造厂家已经研发出适用工程建设所需的机械设备，像渣土车、混凝土搅拌车、小型桩工机械等，这些机械技术相对成熟，已在城市工程建设过程中逐步推广使用。

2 试点案例

2.1 试点基本情况

本文中试点的工程机械采用电动装载机（型号XC958-EV），铲斗容量3.2m3，现场租赁和自购各1 台电动装载机，同时还配有同型号燃油装载机。于2021 年7～11 月，依托某施工企业在南京某码头技改工程中展开试点使用。

2.2 自购和租赁模式比较

租赁工程机械一般按月支付租赁费，每月租金约3 万元（年租金约35 万元），日常维修保养费用和机械使用问题由租赁单位承担，其充电桩也是由租赁单位提供，较自购机械综合使用成本相对较低。

自购工程机械一次采购费约为95 万元（电池成本约为机械购置费50%），自购充电桩约10 万元（不含供电公司扩容相关费用），工程机械质保2 年、电池质保5 年，综合分析采购成本较高，一次性投入较大。

2.3 经济性分析

1）燃油类工程装载机 车辆购置价格35 万元，车辆保险约2.0 万元，车辆维修费约3.5 万元，每天运行时间按8h 算，能源消耗为14L/h，年运行天数300 天，平均能源价格按7 元计，平均每天能源消耗费用为784 元，综上单车年均费用为23.52 万元。

2）电动装载机 车辆购置价格95 万元，车辆保险费约1.5 万元，车辆维修费约2.0 万元，每天运行时间按8h 算，每小时能源消耗36kWh，年运行天数300 天，平均能源价格按1元计，平均每天能源消耗费用为288 元，综上单车年均费用为8.64 万元。

2.4 总体性评价

2.4.1 操作性评价

司机通过对电动和燃油装载机实际操控，电动装载机操作相对灵敏，操控简单，舒适高，养护成本低，动力强劲，噪音小。

2.4.2 使用性评价

1）工作效率方面 电动装载机持续工作时间较燃油装载机较弱，但根据作息时间安排，电动装载机在工作效率方面强于燃油装载机。

2）动力方面 电动装载机动力和制动性方面稍强于燃油机械。

3）性价比方面 电动装载机及充电桩配套一次性投入成本较大，约为燃油装载机的3 倍，采购成本高；但根据同等工况下，使用过程中燃油装载机产生的费用约为电动的3 倍，工作时间越长其性价比较燃油装载机越高。

4）维修保养方面 电动装载机在后期维护保养方面，因其采用电机控制系统，结构简单，免去了保养空滤、机油滤、柴油滤等维护成本，节省维护成本，维护成本约为燃油装载机的0.6倍。

5）其他方面 电动装载机在使用过程中，产生的噪声小，比燃油版本产生的噪声小15dB 左右，使用过程零排放。

2.5 推广使用建议

2.5.1 市政工程不建议使用

1）自购模式 一次性投入成本较大，因其充电桩功率需求大，需要与电力部门协调大功率配电，造成投入成本增加较多；市政工程项目大多以线状为主，现场作业面需要不停转换和推进，而充电桩一旦固定，就很难迁改，若车辆来回充电成本较高。

2）租赁模式 其台班价格较贵；现场需配合强电箱变，审批手续繁琐及费用投入较大；市政工程项目占线长、周期短、使用频率不均衡。

2.5.2 可在矿山、码头、堆场、拌和场使用

该条件下箱变能满足充电要求；场地相对固定，满足充电桩建设；工况满足要求，环保要求高；使用频率较高，2 年左右能收回机械投入成本，且保养成本降低。

现有电池技术不成熟，5 年左右电池衰减30%，若相关部门加强政策引导，出台配套设施，在建筑工地使用概率会大大提升。

3 结论及建议

3.1 提前做好低碳绿色建设谋划布局

“碳达峰”和“碳中和”时间节点逐渐临近，各行业各领域对低碳排放相关要求落实会逐步向纵深推进。作为建筑行业，更应该加快转型速度，重视工程机械清洁能源推广和引导工作，尽快实现建筑行业全过程低碳建设。同时要认清当前清洁能源工程机械推广中存在的问题，及时采取纠正和改进措施。从目前推广使用困难看，行业管理方面缺少鼓励清洁能源工程机械发展的相关政策与方针,例如建设主管部门缺少对清洁能源施工机械激励措施，评优评先中对清洁能源工程机械引导不足、企业信用加分项未涵盖该内容、采购清洁能源工程机械政府补贴缺少政策文件等。

3.2 促进行业健康有序发展

我国清洁能源工程机械起步较晚，目前在工程项目中使用率并不是很高，但从国家各项政策来看未来清洁能源工程机械必将成为工程建设发展方向。从现阶段清洁能源施工机械使用来看，清洁能源工程机械从生产、使用、维修保养等全链条各环节缺乏统一的标准，对此应抓紧制定新能源工程机械的工艺、性能测试、质量控制、关键技术等相关标准来规范整个行业，进而推动行业健康发展。

3.3 完善和健全电动机械配套设施

电动工程机械取代现有燃油机械是趋势。目前我国与清洁能源工程机械相关的配套设施还不完善，这也在很大程度上阻碍了清洁能源工程机械行业的发展。一方面需要加快清洁能源工程机械相关配套设施建设。一些城市公用充电站、技术维修站等基础设施建设迟缓，导致充电的效率不高，对故障车辆维修不及时；另一方面国家开始鼓励地方建设换电站等相关设施，结合相关要求各地应建设能够快速更换电池的换电站，通过直接更换电池为工程机械提供更加充足的动力，减少在充电方面的时间损耗。同时延长清洁能源工程机械电池的使用寿命是最急需解决的关键问题，由于清洁能源工程机械电池的造价比较高，导致很多企业并不愿意更换电池，这也在无形中对清洁能源工程机械行业的发展造成了限制。