未来的建筑机械，未来的替代动力

一旦提到建筑业的替代动力，热议的核心话题都是……柴油。

柴油是工地上最常用的动力——根据柴油技术论坛的数据，美国建筑业的能源用量有 98% 来自柴油。

但是，随着全球大力倡导到 2050 年实现净零排放，建筑业制造商必须想方设法减少柴油产生的碳影响。目前考虑实施的一系列解决方案包括：完全替换柴油发动机，重新配置发动机使用低碳燃料，以及尽可能提高柴油发动机的效率。

所有这些方案都是必需的。

因为各方面都面临挑战。建筑业与某些行业不同，其并不依赖于某一种核心设备，而是依赖于一个庞大的车队，从小型挖掘机到大型非公路载重车。施工现场可以从曼哈顿中城区到怀俄明州的乡村。这就是为什么现在有这么多的柴油替代品，包括电力、氢气、生物柴油和其他生物燃料。而且，在未来十年左右的时间里，这当中的某一种（或多种）柴油替代品将会成为具有最大长期潜力的产品。 

“未来会有什么？这些替代产品很有可能都会出现，”康明斯建筑市场总监 Jeremy Harsin 说道，“而通过结合工作周期和可用基础设施，将决定哪种替代品会胜出，但它们可能都会在市场上占有一席之地”。

AEM致力于发挥积极作用，审视和塑造未来建筑业的共同愿景，从而提供设备解决方案和见解，帮助建筑行业取得成功。为了支持这一目标，我们发布了《建筑业的未来》白皮书，重点介绍了未来几年影响建筑业的最重要趋势。 

“未来会有什么？这些替代产品很有可能都会出现。通过结合工作周期和可用基础设施，将决定哪种替代品会胜出，但它们可能都会在市场上占有一席之地。 — Jeremy Harsin，康明斯

整个世界正在实现电气化

借助一个能提供与柴油动力设备相同启动力的平台，同时实现零排放、低噪音、即时响应以及减少故障部件数量 — 这让电力听起来就像一个大赢家。

因此，建筑业大部分的替代动力活动都集中在电气化方面，尤其是在紧凑型设备领域。 

沃尔沃建筑设备公司产品管理和生产力副总裁 Ray Gallant 表示：“电池的功率密度一直在增加，我们也看到了许多不同的技术，它们能够更好地利用电池能量。”

Off-Highway Research董事总经理 Chris Sleight 表示：“随着机器开始商业化，整个世界正在实现电气化。”Sleight 补充道，虽然与柴油机相比，电动机器现在相当昂贵，但“到了一定时候，经济方面的论据将会出现”。

电动设备的选择肯定会越来越多。例如，沃尔沃今年开始在北美销售电动紧凑型挖掘机和轮式装载机，近期又将其产品种类扩增到五种。

此外，大中型建筑设备也在迈入电气化的进程。例如：

Case Construction Equipment 和约翰迪尔公司推出的电动反铲挖掘机

Doosan Bobcat 的全电动 Bobcat T7X 紧凑型履带装载机

Liebherr 220 吨级 LR 1250.1 不插电起重机

Royal BAM Group 改装的采用可更换电池组的 Vogele 沥青摊铺机

沃尔沃 22 吨级  EC230 电动挖掘机（尚未投入商用）。

不过，电动机器也有一些明显的缺点。对于承包商来说，最关键的是每次充电的运行时间和充电时间有限。

目前，大多数原始设备制造商规定，紧凑型设备的“平均”运行时间为 6 到 8 个小时，整晚充电时间为 8 个小时。这种情况下，如果不充满电，操作人员会担心一台带有破碎锤的挖掘机无法工作一整天。不过，需要注意的是，电动设备不会空转，而是关机。这就改变了电动设备的“运行”时间，使其仅在活动状态下运行，从而延长正常运行时间。 

虽然美国的电动充电基础设施是所有替代能源中最发达的，但如今的电动汽车车主在进入农村地区时仍会对续航里程感到焦虑。由于许多施工现场甚至没有接入电网，许多原始设备制造商同时还会一同售卖电动机器的充电器。目前，太阳能充电技术也正处于研究阶段。

同时，就电池本身而言，电气化在可持续发展方面的有力论据则不攻自破。首先，制造电池需要提取多种矿物质，包括铜、锂和镍。

其次，如果正确处置报废的电池，这仍然是个问题，更不用说电池材料还有剩余价值。Cat公司就表示，其正在考虑将大功率应用领域采用的电池重新用于低功率的二次利用。

电动机器还需要经销商返修零部件和提供服务，并对技术人员进行培训。Sleight 表示：“几十年来，这个行业一直围绕柴油发动机和液压系统发展，而现在它必须快速转向电池、电机和执行器。”

此外，剩余价值是任何设备成本方程的核心；电动设备或任何替代动力设备的价值能否在转售市场上站稳脚跟，目前尚无定论。

氢将通过两种形式得以使用

Gallant表示：“除电力以外，氢气也是最受关注的替代动力之一。它在短期内最有潜力，尤其是对于大型机器而言”。

目前的建筑设备原型有两种使用氢气的方式：一种是用作燃料电池为电池驱动的电动机器充电，另一种是直接为内燃机提供燃料。

在氢燃料电池中，氢气和氧气发生反应产生电能，唯一的副产品是水。第二种方法是将氢直接用作发动机燃料，就像柴油一样。

Harsin表示：“人们对氢气火花点火发动机肯定很感兴趣，而我们也很激动有这种产品，因为它与我们目前使用柴油为动力的某些工作是紧密相连的。”

虽然氢气必须在低温条件下压缩和运输，但 Sleight 表示：“它是一种便携式燃料，所以你可以把它送到需要的地方”。

但氢能发展同样面临基础设施配套不足的问题。在美国能源部提供的这张图表上，几乎找不到氢燃料加注站。而几乎所有的加氢站（约 70 座）都在加利福尼亚州。

目前，以氢燃料电池和氢燃料发动机为动力的建筑设备正处于原型开发阶段。其中包括：

JCB 20 公吨级 220X 挖掘机（燃料电池驱动类型）、反铲挖掘机和叉车（发动机驱动类型）。

沃尔沃刚刚发布的 HX04 铰接式卡车原型（燃料电池驱动类型）

现代挖掘机和叉车（燃料电池驱动类型）

三一自卸卡车和搅拌车（燃料电池驱动类型）

矿业和资源集团 Anglo American 推出的 nuGen Komatsu 930E 291 吨级矿用卡车（燃料电池驱动类型）

低碳燃料可在同类基础发动机中使用

氢动力发动机还呈现了另一种减少发动机排放的方法：改造传统发动机，使其能够燃烧更清洁的燃料。

根据其支持者的说法，这种方法不需要全面改变施工现场的实践做法、机器部件或燃料加注基础设施。

今年，康明斯公司宣布其将生产一系列可燃烧天然气、氢气和柴油的长途货运卡车发动机，这种发动机可使用的燃料不限定。每个发动机平台在汽缸盖垫片以下部分的零部件都相同，而在汽缸盖垫片以上部分的零部件则相应有所变化，以适应不同的燃料。

这种方法具有规模优势，因为许多零部件都是相似的。Harsin 表示，由于康明斯通常采用跨平台技术，因此这种方法有望用于非公路用发动机。

ClearFlame Engine Technologies 也是一家采用发动机改装方法的公司。

ClearFlame公司首席执行官兼联合创始人 BJ Johnson 说道：“要想使柴油发动机使用的燃料不限定，有一种方法是使其温度足够高，这样就可以转动任何东西。当你将燃料喷注系统放置在一个温度更高的环境中，就能获得与柴油媲美的动力性能，同时又能获得燃烧更清洁燃料所实现的排放优势。”

ClearFlame表示，经过改装后，90% 的原柴油发动机零部件保持不变，并且这些经过改装的零部件已在使用E98 乙醇作为燃料的长途货运卡车上进行了测试，使二氧化碳排放量降低了 45% 至 50%。

该公司的下一个目标是改装非公路用品那发动机。ClearFlame 与 A 轮投资者约翰迪尔公司合作进行试点示范，将在 9 升发动机上使用其改装零部件。

Johnson说道：“无论是拖拉机、联合收割机还是挖掘机，发动机仍然只是大型机械心脏中的一个动力装置。”尽管 ClearFlame 称其技术可以依托各类可再生燃料，但乙醇的随时可用性使其成为领跑者。

“我们正在利用柴油机圆满完成多项作业。我们的目的是为了降低总体排放量。并非所有设备都得实现零排放。”— Ray Gallant，沃尔沃建筑设备公司

不要忽视柴油发动机

撇开现行市价和世界政治稳定问题不谈，柴油机仍然是建筑业的中坚力量。

康明斯表示，尽管人们认为“柴油机脏”，但值得提醒的是，与 1 级发动机相比，如今的 4 级最终发动机可减少96% 的氮氧化物和 97% 的颗粒物。

Harsin表示，到本十年期末，美国也有可能出台第五阶段排放法规。加利福尼亚州已经讨论在 2024 年颁布第五阶段法规，并计划在 2028 年开始实施。Harsin 说道：“我确信，针对非公路领域的温室气体排放法规即将出台。”

另一个要考虑的因素是：建筑业的老旧机械正在逐步退役停用。建筑机械的使用寿命相对较长；在施工现场，仍然可以看到有很多使用满足第三阶段排放要求的发动机驱动的机器在工作。例如，Cat 估算其现场设备的平均年龄为 11.3 年。

Harsin表示，逐步淘汰老旧机械也将减少排放，特别是考虑到第三阶段和第四阶段之间的排放量将大幅减少。

“我们正在利用柴油机圆满完成多项作业。我们的目的是为了降低总体排放量。并非所有设备都得实现零排放，”Gallant 说道。 

解决这个问题需要耐心和实验

在寻求替代动力的过程中，还附带一些问题。这其中包括经销商服务的重新配置、技术人员培训以及最终用户的接受度。  

政府也将通过颁布激励措施或法规发挥其关键作用。例如，最近通过的《基础设施改善与就业法案》指定将75 亿美元用于建设全国电动汽车充电网络，另外 80 亿美元用于建设至少四个地区性清洁氢气示范中心。

最重要的是，对于终端用户来说，替代能源必须具有经济效益，即使成本方程与可持续发展目标和激励措施相调和。

Sleight指出了替代能源存在固有的“因果难定”特性：在达到一定规模之前，替代能源在经济上是不可行的，而除非经济效益可靠，否则是不可能达到这个规模的。

Gallant自称是一个乐观主义者：“我确实认为我们可以在未来实现 30% 到 40% 的零排放，但这必须是全球共同努力的结果。”

Johnson补充道：“柴油发动机在如此众多的应用领域中占据主导地位，这就是最好证明。没有一种解决方案能够满足所有要求，尤其是在未来几十年间。这不是什么灵丹妙药，而只是一枚大号银铅弹而已。”

责任编辑：Roy Zheng