探索氫能多元化發(fā)展路徑氫能燃料電池在工業(yè)車輛領(lǐng)域中的應(yīng)用

文|劉偉 陳海濤

氫能源是一種來源豐富，可被廣泛應(yīng)用的二次能源，是一種低碳綠色的能源載體，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的有效途徑。它具有零碳、高效、能源互聯(lián)媒介、可儲存、安全可控等顯著優(yōu)勢，在煉鋼、化工、交通、工業(yè)、建筑等國家支柱產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中，有望取代現(xiàn)有的焦炭、化石等能源。在全球能源向清潔轉(zhuǎn)型的大背景下，氫能的無碳屬性尤其突出，被視為是21世紀(jì)的“終極能源”，是碳中和的理想解決方案。

2022年3月23日，國家發(fā)展改革委發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》（以下簡稱《規(guī)劃》）?！兑?guī)劃》首次明確了多元化的發(fā)展思路，對氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出明確部署，要求統(tǒng)籌推進(jìn)氫能“制儲輸用”全鏈條發(fā)展，加快氫能技術(shù)研發(fā)和示范應(yīng)用，探索在工業(yè)、交通運(yùn)輸、建筑等領(lǐng)域規(guī)?；瘧?yīng)用。綜觀近十幾年來我國氫能應(yīng)用進(jìn)程，不難發(fā)現(xiàn)氫能在交通、熱電聯(lián)產(chǎn)、儲能等領(lǐng)域有眾多的企業(yè)、院校以及科研院所率先進(jìn)行了實(shí)踐和推廣，并取得了初步的成果，但在工業(yè)車輛及生產(chǎn)搬運(yùn)體系中卻鮮有參與。

工業(yè)車輛發(fā)展現(xiàn)狀

工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)中一個十分重要的物質(zhì)生產(chǎn)部門。工業(yè)的現(xiàn)代化程度及其發(fā)展規(guī)模，最終決定著整個國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平，而工業(yè)生產(chǎn)中的物資搬運(yùn)又決定著工業(yè)生產(chǎn)的效率以及規(guī)模。物資搬運(yùn)體系多數(shù)由工業(yè)車輛和裝載傳送裝備完成，傳統(tǒng)的物資搬運(yùn)體系的核心是工業(yè)車輛。

工業(yè)車輛是指用來搬運(yùn)、推頂、牽引、起升、堆垛或碼放各種貨物的動力驅(qū)動的機(jī)動車輛。其中包括叉車，叉車又包括前移式叉車、插腿式叉車、平衡重式叉車、跨車、側(cè)叉等。它們的特點(diǎn)是輪式無軌底盤上裝有起重、輸送、牽引或承載裝置，進(jìn)行游動作業(yè)。

■ 工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中常見的工業(yè)車輛

■ 2009—2020年國內(nèi)叉車銷售量占全球銷量比重

■ 2009—2020年全球與國產(chǎn)叉車銷售量年均增速對比

■ 2018—2020年全球叉車滲透率情況

整個工業(yè)車輛體系品類眾多，其中叉車數(shù)量居于首位，在工業(yè)生產(chǎn)活動中有著最為廣泛的應(yīng)用。因此，我們將以叉車為藍(lán)本，以氫能燃料電池叉車（以下簡稱氫能叉車）為案例，進(jìn)行氫能在工業(yè)車輛領(lǐng)域中的應(yīng)用分析。

我國工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模快速增長，叉車銷量增速全球領(lǐng)先

根據(jù)世界工業(yè)車輛統(tǒng)計聯(lián)盟（WITS） 發(fā)布的數(shù)據(jù)，2009年全球叉車銷量為56.6萬臺，2020年增至160萬臺左右，年均復(fù)合增速約為9.8%；我國國產(chǎn)叉車銷量由13.9萬臺增至80萬臺，年均復(fù)合增速為17.2%，增長速度全球領(lǐng)先。同時，我國國產(chǎn)銷量占全球銷量的比重由2009年的24.6%增至2020年的近50%，年均提升2.4個百分點(diǎn)。

2021年受全球新冠疫情影響，叉車銷售總量逆勢增長。世界工業(yè)車輛統(tǒng)計聯(lián)盟公布的2021年全球工業(yè)車輛統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年全球叉車銷售量創(chuàng)紀(jì)錄地達(dá)到2340587輛，比上年大增42.93%，交貨量1969410萬輛，比上年增長24.44%。而我國的叉車銷售總量也創(chuàng)紀(jì)錄地達(dá)到了103萬臺。

我國叉車產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大，市場潛力巨大

以叉車整車及全生命周期內(nèi)配套零配件每臺平均15萬元計算，國內(nèi)每年新增的叉車市場規(guī)模達(dá)到千億級規(guī)模，而存量市場更是高達(dá)萬億元規(guī)模。2018—2020年，我國每萬人叉車保有量從21臺增至29臺，高于全球平均水平，但仍遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家。其中歐洲每萬人叉車保有量在過去三年小幅上升，2020年接近70臺；日本、美國的叉車密度略低于歐洲，是我國的2倍以上。綜合來看，我國叉車在滲透率快速增長的同時依舊與發(fā)達(dá)國家有明顯差距，未來保有量增長空間巨大。

以叉車為代表的傳統(tǒng)工業(yè)車輛污染排放高

傳統(tǒng)工業(yè)車輛因技術(shù)水平及生產(chǎn)制造工藝相對落后，再加上生產(chǎn)活動中車輛數(shù)量多、集中使用且平均工作強(qiáng)度較大，不僅造成污染物排放高，而且對環(huán)境造成污染。以工礦企業(yè)生產(chǎn)中市場占有率最高的3噸級叉車為例，不同工況下，平均單車每小時柴油消耗量可達(dá)2.7～4.5升，年工作時長2400～3200小時。我們按平均油耗3.6升/小時、年平均工作時長2800小時進(jìn)行粗略計算，單臺叉車每年僅二氧化碳排放量就高達(dá)近30噸。

叉車等工業(yè)車輛普遍為集中使用的方式，在一個相對狹小的區(qū)域內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)幾十或幾百輛同時工作的情況，這樣會造成該區(qū)域污染排放集中，環(huán)境污染問題嚴(yán)重。以市場調(diào)研的造紙行業(yè)某企業(yè)為例，其生產(chǎn)使用的逾200輛叉車，二氧化碳年排放總量高達(dá)6000多噸。

在工礦生產(chǎn)中，如鋼鐵企業(yè)使用的叉車為7噸、10噸等中型叉車，而港口內(nèi)較多使用16噸、25噸、32噸等重型叉車及正面吊，這些車輛的排放與重型物流車不相上下，某些情況下甚至更高。

工業(yè)車輛特有屬性導(dǎo)致能源補(bǔ)給難

在港口及周邊地區(qū)、物流倉儲、冷庫、造紙、糧油、化工等需要物資頻繁搬運(yùn)的行業(yè)中都需要大量使用到叉車等工業(yè)車輛，叉車使用密度非常高，能源需求量大。工業(yè)車輛屬于場地作業(yè)車，按有關(guān)規(guī)定要求，工業(yè)車輛不得駛離作業(yè)場地進(jìn)入社會公共道路，所以急需工業(yè)車輛能源補(bǔ)給解決方案。

氫能在工業(yè)車輛的應(yīng)用中大有可為

氫能燃料電池動力系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)化效率高、功率輸出穩(wěn)定、系統(tǒng)穩(wěn)定、零排放、綠色環(huán)保、低噪聲及可在低溫環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)。加拿大、美國、日本、德國、澳大利亞、瑞典、英國等國家已經(jīng)優(yōu)先將氫能燃料電池動力系統(tǒng)應(yīng)用在叉車上并進(jìn)行了大量推廣。

國外氫能燃料電池行業(yè)的發(fā)展也證明了叉車是氫能產(chǎn)業(yè)優(yōu)先發(fā)展的方向。美國在氫能叉車領(lǐng)域相較全球其他國家和地區(qū)率先進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化。氫能叉車是目前全球范圍內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作的氫能燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全球有8萬多輛氫能燃料電池車載具，其中近6萬輛是氫能叉車。2020年，美國上市公司普拉格能源以累計5萬輛氫能叉車的生產(chǎn)和運(yùn)營遙遙領(lǐng)先，其客戶包括亞馬遜、蘋果、沃爾瑪、寶馬、可口可樂、聯(lián)邦快遞等大型企業(yè)。截至目前，普拉格能源氫能燃料電池叉車已經(jīng)累計運(yùn)行超過10億英里，在美國的市場占有率為95%。從全球推廣規(guī)模來看，美國氫能叉車應(yīng)用發(fā)展勢頭遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于氫能燃料電池客車、轎車，且規(guī)模明顯領(lǐng)先于歐洲、日本等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體，在全球氫能叉車應(yīng)用領(lǐng)域具有示范意義。

目前，我國氫能叉車也開始進(jìn)入批量生產(chǎn)及商業(yè)化應(yīng)用的初級階段。例如，天津新氫動力、上海捷氫、喜馬拉雅、翼訊創(chuàng)能等公司都研發(fā)制造了各型樣車或進(jìn)行了相應(yīng)的示范應(yīng)用。

在工業(yè)車輛中應(yīng)用氫能后碳減排效果顯著

以國內(nèi)首個氫能燃料電池叉車替換內(nèi)燃機(jī)叉車為例，37輛氫能燃料電池叉車，120個工作日內(nèi)工作總時長5萬小時，每臺平均11.36小時/天，可減排二氧化碳473.4噸。據(jù)此推算，年二氧化碳減排量可達(dá)近1500噸，減排效果十分顯著。

氫能工業(yè)車輛相較于其他氫能道路車輛能源補(bǔ)給便捷

氫能道路車輛的能源補(bǔ)給即氫氣的加注，受限于基礎(chǔ)設(shè)施（加氫站）過少，應(yīng)用推廣上一直是個痛點(diǎn)。而加氫站由于受審批手續(xù)冗長、建設(shè)費(fèi)用高昂、氫氣長途運(yùn)輸困難等因素困擾，短時間內(nèi)難以大范圍建設(shè)。因此，氫能道路車輛推廣還需要較長時間的發(fā)展過程。而叉車等工業(yè)車輛屬于場地作業(yè)車，能源可依照企業(yè)自用的相關(guān)法規(guī)進(jìn)行補(bǔ)充，可率先在氫能應(yīng)用領(lǐng)域大范圍推廣。

我國是世界工業(yè)車輛產(chǎn)量大國，氫能應(yīng)用前景廣闊

我國基礎(chǔ)工業(yè)生產(chǎn)以及倉儲物流業(yè)高度發(fā)達(dá)，市場體量巨大，叉車是這些產(chǎn)業(yè)不可或缺的生產(chǎn)工具，是個典型的藍(lán)海市場。2020年，我國新增叉車銷售量為800239臺，2021年國內(nèi)新增叉車銷售量更是達(dá)到了103萬臺，這意味著我國叉車每年新增市場規(guī)模已達(dá)千億元，存量市場更是高達(dá)萬億元。因此，從具體應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行綜合評估，氫能燃料電池叉車行業(yè)或?qū)⒊蔀榈谝粋€進(jìn)入爆發(fā)式增長的氫能燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域。

■ 37臺氫燃料電池叉車運(yùn)行時長及二氧化碳減排數(shù)據(jù)

氫能燃料電池叉車優(yōu)勢

蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代物料搬運(yùn)業(yè)經(jīng)常需要高強(qiáng)度連續(xù)作業(yè)（氫能燃料電池續(xù)航時間長及輸出功率恒定），而物料搬運(yùn)對清潔環(huán)保的要求越來越高；機(jī)場、港口要求綠色化、智能化，大型倉儲物流中心更多地采用全封閉結(jié)構(gòu)，特別是對于食品、藥品、化妝品等對環(huán)境敏感性的商品。氫能燃料電池可以真正做到全程零排放、零污染。另外，電子商務(wù)普及、外賣業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展等也推動了冷鏈物流快速發(fā)展，因此也需要物料搬運(yùn)設(shè)備能夠適應(yīng)低溫環(huán)境以及溫度沖擊，而氫能燃料電池在低溫條件下性能和效率均高于鉛酸及鋰電池。因此，氫能燃料電池叉車在港口、機(jī)場、大型物流中心、冷庫、造紙廠、鋼廠、化工等行業(yè)具有明顯優(yōu)勢。

除在應(yīng)用行業(yè)的優(yōu)勢外，相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和蓄電池叉車，氫能燃料電池叉車本身也具備較為顯著的技術(shù)優(yōu)勢。

一是工作效率高。氫能燃料電池是化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，效率比傳統(tǒng)內(nèi)燃叉車提高30%。蓄電池叉車工作過程中電壓會逐漸降低，造成工作效率降低，氫能燃料電池叉車輸出穩(wěn)定，可使車輛在工作周期內(nèi)保持最佳性能。

二是使用成本低。電動叉車先儲后放，消耗電能的成本要比內(nèi)燃叉車消耗的柴油的成本等低很多，氫能燃料電池叉車則更低。氫能燃料電池叉車批量化生產(chǎn)后全生命周期成本更是低于內(nèi)燃叉車和電動叉車。同時，相較于其他氫能車輛，氫能叉車成本低廉（約低于氫能道路車輛成本20%），更易被市場接受。

三是使用更環(huán)保。叉車大部分應(yīng)用場景為室內(nèi)密閉空間，燃料電池運(yùn)行安靜，基本無噪聲，也不會產(chǎn)生廢氣，徹底改善了內(nèi)燃叉車令人厭惡的廢氣排放及所導(dǎo)致的庫房空氣條件惡劣等弊端，利于庫內(nèi)養(yǎng)護(hù)和人員健康。氫能燃料電池不存在環(huán)境污染問題。

四是節(jié)約時間和空間。氫能燃料電池叉車完成燃料補(bǔ)充只需3～5分鐘，而鋰電池叉車充電最短需要一小時以上，蓄電池叉車更是需要3～6小時，蓄電池叉車在晝夜連續(xù)工作時需要每天更換2～3次電瓶，增加了購買電瓶的額外費(fèi)用。氫能燃料電池不需要特定的電池室或充電設(shè)備，相比蓄電池叉車，可為物流配送中心節(jié)約5%左右的空間。

五是更強(qiáng)的功能兼容性。氫能叉車集內(nèi)燃叉車和電動叉車優(yōu)點(diǎn)于一身，既具有內(nèi)燃叉車優(yōu)秀的連續(xù)工作能力，又具有電動叉車使用過程中零排放的特點(diǎn)，并且還具有二者沒有的可95%以上回收再利用的優(yōu)點(diǎn)。

六是更高的工況適用性。氫能燃料電池叉車有更好的場景適用性。例如，對于工作環(huán)境為儲藏水產(chǎn)和果蔬等保鮮食品的倉庫，內(nèi)燃叉車工作時排放的廢氣會嚴(yán)重污染存儲食品。同時，由于工作環(huán)境溫度相對較低，蓄電池叉車的電損增加，工作效率下降，特別是在-25℃的工作環(huán)境下，蓄電池叉車將無法正常工作。而氫能燃料電池叉車可以較好地應(yīng)對上述特殊工況條件，具有更好的適用性。

七是更好的市場推廣性。氫能燃料電池叉車相比于道路運(yùn)輸車輛成本低很多，叉車屬于場地作業(yè)車，只要在場地內(nèi)建設(shè)自用氫氣充裝設(shè)備即可解決加氫難的問題。

■ X32氫能燃料電池叉車

國內(nèi)氫能叉車商業(yè)化應(yīng)用已破冰

2021年10月8日，中石化北京燕山石化接收了由天津新氫動力科技有限公司研發(fā)制造的37臺X32氫能燃料電池叉車。該批氫能燃料電池叉車主要用于燕山石化儲運(yùn)廠高低壓粉料、PIA包裝庫房及物質(zhì)裝備中心化學(xué)品庫區(qū)等場景對原有內(nèi)燃機(jī)叉車的替換。這類工況強(qiáng)度大，運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，對所使用的叉車性能要求較高。目前該批車輛已平穩(wěn)運(yùn)行近半年，工作效果較好。

截至2022年2月，首批37臺氫燃料電池叉車投入燕山石化的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)中后，平均每輛叉車工作時長已經(jīng)超過100小時，其中在燕山石化高壓車間投入的部分氫能叉車平均每輛車工作時長已經(jīng)超過1500小時；平均每輛叉車已實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排約15噸。氫能叉車在嚴(yán)苛的工作環(huán)境下，出色地完成了高強(qiáng)度的生產(chǎn)搬運(yùn)工作。特別是在2021年12月中下旬，北京遭遇了-19℃的低溫天氣，投入使用的全部氫能叉車不僅能夠連續(xù)工作，而且沒有出現(xiàn)故障。這是全國首個氫能叉車批量化商業(yè)運(yùn)營的成功案例。

綜上所述，目前我國叉車市場總額已超過其他國家總和，以美國氫能叉車市場發(fā)展情況以及我國叉車市場的每年新增數(shù)額來看，未來3～5年內(nèi)，我國氫能叉車的年均新增量有望達(dá)到十萬輛量級，形成百億級的市場規(guī)模。相信在不遠(yuǎn)的未來，借我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策東風(fēng)，依靠國內(nèi)龐大的工業(yè)車輛市場之需求，氫能在國內(nèi)叉車等工業(yè)車輛領(lǐng)域的應(yīng)用一定會大有作為。

結(jié)論與展望

我國氫燃料電池工業(yè)車輛市場正以蓬勃的態(tài)勢，大踏步地向前發(fā)展。在取得階段性成果的同時，我們也清楚地看到，國內(nèi)氫燃料電池工業(yè)車輛產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍存在不足之處，需要加大技術(shù)迭代研發(fā)力度，對標(biāo)國際先進(jìn)企業(yè)技術(shù)指標(biāo)完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，將高指標(biāo)化合理地轉(zhuǎn)化成高實(shí)用和高適用性，切實(shí)解決核心材料自主研發(fā)生產(chǎn)問題，解決燃料電池行業(yè)“卡脖子”問題；同時還要注重人才技術(shù)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)，建立健全人才培育、培訓(xùn)機(jī)制，培育具有高水平專業(yè)技術(shù)、技能人才及從業(yè)人員；加大企業(yè)間的橫向合作，理性地拓展市場；各企業(yè)要取長補(bǔ)短，以早日實(shí)現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)“百花齊放、百家爭鳴”。

此外，氫燃料電池工業(yè)車輛產(chǎn)業(yè)在修煉好“內(nèi)功”的同時，還需要政府搭建好新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的平臺，以產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)，政府為引導(dǎo)，加強(qiáng)制度創(chuàng)新，適度制定優(yōu)惠補(bǔ)貼配套政策，破除制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制度性障礙和政策性“瓶頸”，如氫氣價格、企業(yè)自用氫氣及配套充裝設(shè)備準(zhǔn)入等制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)問題等。