農(nóng)機(jī)電動(dòng)化是新的增長點(diǎn)

王誠鵬，王文蔚

（1江蘇省海安市水務(wù)集團(tuán)；2江蘇省海安市政協(xié)，江蘇 海安 226600）

我國是農(nóng)業(yè)大國，以燃油為動(dòng)力的農(nóng)機(jī)數(shù)量龐大，在低碳轉(zhuǎn)型與能源安全的大背景下，農(nóng)機(jī)電動(dòng)化非常迫切。2019 年我國農(nóng)機(jī)總量近兩億臺(tái)(套)，其中拖拉機(jī)保有量為2240 萬臺(tái)，年消耗柴油約0.53 億噸。1 噸柴油燃燒后排放二氧化碳3.115噸，0.53億噸柴油燃燒排放二氧化碳1.66億噸，產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，加快地球變暖。柴油滴在農(nóng)田里，對(duì)水源和土地造成嚴(yán)重污染，全國每年約有800 多萬畝農(nóng)田被污染，導(dǎo)致植物根系腐爛壞死。我國石油對(duì)外依存度已經(jīng)達(dá)到70.8%，對(duì)我國能源安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，加快農(nóng)機(jī)電動(dòng)化的步伐，減少環(huán)境污染、地球變暖和能源安全顯得尤為迫切。

1 農(nóng)機(jī)電動(dòng)化的必要性

據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2019 年我國農(nóng)機(jī)總動(dòng)力為10億千瓦，農(nóng)機(jī)總量近2億臺(tái)(套)，其中拖拉機(jī)保有量為2240 萬臺(tái)。我國綜合農(nóng)業(yè)機(jī)械化率為69%，發(fā)達(dá)國家為90%以上，美、日、韓高達(dá)99%，由此可見，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平還有很大的提升空間。農(nóng)機(jī)柴油用量巨大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年我國柴油消耗總量約1.6 億噸，其中農(nóng)機(jī)消耗量占總量的近1/3。

燃燒柴油嚴(yán)重污染環(huán)境，危害極大。1 噸柴油燃燒后排放3.115 噸二氧化碳，我國農(nóng)機(jī)柴油的年消耗量為0.53 億噸，燃燒后向大氣排放二氧化碳1.66 億噸。二氧化碳會(huì)使大氣環(huán)境產(chǎn)生溫室效應(yīng)，使地球氣候逐漸變暖。農(nóng)機(jī)排放的尾氣中還含有大量的一氧化碳、碳水化合物、氮氧化合物、二氧化碳等上百種不同的化合物，它們會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生許多不良影響。

農(nóng)機(jī)柴油“泄、漏、跑、散”會(huì)對(duì)水源和土地造成嚴(yán)重污染。據(jù)檢測(cè)：手扶拖拉機(jī)每分鐘漏柴油10 滴，每天漏油1.2 kg(12000 滴柴油約為1 kg)；每滴柴油在農(nóng)田水面上產(chǎn)生的油跡擴(kuò)散圈的污染面積約為3.1 cm2，1千克柴油污染面積約為3.7 m2。

小型拖拉機(jī)可以拖掛多種作業(yè)機(jī)械，平均每年作業(yè)時(shí)間280天左右。據(jù)此計(jì)算，一臺(tái)小型拖拉機(jī)全年漏失柴油約336 kg，污染面積達(dá)1243.2 m2。農(nóng)機(jī)中有漏油現(xiàn)象的柴油機(jī)約占20%,按拖拉機(jī)保有量2240 萬臺(tái)計(jì)算，漏油的約有448 萬臺(tái)。這意味著每年全國約有5569.5 km2(800 多萬畝)農(nóng)田受污染。

柴油對(duì)土壤有毒性。柴油污染會(huì)影響土壤的通透性，破壞土壤的三相(水、氣和固體顆粒)結(jié)構(gòu)，影響土壤中微生物的生長，阻礙植物根系的呼吸及對(duì)水分養(yǎng)料的吸收，危害植物的生長，甚至導(dǎo)致植物根系腐爛壞死。

石油是重要的戰(zhàn)略儲(chǔ)備能源。據(jù)我國油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告統(tǒng)計(jì)，2022 年我國原油進(jìn)口5.08 億噸、同比下降1.0%，對(duì)外依存度為71.2%。石油對(duì)外依存度如此高，對(duì)我國的能源安全非常不利。一旦國外石油供應(yīng)中斷，將對(duì)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和百姓的生活造成災(zāi)難性的影響。農(nóng)機(jī)電動(dòng)化對(duì)我國能源安全有一定的保障作用，加快轉(zhuǎn)型顯得尤為迫切。

2 農(nóng)機(jī)電動(dòng)化的可行性

近年，我國電動(dòng)汽車及相關(guān)技術(shù)獲得了飛躍式的發(fā)展。電動(dòng)汽車發(fā)展過程中沉淀的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)，為傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)由“油”改“電”奠定了基礎(chǔ)。例如，電動(dòng)汽車充電技術(shù)成熟，完全可以移植到電動(dòng)農(nóng)機(jī)上。可以將充電樁集中安裝在電動(dòng)農(nóng)機(jī)車庫，采用“風(fēng)力發(fā)電+光伏發(fā)電+沼氣發(fā)電+網(wǎng)電”的多能互補(bǔ)的技術(shù)路線，進(jìn)一步為減排做貢獻(xiàn)。

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)提高風(fēng)電、光電利用率

風(fēng)電、光電具有隨機(jī)性，間歇性和不可控制的特點(diǎn)，加上蓄電池儲(chǔ)能后，其輸出的電能才可能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，才可以作為分布式電源使用，成為具有較高性價(jià)比的一種再生能源發(fā)電系統(tǒng)，這樣的發(fā)電系統(tǒng)是該農(nóng)場(chǎng)供用電體系最重要的核心組成部分。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的三大功能：①農(nóng)場(chǎng)供用電體系的穩(wěn)定性得到保證。②在無風(fēng)無陽光的天氣情況下保證供電。③提高了電的品質(zhì)和可靠性。

2.2 儲(chǔ)能車和電動(dòng)農(nóng)機(jī)倉庫儲(chǔ)能提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活性

儲(chǔ)能車的作用之一：如果電動(dòng)農(nóng)機(jī)上沒有蓄電池，重量就可以減輕許多，也就可以減輕對(duì)土壤的壓力，有利于農(nóng)作物的生長，增加產(chǎn)量。儲(chǔ)能車的作用之二，可以作為應(yīng)急拖車。如果農(nóng)機(jī)有了故障不能發(fā)動(dòng)，儲(chǔ)能車可以拖它回庫檢修。

2.3 儲(chǔ)能與電網(wǎng)互聯(lián)互動(dòng)

通過逆變器與電網(wǎng)互聯(lián)，農(nóng)場(chǎng)各單位包括家庭都有分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，所以在一定時(shí)間內(nèi)，可以全由儲(chǔ)能系統(tǒng)供電，因此與電網(wǎng)互動(dòng)的容量多少，可以由農(nóng)場(chǎng)從需要和投資兩方面權(quán)衡，主動(dòng)權(quán)在農(nóng)場(chǎng)?？上螂娋W(wǎng)買電，也可向電網(wǎng)賣電，還可套取峰谷差價(jià)的利益。

2.4 減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞

該農(nóng)場(chǎng)有傳統(tǒng)動(dòng)力農(nóng)機(jī)100臺(tái)，每臺(tái)每年消耗柴油2.4 噸，100 臺(tái)每年消耗柴油240 噸，每噸柴油燃燒后排放3.115 噸二氧化碳，240 噸柴油燃燒排放二氧化碳747.6噸。增加了溫室效應(yīng)，導(dǎo)致地球升溫變暖。采用農(nóng)機(jī)電動(dòng)化將減少這些排放和環(huán)境污染。

3 農(nóng)機(jī)電動(dòng)化的發(fā)展方向

目前我國農(nóng)機(jī)電動(dòng)化已經(jīng)起步。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等有關(guān)部門相繼出臺(tái)政策，加快高污染農(nóng)機(jī)的淘汰進(jìn)度，推進(jìn)農(nóng)機(jī)電動(dòng)化進(jìn)程。

對(duì)于20 千瓦以下的小型農(nóng)機(jī)，使用鋰電池的綜合成本已經(jīng)可以和內(nèi)燃機(jī)的使用成本持平，且更易提高工作質(zhì)量和減少噪聲。但是因鋰電池儲(chǔ)能容量及成本問題，鋰電池并不適用于大功率車輛。

近年來，在大中型設(shè)備上，氫燃料電池的應(yīng)用開始受到重視。氫燃料電池具有能量密度高、續(xù)航里程長、加注時(shí)間短等特點(diǎn)。這意味著大功率農(nóng)機(jī)也有了電動(dòng)化轉(zhuǎn)型的可行路徑。

但是，現(xiàn)階段氫燃料電池還存在成本高、加氫站太少、技術(shù)成熟度不高等問題。因此，目前最有效的模式是燃料電池和鋰電池配合使用，也就是電電混合技術(shù)。氫燃料電池和鋰電池電電混合可按性價(jià)比，匹配多種車型、多個(gè)工況。在混合模式下，氫燃料電池提供持續(xù)穩(wěn)定的能量輸出，必要時(shí)給鋰電池充電；鋰電池滿足車輛動(dòng)態(tài)負(fù)荷、制動(dòng)能回收的需求。

與此同時(shí)，還要充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，積極解決氫源問題，加快發(fā)展制氫技術(shù)。例如：農(nóng)村有大量秸稈被焚燒，既污染環(huán)境又浪費(fèi)能源，可以走秸稈→沼氣→發(fā)電→電解水制氫的技術(shù)路線，形成清潔循環(huán)；我國三北地區(qū)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象比較嚴(yán)重，可以利用風(fēng)能和太陽能電解水生產(chǎn)氫氣。此外，還要降低氫的運(yùn)輸成本，并提高加注的便捷性，滿足農(nóng)機(jī)使用地域分散、季節(jié)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

總之，電動(dòng)化是未來農(nóng)機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而氫燃料電池將在農(nóng)機(jī)電動(dòng)化轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用。農(nóng)村節(jié)能減排的空間很大，地廣人稀，自然資源豐富，陽光風(fēng)力充足，秸桿遍地。建設(shè)一個(gè)多能互補(bǔ)的直流供電和沼氣供能體系，為碳達(dá)峰碳中和做出貢獻(xiàn)，為未來全面直流供電打下牢固的基礎(chǔ)做出貢獻(xiàn)。