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          氫動力技術的崛起

          發布時間:2022-12-08

          雖然目前有許多可用或正在開發的、用于減少重型設備二氧化碳排放量的技術,但沒有什么燃料比氫氣更接近“凈零”排放了。從各方面來看,它將成為未來的燃料,即使它直到本世紀中葉才被廣泛采用。 

          眼下已經有兩種不同的氫推進技術出現,它們具有兩個截然不同的發展路徑:

          第一個是氫內燃機,它的技術原理是將壓縮氫氣通過燃料管路輸送到內燃機的氣缸中,通過火花塞點燃氣缸中的氣體,為傳統的傳動系統提供動力。

          另一個是氫燃料電池,它由兩個電極組成——一個負極,一個正極——夾在電解質周圍。氫氣被送入負極端子,空氣被送入正極,產生化學反應,為驅動電動機的電池提供連續的電流。

          無論使用哪種技術,只要機器或車輛中有氫氣,它們產生的尾氣排放就可以忽略不計,沒有二氧化碳,只有少量的水蒸氣。


          眼下氫動力發展面臨一個關鍵問題,那就是制氫的途徑并不一定是“凈零”的。當今最常見的制氫方法是天然氣的蒸汽還原產生的,也即使用甲烷作為基礎原料,通過蒸氣甲烷重整(Steam Methance Reforming,SMR)使甲烷吸熱轉化為H2和CO。這是制造氫氣的最便宜的方法,占氫氣市場的96%,其中大部分供給農業和半導體行業。

          業內用顏色區分不同的制氫方式,以及對環境的影響。黑色、灰色或棕色氫是來自化石燃料;藍色氫也來自化石燃料,但它是使用碳捕獲技術來減少二氧化碳排放。綠色氫則是用電解水制氫,它被譽為環保主義者向往的圣杯。


          電解水制氫,是將水中的氫氣與氧氣分離,這種制氫方式被寄予厚望,因為這種方式不使用化石燃料,還可以用再生能源,如太陽能或風能,來提供源源不斷的清潔電力。事實上,核電也可以提供制造氫氣所需的電力,但是,后者將受到部分區域政策限制,不能被廣泛推廣應用。


          長期以來,JCB一直看好氫動力設備的發展前景,并持續探索氫內燃機和氫燃料電池?!拔覀冄芯苛嗽S多不同的燃料,發現氫氣更具潛力?!盝CB首席創新和發展官Tim Burnhope說。

          其中一個推動因素是氫燃料電池動力設備在城區作業非常實用,JCB已經有7臺氫動力設備正在運行,它們的工地距離充電基礎設施比較近。如果是一些遠離電網(氫氣充電站)的采石場等施工作業就沒有那么幸運了,那里的設備承包商將需要投入更多的設施才行。

          JCB于2020年5月發布首臺氫燃料電池挖掘機220X,當時這臺挖機已經在采石場進行了12個月的測試和評估,因此,JCB也給行業帶來了一些實際工況的使用數據。

          “氫燃料電池在瞬態響應方面有點遲鈍?!盉urnhope說,“他們需要復雜的電子設備來管理燃料電池和電機之間的電源,還需要去離子水和大容量的冷卻裝置,并且對灰塵和振動很敏感?!币虼?,在JCB看來,氫燃料電池對于目前的非道路機械工況來說過于復雜和昂貴。


          盡管如此,幾乎所有OEM制造商都在繼續試驗和探索氫燃料電池技術,特別是對于電池電機容量需求更大的大型設備和卡車。最近,三一推出了自卸車攪拌車的概念機。沃爾沃建筑設備正在測試一款鉸接式卡車??得魉拐谶M行多款應用于道路和非道路機械的氫動力電池?,F代工程機械在bauma 2022上首次推出了氫燃料電池驅動的HW155H概念挖掘機。

          也許第一個商用氫燃料電池——Generac的EODev GEH2,該款發電機的靜態特性表現突出——可以解決非道路設備應用過程中的部分難題,比如振動、污染和其他挑戰。據悉,這款氫燃料電池已于從2022年第二季度開始由聯合租賃進行銷售。

          氫內燃機技術發展迅猛

          雖然大部分氫燃料電池技術仍在測試中,但氫內燃機提供與氫燃料電池幾乎相同的環境效益,并且它的商業可行性更高,生產成本更低。氫內燃機保留了柴油發動機的基本結構——氣缸、凸輪軸、缸體和曲軸——其頂端使用火花點火和燃油噴射。

          在JCB,氫內燃機的研發已經進行了數十年,工程師們從無到有,構建自己的專用氫內燃機。目前,這些氫內燃機已經在JCB挖掘裝載機和伸縮臂叉裝車上得到應用,并于2021年5月首次亮相。

          “我們想出了一種全新的燃燒工藝,可以在超低壓力和溫度下工作,并且尾氣非常清潔,簡直難以置信?!盉urnhope說,“我們有很棒的渦輪增壓器,為發動機提供大量的空氣。氫氣可以產生更多的能量,我們可以最大限度地利用空氣,同時最大限度地減少氣瓶中的氫氣?!?

          “除了活塞之外,氣缸蓋下方的所有部件都與我們的柴油發動機相同?!盉urnhope說,“因此,我們70%的零部件和供應鏈都是現成的?!?

          低碳燃料內燃機或是通向未來的橋梁

          康明斯非公路總監杰里米·卡森(Jeremy Carson)認為氫燃燒內燃機是柴油機的實際過渡。事實上,2022年康明斯已經公布其最新的燃料不限定(Fuel-Agnostic)平臺,該平臺可以兼容氫氣、天然氣、甲烷和其他生物燃料等。

          康明斯將這些最新的燃料不限定(Fuel-Agnostic)——低碳燃料內燃機視為電池動力設備和燃料電池動力的過渡技術。Jeremy Carson還樂觀地認為,氫內燃機將在近十年內會有不錯的發展。因為這種新型“燃料不限定”發動機的前期成本將遠低于全電動或燃料電池的研發,從而降低了進入門檻;同時,它使得OEM制造商的氫動力切換更加順暢,也為氫基礎設施的建設贏得時間。

          氫動力技術面臨的挑戰和機遇

          兩種類型的氫燃料技術面臨的巨大挑戰是氫燃料基礎設施的發展緩慢。在工業渠道之外,氫燃料并不廣泛可用。

          “OEM制造商還必須弄清楚在他們的機器上放置儲氫罐的位置,因為它比液體燃料更笨重。例如,輪式裝載機沒有太多的空間來放這個儲氫罐,挖掘機和一些有大配重的機器應該會有足夠的空間?!盉urnhope說,“對于發電機、龍門起重機和燈塔等使用固定式發動機的設備,儲氫罐的擺放將不是問題?!?

          它的優點還有加“氫”時間更短、更便捷。Burnhope指出,為設備加氫氣比充電要快得多。氫氣只需幾分鐘即可加滿,而為設備充電可能需要2~8小時才能充滿。

          另外,氫氣更干凈、更綠色。讓像Burnhope這樣的工程師感到興奮的是,與化石燃料相比,氫燃料的“清潔無污染”特點表現得淋漓盡致:“不僅是排氣管十分干凈,量油尺也是有力的證明,工作100小時后觀察它,機油依然明亮干凈;如果你拆下這些引擎,你更會發現它們就跟嶄新的發動機一樣干凈?!盉urnhope說。


          轉自第一工程機械網

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