技术文章

去年的感恩节，我的母亲接待了我们的家人，这意味着我们将前往德克萨斯州中部的家乡。租赁公司在奥斯汀向我提供了电动汽车选项，我认为这会很棒。但在寒冷天气下稍微超出限制（好吧，不止一点）驾驶之后，280 英里的续航里程在 142 英里时几乎耗尽。我的家乡没有电动汽车基础设施。没有一个公共充电器。于是我插上电源，36 小时后就有了足够的电量，可以长途跋涉返回奥斯汀。自然地，我开始在建筑行业的背景下思考这个问题，这让我想知道有什么更好的环保方法来管理全天使用。我对氢特别好奇。

想象一下一个无化石的工地——我们不消耗基于石化的化石燃料并且现场零排放。忽略车辆能源需求（根据地点的不同，车辆能源需求可能仍需要化石燃料进行发电），本次对话让我们重点关注现场的排放。

“零排放”是一个现实可行的目标吗？事实上，对于那些愿意在下一个建筑工地进行投资和测试新流程的人来说，这不仅是可能的，而且现在就可以实现。

零排放工地，不消耗化石燃料，意味着我们必须创建零排放施工队伍。它并不像听起来那么大。对于那些愿意实现这一飞跃的人来说，已经有了一些选择——电池或氢动力设备。

电池供电的机械是一个很好的选择，每次充电或加油的潜在续航里程等于或大于汽油或柴油。缺点：假设使用高压源，这些技术需要 2-8 小时才能充电，这会导致效率低下和项目停机。另一方面，氢气的续航里程与电池供电的机械相同，且没有与加油相关的停机时间。

这些技术可实现的长期节省可以轻松抵消从汽油或柴油机械转换的前期成本，同时有助于实现无化石燃料的工地。

还可以通过最少的机器重新设计将现有的汽油或柴油设备模型转换为氢气。这可以通过改用氢燃烧发动机来实现，该发动机的运行方式与传统内燃机 (ICE) 类似，气缸泵送压缩氢气而不是汽油或柴油。就像内燃机一样，火花点燃氢气，产生驱动机械的动力。这通常是减少工地化石燃料消耗的更实惠且更简单的选择。

然而，在内燃机中燃烧氢气的一个挑战是可能产生氮氧化物和颗粒物 (PM) 等污染物排放。这些对人类健康有害——事实上，GeoHealth 发现，消除建筑等能源相关活动中的污染物排放，每年可以在美国避免 50,000 多人死亡。因此，针对他们的立法越来越严格。降低氮氧化物水平的一种方法是增加燃烧室中的空气量，但这会降低效率。另一种方法是采用能够完全消除燃烧反应中“火焰”的发动机。由于有害污染物是在火焰周围形成的，因此这种方法对于消除它们非常有效。

氢燃料电池使用催化剂通过化学反应发电。通过这种方法，氢气被保存在机器本身的燃料电池中，并通过负极端子供电——氢气在电解质和另一个正极端子之间流动。这会产生化学反应，使电流持续流向电池。当然，由于能源的不断创造，这似乎是最好的选择，但实施起来更加复杂和昂贵。

其他解决方案使用无焰燃烧反应来利用燃料发电。该技术可以与燃料无关，采用无焰燃烧技术，利用高温废热回收，只需轻按一下开关即可从任何燃料中释放无污染的电力。由于氢只是无化石燃料的一种选择，这种方法使承包商能够随时利用最具成本效益和最丰富的可再生燃料。

通过在整个能源转型过程中逐个项目、逐日实现可持续性和成本之间的平衡，保护利润率免受剧烈波动的影响非常重要。这意味着现场现在可以大规模部署与燃料无关的发电机，并立即看到减少碳和污染的效益，这对现场团队、环境和当地社区都有很大好处，为过渡到化石燃料提供了替代且风险较低的切入点-免费工地。

那么使用氢作为能源还有哪些其他缺点呢？最大的是安全。氢气的分子尺寸很小，因此如果它通过固体泄漏并与空气混合，它可能会爆炸，类似于汽油或柴油。它也不是自然产生的，因此必须从化石燃料中提取、压缩，然后用于产生化学反应，将能量转化为电能，为工程机械上的电动机提供动力。

储罐基础设施对于氢和氢燃料电池技术的安全至关重要。原始设备制造商必须为储氢罐创造空间，因为它们比装有液体汽油或柴油的储罐更大。储氢所需的占地面积要大得多，这对能源安全提出了挑战。

虽然 1,000 升柴油机可提供 3-4 周的电力，但相同足迹的氢气仅可提供 2-3 天的电力。还要考虑到氢供应链远不如柴油供应链成熟，并且具有更多的不确定性，因此转向氢意味着企业面临项目延误的风险显着增加。对此的处罚是罚款，这会影响本已狭窄的利润率。

由于氢气的挥发性，储罐的完整性至关重要。如果没有适当的设计和维护，泄漏对我们的环境造成的损害可能远远大于好处。短期来看，氢气泄漏的全球变暖潜力是二氧化碳的 33 倍。即使有最好的意图，我们也会在努力中进一步倒退。尽管如此，二氧化碳在大气中的停留时间比氢气更长，这意味着长期影响可能更严重。由于这些原因，需要重点部署精心设计的系统来生产、分配和使用氢气。 

使用氢气节省的排放量是否超过生产氢气所需的化石燃料（这需要使用化石燃料，最常见的是天然气）？由于燃料电池的构造以及在燃料电池中压缩、运输然后燃烧或将氢转化为电力所涉及的物流，这导致碳足迹可能比天然气发电更大。

虽然我们的目标是利用风能和太阳能的剩余绿色电力来生产氢气，但目前英国总能源需求中只有约 44% 由可再生能源满足，但要充分扩展这一基础设施以生产氢气，我们还有很长的路要走。我们需要的绿色氢量足以取代仅建筑行业使用的柴油量。我们必须考虑生产氢气的整个生命周期，以确保在向氢能过渡的过程中不会产生更大的碳足迹。

是否有公司专注于创建实施零排放施工车队所需的基础设施和机械？当然，今年早些时候，我在 2023 年 ConExpo 上亲眼目睹了其中一些机械。以下是我观察到的一些公司正在创造创新的氢和电动机械，您可以使用它们来创建零排放建筑车队：

推土机：

Caterpillar ： 按订单设计 提供能够使用 100% 氢气（包括完全可再生的绿色氢气）运行的 Cat ®发电机组

混凝土泵和修整机：

Tomahawk：电池供电的振动混凝土动力熨平板

起重机

Mi-Jack：氢动力胶轮龙门起重机

挖掘机：

JCB：开发出建筑行业第一台氢动力挖掘机

现代：氢燃料电池轮式挖掘机原型机

发电机：

IPG Energy ：与燃料无关的无焰燃烧技术——一种利用无焰燃烧反应从燃料中发电的发电机产品——利用包括氢气在内的任何燃料提供清洁的按需电力

叉车：

丰田：氢燃料电池叉车

伸缩臂叉装机：

Manitou：氢伸缩臂叉装机原型

卡车（自卸车和搅拌机）：

三一重工：氢燃料电池自卸车和搅拌车

沃尔沃建筑设备公司：氢燃料电池铰接式自卸车/运输车

减少工作现场的碳排放不仅对我们的地球有益，而且还为工作现场的工作人员提供更清洁、更安全的环境。这对于吸引目前缺乏和需要的人才和劳动力至关重要。我们的下一代人才高度重视具有创新精神并积极采取措施提高可持续性的公司。

通过电动或氢动力的建筑车队可以实现无化石燃料的工地，并且有许多原始设备制造商公司为建筑行业以非常切实的方式减少碳足迹铺平了道路。