探索氫能多元化發展路徑氫能燃料電池在工業車輛領域中的應用

文|劉偉 陳海濤

氫能源是一種來源豐富，可被廣泛應用的二次能源，是一種低碳綠色的能源載體，是實現碳達峰、碳中和目標的有效途徑。它具有零碳、高效、能源互聯媒介、可儲存、安全可控等顯著優勢，在煉鋼、化工、交通、工業、建筑等國家支柱產業領域中，有望取代現有的焦炭、化石等能源。在全球能源向清潔轉型的大背景下，氫能的無碳屬性尤其突出，被視為是21世紀的“終極能源”，是碳中和的理想解決方案。

2022年3月23日，國家發展改革委發布了《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》（以下簡稱《規劃》）。《規劃》首次明確了多元化的發展思路，對氫能產業發展作出明確部署，要求統籌推進氫能“制儲輸用”全鏈條發展，加快氫能技術研發和示范應用，探索在工業、交通運輸、建筑等領域規模化應用。綜觀近十幾年來我國氫能應用進程，不難發現氫能在交通、熱電聯產、儲能等領域有眾多的企業、院校以及科研院所率先進行了實踐和推廣，并取得了初步的成果，但在工業車輛及生產搬運體系中卻鮮有參與。

工業車輛發展現狀

工業是國民經濟中一個十分重要的物質生產部門。工業的現代化程度及其發展規模，最終決定著整個國民經濟的發展水平，而工業生產中的物資搬運又決定著工業生產的效率以及規模。物資搬運體系多數由工業車輛和裝載傳送裝備完成，傳統的物資搬運體系的核心是工業車輛。

工業車輛是指用來搬運、推頂、牽引、起升、堆垛或碼放各種貨物的動力驅動的機動車輛。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、側叉等。它們的特點是輪式無軌底盤上裝有起重、輸送、牽引或承載裝置，進行游動作業。

■ 工業生產領域中常見的工業車輛

■ 2009—2020年國內叉車銷售量占全球銷量比重

■ 2009—2020年全球與國產叉車銷售量年均增速對比

■ 2018—2020年全球叉車滲透率情況

整個工業車輛體系品類眾多，其中叉車數量居于首位，在工業生產活動中有著最為廣泛的應用。因此，我們將以叉車為藍本，以氫能燃料電池叉車（以下簡稱氫能叉車）為案例，進行氫能在工業車輛領域中的應用分析。

我國工業生產規模快速增長，叉車銷量增速全球領先

根據世界工業車輛統計聯盟（WITS） 發布的數據，2009年全球叉車銷量為56.6萬臺，2020年增至160萬臺左右，年均復合增速約為9.8%；我國國產叉車銷量由13.9萬臺增至80萬臺，年均復合增速為17.2%，增長速度全球領先。同時，我國國產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。

2021年受全球新冠疫情影響，叉車銷售總量逆勢增長。世界工業車輛統計聯盟公布的2021年全球工業車輛統計數據顯示，2021年全球叉車銷售量創紀錄地達到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紀錄地達到了103萬臺。

我國叉車產業規模龐大，市場潛力巨大

以叉車整車及全生命周期內配套零配件每臺平均15萬元計算，國內每年新增的叉車市場規模達到千億級規模，而存量市場更是高達萬億元規模。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，但仍遠低于發達國家。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達國家有明顯差距，未來保有量增長空間巨大。

以叉車為代表的傳統工業車輛污染排放高

傳統工業車輛因技術水平及生產制造工藝相對落后，再加上生產活動中車輛數量多、集中使用且平均工作強度較大，不僅造成污染物排放高，而且對環境造成污染。以工礦企業生產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小時進行粗略計算，單臺叉車每年僅二氧化碳排放量就高達近30噸。

叉車等工業車輛普遍為集中使用的方式，在一個相對狹小的區域內經常出現幾十或幾百輛同時工作的情況，這樣會造成該區域污染排放集中，環境污染問題嚴重。以市場調研的造紙行業某企業為例，其生產使用的逾200輛叉車，二氧化碳年排放總量高達6000多噸。

在工礦生產中，如鋼鐵企業使用的叉車為7噸、10噸等中型叉車，而港口內較多使用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。

工業車輛特有屬性導致能源補給難

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

氫能在工業車輛的應用中大有可為

氫能燃料電池動力系統具有能量轉化效率高、功率輸出穩定、系統穩定、零排放、綠色環保、低噪聲及可在低溫環境下工作等優點。加拿大、美國、日本、德國、澳大利亞、瑞典、英國等國家已經優先將氫能燃料電池動力系統應用在叉車上并進行了大量推廣。

國外氫能燃料電池行業的發展也證明了叉車是氫能產業優先發展的方向。美國在氫能叉車領域相較全球其他國家和地區率先進行了產業化。氫能叉車是目前全球范圍內唯一實現商業化運作的氫能燃料電池應用領域。據不完全統計，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和運營遙遙領先，其客戶包括亞馬遜、蘋果、沃爾瑪、寶馬、可口可樂、聯邦快遞等大型企業。截至目前，普拉格能源氫能燃料電池叉車已經累計運行超過10億英里，在美國的市場占有率為95%。從全球推廣規模來看，美國氫能叉車應用發展勢頭遠遠快于氫能燃料電池客車、轎車，且規模明顯領先于歐洲、日本等發達經濟體，在全球氫能叉車應用領域具有示范意義。

目前，我國氫能叉車也開始進入批量生產及商業化應用的初級階段。例如，天津新氫動力、上海捷氫、喜馬拉雅、翼訊創能等公司都研發制造了各型樣車或進行了相應的示范應用。

在工業車輛中應用氫能后碳減排效果顯著

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

氫能工業車輛相較于其他氫能道路車輛能源補給便捷

氫能道路車輛的能源補給即氫氣的加注，受限于基礎設施（加氫站）過少，應用推廣上一直是個痛點。而加氫站由于受審批手續冗長、建設費用高昂、氫氣長途運輸困難等因素困擾，短時間內難以大范圍建設。因此，氫能道路車輛推廣還需要較長時間的發展過程。而叉車等工業車輛屬于場地作業車，能源可依照企業自用的相關法規進行補充，可率先在氫能應用領域大范圍推廣。

我國是世界工業車輛產量大國，氫能應用前景廣闊

我國基礎工業生產以及倉儲物流業高度發達，市場體量巨大，叉車是這些產業不可或缺的生產工具，是個典型的藍海市場。2020年，我國新增叉車銷售量為800239臺，2021年國內新增叉車銷售量更是達到了103萬臺，這意味著我國叉車每年新增市場規模已達千億元，存量市場更是高達萬億元。因此，從具體應用領域進行綜合評估，氫能燃料電池叉車行業或將成為第一個進入爆發式增長的氫能燃料電池應用領域。

■ 37臺氫燃料電池叉車運行時長及二氧化碳減排數據

氫能燃料電池叉車優勢

蓬勃發展的現代物料搬運業經常需要高強度連續作業（氫能燃料電池續航時間長及輸出功率恒定），而物料搬運對清潔環保的要求越來越高；機場、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構，特別是對于食品、藥品、化妝品等對環境敏感性的商品。氫能燃料電池可以真正做到全程零排放、零污染。另外，電子商務普及、外賣業務蓬勃發展等也推動了冷鏈物流快速發展，因此也需要物料搬運設備能夠適應低溫環境以及溫度沖擊，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、機場、大型物流中心、冷庫、造紙廠、鋼廠、化工等行業具有明顯優勢。

除在應用行業的優勢外，相較于傳統內燃機和蓄電池叉車，氫能燃料電池叉車本身也具備較為顯著的技術優勢。

一是工作效率高。氫能燃料電池是化學能直接轉化為電能，效率比傳統內燃叉車提高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定，可使車輛在工作周期內保持最佳性能。

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后全生命周期成本更是低于內燃叉車和電動叉車。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。

三是使用更環保。叉車大部分應用場景為室內密閉空間，燃料電池運行安靜，基本無噪聲，也不會產生廢氣，徹底改善了內燃叉車令人厭惡的廢氣排放及所導致的庫房空氣條件惡劣等弊端，利于庫內養護和人員健康。氫能燃料電池不存在環境污染問題。

四是節約時間和空間。氫能燃料電池叉車完成燃料補充只需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用。氫能燃料電池不需要特定的電池室或充電設備，相比蓄電池叉車，可為物流配送中心節約5%左右的空間。

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

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，對于工作環境為儲藏水產和果蔬等保鮮食品的倉庫，內燃叉車工作時排放的廢氣會嚴重污染存儲食品。同時，由于工作環境溫度相對較低，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輸車輛成本低很多，叉車屬于場地作業車，只要在場地內建設自用氫氣充裝設備即可解決加氫難的問題。

■ X32氫能燃料電池叉車

國內氫能叉車商業化應用已破冰

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廠高低壓粉料、PIA包裝庫房及物質裝備中心化學品庫區等場景對原有內燃機叉車的替換。這類工況強度大，運行環境較為復雜，對所使用的叉車性能要求較高。目前該批車輛已平穩運行近半年，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際生產環節中后，平均每輛叉車工作時長已經超過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超過1500小時；平均每輛叉車已實現二氧化碳減排約15噸。氫能叉車在嚴苛的工作環境下，出色地完成了高強度的生產搬運工作。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工作，而且沒有出現故障。這是全國首個氫能叉車批量化商業運營的成功案例。

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展情況以及我國叉車市場的每年新增數額來看，未來3～5年內，我國氫能叉車的年均新增量有望達到十萬輛量級，形成百億級的市場規模。相信在不遠的未來，借我國氫能產業發展的政策東風，依靠國內龐大的工業車輛市場之需求，氫能在國內叉車等工業車輛領域的應用一定會大有作為。

結論與展望

我國氫燃料電池工業車輛市場正以蓬勃的態勢，大踏步地向前發展。在取得階段性成果的同時，我們也清楚地看到，國內氫燃料電池工業車輛產業發展仍存在不足之處，需要加大技術迭代研發力度，對標國際先進企業技術指標完善標準規范體系，將高指標化合理地轉化成高實用和高適用性，切實解決核心材料自主研發生產問題，解決燃料電池行業“卡脖子”問題；同時還要注重人才技術團隊的建設，建立健全人才培育、培訓機制，培育具有高水平專業技術、技能人才及從業人員；加大企業間的橫向合作，理性地拓展市場；各企業要取長補短，以早日實現氫能產業“百花齊放、百家爭鳴”。

此外，氫燃料電池工業車輛產業在修煉好“內功”的同時，還需要政府搭建好新興產業發展的平臺，以產業為主導，政府為引導，加強制度創新，適度制定優惠補貼配套政策，破除制約產業發展的制度性障礙和政策性“瓶頸”，如氫氣價格、企業自用氫氣及配套充裝設備準入等制約產業發展的現實問題等。