电池驱动与汽油驱动链锯在针叶林作业中的经济性评估：基于能耗成本与投资回收期（Break-even Year）的比较研究

《Forests》：Economic Assessment Comparison Between Battery- and Petrol-Powered Chainsaws: Performance in Conifer Forest Operations

　　

摘要：专业林业作业的电气化已在涉及链锯的人工操作中得到广泛研究。近期研究指出，电池驱动链锯在专业林业作业中推广普及的主要限制是其有限的续航能力（Autonomy）。本研究从经济视角对该问题加以探讨，目标在于确定需要多少年才能通过电力相对于汽油所关联的较低运行成本，抵消电池高额初始投资。为开展本研究，研究人员在相同工作量条件下，于不同林分类型中对多种电池驱动链锯与等效的汽油驱动链锯进行了比较。为完成上述比较，研究人员测定了电耗（Wh）与汽油消耗量，以确定机器续航能力。结果表明，电力在每株树采伐的能源成本方面具有明显优势，这意味着电池的高额初始投资（约4000–6000欧元，每个工作日需8–10块电池）可在3–4年内回收。电池驱动链锯被证明具有经济竞争力，可在相对较短的时期内回收初始投资。然而，仍需进一步研究以评估更广泛的作业条件、测试不同功率级别的链锯，并评估未来电池技术发展的潜在影响。

一、研究背景与问题提出

近年来，林业作业电气化受到持续关注，其重点在于降低排放并提升整个木材产业链的能源效率，涉及采伐机（harvester）、集材机（forwarder）、集材拖拉机（skidder）、索道集材机（cable yarder）以及链锯等多种采伐系统与机械。由于地形条件和小规模林权所有制的限制，人工操作式（motor-manual）林业作业在欧洲许多地区仍被广泛采用，而链锯因其通用性强、资金投入相对较低，成为采伐与造材等手工作业的关键设备。常用专业链锯由二冲程内燃机驱动，应用于木材采伐、修枝及专业绿地养护等任务。然而，多项研究表明作业人员直接暴露于噪声、手臂振动（HAVs）和废气等多种危害之中；相比之下，电池驱动链锯可显著降低甚至消除上述诸多健康风险，且维护要求更低、不产生直接空气污染。尽管如此，由于预期切割速度较低和电池寿命有限，电池链锯在专业林业作业中并未被普遍使用。

过去数十年间，电池技术大幅进步，使功能强大、紧凑轻便的手持工具得以设计应用于林业领域。可充电电池的能量密度提升近十倍，从镍氢（Ni-MH）技术演进至当今先进的锂离子（Li-ion）电芯。目前锂离子电池因能量与功率密度高、寿命长、重量远低于前代电池而主导市场。但即便如此，电池能量密度（130–200 Wh·kg^?1）仍显著低于汽油（约12,890 Wh·kg^?1）；即使考虑二冲程内燃机20%–25%的较低效率，这一差距依然存在。因此，电池链锯需要更重的储能系统才能达到与汽油机型相当的性能水平，这增加了重量，降低了其在高强度、连续林业作业中的适用性。此外，电池链锯的扭矩—转速特性与汽油机型不同，部分研究报告电动链锯输出功率较低，这些差异可能影响严苛条件下的切割性能。尽管如此，若干研究认为电池链锯与汽油链锯在总体生产率（伐木与造材）上无显著差异，影响电池链锯在专业林业部门应用的关键因素是电池续航管理。在此背景下，考虑到电动链锯当前的局限，将其引入专业林业作业可被理解为一个经济问题，即通过增加电池数量投资来应对续航挑战；这一需求强烈依赖于专业林业环境中的工作量与电池链锯技术。据此，本研究旨在依据林业作业中的汽油或电力消耗，比较电池链锯与汽油链锯的成本；基于这些运行燃料成本以及电池系统所需的额外投资，开展经济分析，以确定能源成本节约抵消初始投资所需的时间，并识别电池链锯与汽油链锯之间的盈亏平衡年（break-even year）。

二、关键技术方法概述

研究在西班牙加泰罗尼亚两处林分开展：Navès的幼龄林（JF，密度高、径级细）与Alins的成熟林（AF，密度低、径级大）。选用Stihl的MSA 300 C-O（BatS，配AP电池系统）与汽油机型MS 261 C-M（PetS），以及Milwaukee的M18 Fuel^TM F2CHS50（BatM，配FORGE^TM电池）。以Tree Scanner应用程序进行测树，按等效总材积标记采伐与造材树木，保证各链锯工作量相当；用GoPro Hero 10录像确定每株树的有效切割时间（ECT）与油门加速次数（TA），并以DaVinci Resolve软件分析。电耗通过插电式电能表测量充电电量（Wh），汽油消耗以量筒计量补充的毫升数。统计采用单因素方差分析（ANOVA）与Tukey氏HSD检验（R Studio）。经济分析采用净现值（NPV），以最小公倍数法处理不同时间跨度，折现率取3.1%，假设每年200个工作日、链锯使用寿命1年、充电器4年，并按厂商充电循环数估算电池寿命；日耗电量与油量依据Laschi等（2023）报告的"使用链锯"时间占比（电池48%、汽油52%）外推至8小时工作日。

三、研究结果

研究共采伐96株树，总材积22.05 m³，其中JF 72株（7.84 m³）、AF 24株（14.21 m³）；JF平均胸径（DBH）15.01 ± 5.61 cm、平均单株材积0.11 ± 0.08 m³，AF平均DBH 32.01 ± 5.16 cm、平均单株材积0.59 ± 0.19 m³，各链锯所伐树木在DBH与材积上无显著差异。

在燃料成本模型方面，以对数变换变量拟合线性模型，DBH、TA与燃料类型均为每株燃料成本的极显著预测因子，模型解释了对数转换燃料成本88.3%的方差（调整R² = 0.883）。拟合模型表明DBH与燃料成本近似呈一比一比例关系，即燃料成本随树木尺寸近乎线性增加；TA虽为显著预测因子但效应弱于DBH，表明油门加速次数增加会提高燃料成本。燃料类型的显著效应说明在给定DBH与TA条件下，电池链锯与汽油链锯的燃料成本存在明显差异。

在每株燃料成本与油门加速的差异方面，JF中每株燃料成本（df = 2，F = 22.6，p = 2.81 × 10^?8）与TA（df = 2，F = 7.31，p = 0.001）存在显著差异，PetS在两变量上均显著高于BatS与BatM，平均而言PetS每株燃料成本高84.1%。AF中每株燃料成本亦存在显著差异（df = 2，F = 59.37，p = 2.27 × 10^?9），PetS高83.75%；此外ECT存在显著差异（df = 2，F = 4.30，p = 0.027），BatS与BatM差异显著，PetS居中间值。

在日燃料消耗参考数据方面，BatS与BatM单块电池平均充电量分别为371.4与519.4 Wh，汽油箱容量估计为500 mL。就续航（CPT₁₅）而言，AF中电池链锯分别运行0.43 h（BatS）与0.80 h（BatM），JF中为0.64 h与1.22 h；PetS在AF与JF中分别于0.65 h与0.82 h后需加油。按每块电池或每箱油可伐树木数计，AF中BatS与BatM分别为2.67与4.25株，汽油链锯每箱油5株；JF中分别增至7.12与10.3株，汽油每箱油12.5株。

在投资与经济评估方面，AF中BatS与BatM分别需2个多充充电器加2个单充充电器、以及2个多充充电器，JF中两者均2个多充充电器即可。初始投资为AF：5730.95与4401.8欧元，JF：4672.7与3804欧元（分别对应BatS与BatM）；汽油系统初始投资仅计链锯成本，两林分均为1069欧元。按厂商数据，BatS与BatM电池完整充电循环寿命分别为2500与1700次，按每年200次循环计，使用寿命约12年与8年，与PetS的1年共同构成各链锯时间跨度，取最小公倍数24年进行经济评估。经济结果显示电池链锯相对汽油链锯存在成本节约：3–4年内电池的高额初始投资即被高汽油成本抵消；以PetS成本为基准计算，AF中BatS与BatM节约33.07%–36.7%，JF中节约34%–33.9%。

四、讨论与结论

在运行燃料成本方面，电池链锯较汽油链锯具有显著优势；尽管已有研究报道电池链锯在高负荷切割条件下效率较低，但该潜在局限并未影响其在本研究作业条件下的经济优势，电力相对汽油的显著低价格是驱动电池链锯运行成本更低的主要因素。除动力源类型外，拟合线性模型表明树木尺寸对每株燃料消耗与成本影响强烈，燃料消耗随DBH成比例增加，与既有研究一致；油门加速次数虽影响较小但亦为显著预测因子，这可能源于发动机加速过程中的瞬态运行特性——每次油门加速均需从怠速过渡到工作转速，与稳态条件相比瞬态运行能效更低、需额外燃料以实现所需发动机响应，因此更多扳机触发次数可能独立于树木尺寸而增加燃料消耗。

量化保证全天续航所需的电池或油箱数量是电池与汽油链锯经济比较的关键环节，因此本研究的主要局限在于未评估所有作业条件下的日能耗；尽管如此，本研究的日续航与既往研究报告相近。然而，仅AF因树木尺寸与作业条件相似、且BatS为既往研究同一机型，才可与这些研究直接比较。对电池链锯而言，本研究显示续航略高于Laschi等（2023）与Neri等（2023）报告的每块电池2.45株与2.37株；对汽油链锯而言，本研究每箱油续航近乎为其两倍，而上述两研究报告分别为2.67株与2.58株。这一差异部分可由研究设计差异解释：既往研究侧重比较生产率，而本研究旨在比较相同工作量下的燃料消耗，故测试限于具有更特定切割特征的有限树木集合，而全天研究涵盖更大的作业条件变异性；此外，既往研究每株树额外的横切作业也会导致每株燃料消耗增加。每块电池或每箱油的作业时间呈类似规律：本研究电池链锯续航与既往相近，而汽油链锯续航更高（既往报告电池0.40与0.45 h、油箱0.50与0.47 h）。各研究一致发现汽油箱提供的作业时间长于电池；所有研究观察到的作业时间也与电池厂商报告的44 min有效切割时间大体一致。本研究中BatM因采用两块电池，续航约为BatS的两倍。

就两林分比较而言，JF中三种链锯的能源需求均更低，这可能与JF测试工作量较低（树木较小、枝条较细）有关；JF较低的能源需求导致经济评估中成本更低，但不足以改变BatS或BatM的盈亏平衡年。在相同工作量条件下，尽管BatM为功率更高的机器，BatS输出的能量却高于BatM，这一差异在AF中因工作量需求更高而更为明显；输出能量差异可能与防止过热的电机系统限制有关——支持该解释的是，从链锯上立即取下的空BatS电池明显比BatM电池更热，BatM电池放入充电器后即开始充电，而BatS电池需冷却约1 h方可充电。

在经济比较方面，汽油系统的NPV₂₄显著高于电池系统；由于AF汽油成本高于JF，电池链锯相关的经济节约（ΔNPV₂₄）在AF更大。两种电池链锯相比，BatS在两林分中达到盈亏平衡点均比BatM多需一年，且在AF中取得更高的NPV₂₄，这与BatS输出能量更高直接相关。尽管在24年分析期内BatM需更换两次电池、而BatS因假定充电循环数更多仅需更换一次，但BatS更高的电池成本与更大的电耗导致其NPV₂₄更高；不过在JF中两者NPV₂₄几乎相同，BatM略高，原因是两电池链锯能耗差异在JF（660 Wh·day^?1）远小于AF（1080 Wh·day^?1），BatS更高的运行能源成本未能抵消BatM额外的电池更换成本。尽管BatM每株燃料成本更低，但其可能并非专业森林采伐中最高效的电池链锯，这或与其功率重量比较BatS更低有关：BatM在ECT更高的情况下输出能量更少，且是所评估链锯中最重的一款；因此，尽管BatM在AF提供更大的经济节约，其更高重量与更低能量输出可能限制其在专业采伐条件下的作业效率。

结论部分译文：本研究在两种具有不同工作量的林分条件下，对电池驱动与汽油驱动链锯进行了经济比较，主要目的是估算电池链锯较低燃料成本所产生的经济节约抵消其多块电池较高初始投资所需的时间。结果凸显了燃料成本对链锯整体经济表现的重大影响：每株采伐与造材树木的能源成本，电池链锯比汽油链锯低约84%；经济评估显示，在24年期内电池系统约可节约35%。电池链锯被证明具有经济竞争力，初始电池投资可在3–4年的相对较短时期内回收。然而，本研究的一大局限在于日续航系基于既往研究报告的链锯使用时间估算，因此对完成整个工作日所需电池数或加油次数的估算应谨慎解读，因为生产率与作业条件的差异可能影响日能耗。未来研究应将电池链锯与功率更高的汽油机型进行比较；尽管汽油链锯可能实现更高生产率，但其更高的购置与燃料成本可能使电池链锯成为更具成本效益的替代方案，尤其是在低工作量条件下。此外，电池技术的持续改进预计将在未来数年提升电池链锯的性能与经济竞争力。