新能源汽車將在能源革命中發(fā)揮重要作用

歐陽明高

(中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)車輛與運載學(xué)院教授)

一、能源革命與動力革命密切相關(guān)

回顧歷史，能源革命一般由動力革命引發(fā)，新動力裝置和交通工具的發(fā)明帶動能源資源的開發(fā)利用，并引發(fā)工業(yè)革命。第一次能源革命是從薪柴到煤炭的跨越，動力是蒸汽機(jī)，交通工具是火車;第二次能源革命是從煤炭到油氣的跨越，動力是內(nèi)燃機(jī)，交通工具是汽車。當(dāng)前，全球正在經(jīng)歷第三次能源革命，是向可再生能源的轉(zhuǎn)型革命，動力是電池，能源載體是電和氫，交通工具是電動車。

我國提出碳達(dá)峰碳中和發(fā)展目標(biāo)，要實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和，最重要的是實現(xiàn)新能源革命。新能源革命有五大重點：從傳統(tǒng)化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)型，特別是光伏與風(fēng)電的大規(guī)模應(yīng)用;能源從集中式轉(zhuǎn)向分布式，推動建筑成為微型發(fā)電廠;利用氫氣和電池等技術(shù)存儲間歇式能源;發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)，以及電動汽車將成為用能和儲存能源的終端。當(dāng)前光伏、風(fēng)電本身的技術(shù)和發(fā)電成本降低，已經(jīng)完全具備大規(guī)模推廣條件，但利用成本仍然較高，這其中儲能是瓶頸，需要靠電池、氫能、電動汽車等來解決。因此，我國實現(xiàn)碳中和進(jìn)程中的重點是解決儲能的技術(shù)瓶頸。根據(jù)儲能的周期和規(guī)模，主要劃分為電池范疇、氫能范疇(氫及其載體)。電池和氫能共同構(gòu)成主流的儲能方式。從新能源革命和儲能的角度看，新能源汽車和儲能共同載體是電和氫。新能源汽車與新能源革命的共性核心是儲能、氫能與智能，新能源汽車的規(guī)模推廣將有力破解新能源革命的瓶頸。

二、新能源汽車將會是我國規(guī)模最大、成本最低、安全性最好的短周期分布式儲能系統(tǒng)

新能源汽車引領(lǐng)三大革命：第一，電動車本身的革命;第二，新能源本身的革命;第三，智能化革命。所以新能源汽車既是電動車輛，也是儲能裝置，還是智能終端。今后20～30年，這三個革命將會引發(fā)交通裝備與能源化工相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)生重大變革。

新能源汽車已經(jīng)發(fā)展二十年，我國2014年出臺《關(guān)于加快新能源汽車推廣應(yīng)用的指導(dǎo)意見》后，新能源汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段。從我國純電動車動力電池技術(shù)創(chuàng)新歷程看，2011～2021年十年來，動力電池比能量從100瓦時/千克提升到300瓦時/千克，成本從4元/瓦時以上降低到1元/瓦時以內(nèi)，降低80%以上?，F(xiàn)在電動轎車車載電池系統(tǒng)能量在60～80千瓦時之間，對應(yīng)的續(xù)航里程普遍是500～600公里之間。隨著電池系統(tǒng)能量密度進(jìn)一步提高，電動乘用車正在向1000公里邁進(jìn)，高續(xù)航豪華車預(yù)計明后年就會出現(xiàn)。未來，動力電池呈現(xiàn)需求大幅上升與成本大幅下降趨勢，據(jù)統(tǒng)計，2025年中國電池年產(chǎn)量將會達(dá)到10億千瓦時左右，進(jìn)入T瓦時代，現(xiàn)在大概有1億千瓦時，今后五年會漲約10倍左右。

下一步，電池主要在安全、便利、智能三方面下工夫。

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安全性

鋰離子電池實現(xiàn)了蓄電池領(lǐng)域百年來的重大突破，其科技創(chuàng)新、產(chǎn)品性能、應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)規(guī)模正處于爆發(fā)式增長期。而無論是電動汽車，還是大型儲能電站，可能存在各種各樣的原因?qū)е码姵匕l(fā)生熱失控，并可能在整個電池系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)中蔓延，最后造成安全事故。清華大學(xué)電池安全實驗室是全球高校中唯一完全做電池安全的實驗室，它的測試裝置可以對電池?zé)崾Э氐娜^程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)高比能量動力電池?zé)崾Э胤磻?yīng)時序和反應(yīng)新機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，清華大學(xué)研發(fā)了高比能量動力電池?zé)崾Э叵到y(tǒng)性抑制方法，現(xiàn)在可以完全保證它可解決單體電池設(shè)計層面的相關(guān)問題;其次，在使用過程中進(jìn)行安全監(jiān)控，針對整車開發(fā)了電池云控預(yù)警平臺，基于運行數(shù)據(jù)，對故障進(jìn)行預(yù)警;一旦發(fā)生事故，還開發(fā)了對整個電池包的熱管理技術(shù)，在厘清機(jī)理的基礎(chǔ)上設(shè)置出完全不著火，最多只冒煙的電池包。這就是從電池設(shè)計制造的本征安全、電池使用過程中的主動安全、電池發(fā)生事故時的被動安全三各方面保障電池系統(tǒng)安全性。

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便利性

我國電動乘用車充電模式分為慢充和快充。對于私家乘用車，未來充電的最佳方式是在家慢充為主，采用7～22千瓦交/直流慢充，或者跟車網(wǎng)互動，可以獲取收益。但是高速公路長途出行需要采用120～350千瓦超快補(bǔ)電。中電聯(lián)2020年公布了大功率快充新標(biāo)準(zhǔn)—“超級充電”，2025年可全面提供超充服務(wù)。為了解決350千瓦快充存在的電網(wǎng)容量、功率沖擊、擴(kuò)容成本等問題，清華開發(fā)了卡車快換與轎車快充綜合快速能量補(bǔ)給技術(shù)，即不從電網(wǎng)直接取電進(jìn)行超級快充，而用卡車換電備用電池給轎車快充，快充和快換一體化形成互補(bǔ)。快充方面，清華已開發(fā)無析鋰安全快充技術(shù)?？焖傺a(bǔ)電不是充滿，電量下降到50%以后需要補(bǔ)電，5分鐘充200公里。為此開發(fā)了基于負(fù)極電位傳感器的快充電池技術(shù)以及配套快充的電池冷卻和快速加熱技術(shù)。

03

智能化

電動汽車普及初始階段基本上都是無序充電。隨著電動汽車保有量增加，一些大城市充電負(fù)荷已經(jīng)超過總負(fù)荷的20%，電網(wǎng)壓力增大。目前深圳、上海等地正在規(guī)劃開展有序充電，即通過APP跟后臺調(diào)度系統(tǒng)達(dá)成協(xié)議，將充電有序移動到電網(wǎng)負(fù)荷低時進(jìn)行。下一步將是車家互動(V2H)，新能源電力、新能源汽車與建筑一體化，如車內(nèi)電池跟建筑里的空調(diào)實時互動。最后是車網(wǎng)互動(V2G)，剛開始可能和微網(wǎng)互動，最后和大網(wǎng)互動。削峰填谷、電網(wǎng)調(diào)頻、虛擬慣量都可通過電池的聚合和調(diào)控實現(xiàn)。目前，全國共有15個省市建設(shè)了42個V2G項目、609個V2G終端，近4000臺電動車參與過車網(wǎng)互動。

新能源汽車的市場和儲能潛力不容小覷。2021年1～5月，我國新能源汽車總銷量已經(jīng)突破汽車總銷量的10%，保有量超過600萬輛，預(yù)計2021年產(chǎn)量超200萬輛，按照今年產(chǎn)量超過去年一倍以上的增長速度，2022年可能再增長一倍達(dá)到400萬輛左右，2025年新能源汽車占比20%的國家目標(biāo)可能提前實現(xiàn)。根據(jù)中國新能源汽車技術(shù)路線圖的預(yù)測，2030年新能源汽車占比40%約8000萬輛，2035年占比50%約1.6億輛，2040年到3億輛。以2040年中國電動乘用車保有量達(dá)到3億輛，每輛車平均65千瓦時計算，車載儲能容量約為200億千瓦時，與我國現(xiàn)在每天消費總電量基本相當(dāng)。以鋰離子電池為代表的動力電池是短周期分布式小規(guī)?？稍偕茉磧Υ娴淖罴堰x擇。因此，新能源汽車將會是我國規(guī)模最大、成本最低、安全性最好的短周期分布式儲能系統(tǒng)，大幅平衡電網(wǎng)波動。而且，隨著風(fēng)電光伏占電力主體后，電價差價會加大，電動車還可作為一個賺錢的工具，一車兩用。

三、氫能交通是氫能利用的先導(dǎo)領(lǐng)域，將帶動氫能的全面發(fā)展

2015～2020年，我國氫燃料電池汽車技術(shù)實現(xiàn)重大突破，車用燃料電池系統(tǒng)開始規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，大部分技術(shù)問題已經(jīng)克服，性能指標(biāo)大幅提升，已經(jīng)基本滿足商業(yè)示范推廣的要求。北京冬奧會的氫能示范，冬奧會主場區(qū)將全部使用氫能燃料電池汽車，張家口和北京將運行2000輛左右燃料電池汽車。從中國燃料電池汽車研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展來看。2021年，我國燃料電池車保有量大約為8000～10000輛，100多個加氫站投入運營，還有近100個在建。根據(jù)中國氫燃料電池汽車技術(shù)路線圖，預(yù)計2025年燃料電池車約為5～10萬輛，2030～2035年大約是80～100萬輛，主體車型是商用車。未來十年，燃料電池系統(tǒng)成本將下降80%以上，與鋰離子電池過去十年下降過程相似。但是，我國當(dāng)前車載儲氫無論是技術(shù)還是成本都還不夠理想。比如現(xiàn)在主流的高壓氣態(tài)儲氫，儲氫密度偏低，成本偏高，難以滿足700公里以上長途卡車需求，還需要進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。

總體看，氫燃料電池轎車是氫能交通的先驅(qū)，氫能交通是氫能利用的先導(dǎo)。雖然氫能燃料電池適合長途交通、重載運輸、空中運輸、水中運輸、大型裝備，然而氫能交通并不是氫能的最大應(yīng)用領(lǐng)域。氫能交通的使命是帶動氫能的全面發(fā)展。

01

氫能在能源低碳轉(zhuǎn)型中具有優(yōu)勢

氫能的戰(zhàn)略意義在于可再生能源轉(zhuǎn)型中的大規(guī)模能量儲存與多元化利用需求。氫能的載體是電和氫，以及氫的載體，比如氨、甲醇等。

氫能是眾多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)(化石、煤炭、電力、鋼鐵等)轉(zhuǎn)型升級的理性選擇。一是技術(shù)延續(xù)性好，而不是完全顛覆。二是產(chǎn)業(yè)鏈長、產(chǎn)值高，吸收的就業(yè)人口多，應(yīng)用覆蓋面廣，有氫能社會之稱。氫能市場中，制氫產(chǎn)業(yè)鏈含有制氫設(shè)備產(chǎn)業(yè)集群;儲氫產(chǎn)業(yè)鏈含有儲氫設(shè)備產(chǎn)業(yè)集群、燃料電池產(chǎn)業(yè)集群;用氫產(chǎn)業(yè)鏈含有加氫設(shè)備產(chǎn)業(yè)集群、智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)集群。

02

氫能、儲能是新能源電力系統(tǒng)的核心技術(shù)

氫能是集中式可再生能源大規(guī)模長周期儲存的最佳途徑。首先，能源利用充分，大容量長時間儲能模式對可再生能源發(fā)電的利用更充分。其次，規(guī)模儲能經(jīng)濟(jì)，固定式規(guī)?；瘍浔入姵貎﹄姷某杀镜鸵粋€數(shù)量級以上。再次，與電池放電互補(bǔ)，用于燃料電池、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)等。同時，制運儲方式靈活，可以用長管拖車、管道輸氫、摻氫、長途輸電—當(dāng)?shù)刂茪涞雀鞣N方式。

全球清潔能源制氫、氫的能源化利用仍處于起步。國際能源署數(shù)據(jù)顯示，可再生能源制氫80萬噸，不到氫總量的1%。發(fā)展綠氫制氫產(chǎn)業(yè)，電解水制氫將是繼氫燃料電池發(fā)電之后又一個最應(yīng)重視的發(fā)展領(lǐng)域。在可見的未來，電解水制氫會是主流。根據(jù)電化學(xué)原理，電解水制氫是氫燃料電池的逆過程，氫能燃料電池技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化為電解水制氫系統(tǒng)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。而電解水制氫系統(tǒng)將是一個比燃料電池系統(tǒng)更大的高科技產(chǎn)業(yè)。經(jīng)過近20年的努力，清華大學(xué)團(tuán)隊已經(jīng)實現(xiàn)氫燃料電池動力系統(tǒng)全套技術(shù)商業(yè)化，培育出國內(nèi)氫能燃料電池領(lǐng)域科創(chuàng)板第一股——北京億華通?，F(xiàn)在，面向近中遠(yuǎn)期應(yīng)用，清華大學(xué)已開展三種電解水制氫技術(shù)的研發(fā)，即堿性電解(ACE)、質(zhì)子交換膜電解(PEMEC)、固體氧化物電解(SOEC)。從三種電解技術(shù)比較來看，SOEC最優(yōu)，PEMEC和ACE次之。近期可以大規(guī)模應(yīng)用的還是ACE，其技術(shù)升級性能優(yōu)化的潛力還非常大。而且中國在堿性電解制氫領(lǐng)域具有產(chǎn)業(yè)鏈和成本優(yōu)勢，可以為全球提供低成本制氫系統(tǒng)。

氫能是實現(xiàn)全球碳中和的戰(zhàn)略性能源載體。但是綠色氫能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性還不能完全滿足市場需求。據(jù)國際可再生能源署(IRENA)對制氫成本的預(yù)測，雖然總體上看綠氫成本與化石能源制氫成本平衡還需要較長時間，但2025年前，部分低成本光伏、風(fēng)電制氫可以達(dá)到化石能源制氫+CCS的成本。所以現(xiàn)在使用內(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)的低成本光伏和風(fēng)電制氫具有經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)清華大學(xué)在張家口的氫能全鏈條商業(yè)示范(從風(fēng)電制氫到燃料電池城市客車運行)表明，當(dāng)可再生能源(風(fēng)電)發(fā)電成本在0.2～0.15元/千瓦時，其能源利用全鏈條技術(shù)經(jīng)濟(jì)性將凸顯。氫能儲運技術(shù)及成本方面，特高壓輸電線路是我國綠氫長途儲運的優(yōu)勢通道之一，綠氫的輸送通道和特高壓輸送通道重合，可在谷段利用特高壓通道長途輸電，當(dāng)?shù)剌敋?。另外一個是液氨。液氨儲氫密度高，是重點推薦的一種氫的載體，因為液氨很容易分解出氫，而且分解的能耗很低，液氨的質(zhì)量儲氫密度和體積儲氫密度都很高，從質(zhì)量儲氫密度來看，70兆帕高壓瓶儲氫密度約為5%，而液氨100千克可以儲17.8千克氫。體積儲氫密度一立方米120千克氫，從體積上來看液氨比液氫高一倍的氫含量，同時，化肥的主要成分是氨，液氨在中國產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好，技術(shù)非常成熟，運輸同液化石油氣(LPG)一樣。通過對液化氫、甲基環(huán)己烷(MCH)、液化氨等三種液化氫能載體對比，總體看液氨能效最高，使用經(jīng)驗最成熟，基礎(chǔ)設(shè)施最完善，綜合成本最低。氫能載體液化氨可以進(jìn)行全產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)鏈的應(yīng)用。工業(yè)催化合成氨，現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，而且工業(yè)催化合成氨的效率比較高。從長期看，除了工業(yè)催化，未來還有電催化合成氨。另一方面，氨可以直接用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，也可以和煤電廠的燃燒鍋爐進(jìn)行混燒，日本認(rèn)為這是成本最低的一種做法，現(xiàn)在正在推廣20%和30%的混燒。

據(jù)IEA今年5月份發(fā)布的報告，到2050年將會有5億噸氫和氫的載體(氨和氫合成燃料)應(yīng)用于汽車、船舶、遠(yuǎn)洋、化工、鋼鐵、建筑、發(fā)電、儲能等各個行業(yè)。面向碳中和，氫能載體發(fā)展前景非常廣闊。

(內(nèi)容根據(jù)第三屆未來能源大會發(fā)言整理，整理人：王雪辰)

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