【专家视角】欧阳明高:迎接第三次能源革命

发布时间:2021-01-21 15:25 点击数:170

2020年是新能源汽车发展具有里程碑意义的一年。

这一年,新能源汽车行业峰回路转,新能源汽车规划(2012-2020)目标任务圆满收官。

这一年,是新能源汽车大规模进入家庭的元年,是新能源汽车从政策驱动到市场驱动的转折年,也是新能源汽车利好政策频出的一年。尤其是中国提出2030年碳达峰和2060年碳中和的宏伟目标,给新能源汽车可持续发展注入强大动力。

每次能源革命都是先发明了动力装置和交通工具,然后带动对能源资源的开发利用,并引发工业革命。

第一次能源革命,动力装置是蒸汽机,能源是煤炭,交通工具是火车。

第二次能源革命,动力装置是内燃机,能源是石油和天然气,能源载体是汽油和柴油,交通工具是汽车。

第一次能源革命,英国借机超过荷兰。第二次能源革命,美国顺势超过英国。

现在正处于第三次能源革命,动力装置是各种电池,能源是可再生能源。能源载体有两个——电和氢,交通工具是电动汽车。所以,这一次也许是中国赶超的机会。

第四次工业革命是什么?我个人理解是以可再生能源为基础的绿色化和以数字网络为基础的智能化。

我从能源与工业革命的视角,从三个方面来谈新能源汽车。第一,动力电动化的新进展,也就是电动车革命。第二,能源低碳化的新要求,即新能源革命。第三,系统智能化的新趋势,即人工智能革命。

 

01.动力电动化的新进展

动力电动化已经在中国进行了20年,锂离子电池的发明实现了蓄电池领域百年来的历史性突破。新一代车用动力电池和氢燃料电池等电化学能源系统的产业化,是汽车动力百年来的历史性突破。

来看看近年来该领域取得的新进展。

首先,中国纯电动汽车动力电池的技术创新非常活跃。

中国动力电池技术创新的模式已经从政府主导向市场驱动转型,从行业政治运作向企业商业运作转型。近期很多发布会都谈到电池创新话题,这是正常的商业运作,当然不能过度。

其次,中国电池材料研究处于国际先进行列,但电池材料创新是厚积薄发的过程,需要长期努力。

我们要平衡比能量、寿命、快充、安全、成本等相互矛盾的性能指标。如果有人说,一款电动汽车既能跑1000公里,又能几分钟充完电,还特别安全,并且成本非常低,这显然不太现实,因为按照目前技术,这些不可能同时达到。

值得一提的是,电池系统的结构创新辅以电池单体材料的改进,成为近年来中国动力电池技术创新的鲜明特征。

这是采用工信部电动车车型数据画的一张图。横轴是电池系统的总能量,纵轴是续航里程。可以看出,车载电池包的总能量和相应的续航里程不断提升,正在向千公里续航里程迈进。

刚开始,三元动力电池还没有实现产业化,那时主要是磷酸铁锂电池,所以续航里程偏低。后来,体积能量密度高的三元电池工业化解决了这一难题,车载电池能量大幅增加,电动轿车市场开始启动。

续航里程虽然有所增加,但还不是特别高。近年来,三元电池比能量提升,受到安全问题限制,没有大幅增长,所以行业转向电池系统结构创新。

上图中,红色箭头代表三元单体电池性能。近年来,通过补锂、添硅,以及固液混合电解质等,做了一些改进。

目前,三元方形电池能量密度可以达到300瓦时/公斤。采用固液混合电解质的软包电池可以达到360瓦时/公斤,相当于方形电池的320-330瓦时/公斤。现在,磷酸铁锂电池补锂、添硅后,突破了200瓦时/公斤。

对乘用车而言,关键是提升电池系统比能量,让轿车的有限空间内可以装更多电池。

电池系统结构从原来标准的355模组和590模组,进一步发展到宁德时代的CTP(单体到电池包)无模组系统。尤其是比亚迪的刀片电池无模组系统,通过电池结构创新,大幅提升成组效率。单体到系统比能量打折的比值,从原先的0.4提到0.6,即单体到系统的体积成组效率从40%增加到60%,提升了50%。

这是一个巨大变化,使原来装磷酸铁锂电池的轿车续航里程不够长的问题基本得到解决。续航里程可以做到600公里。

近期国轩高科又推出J2M,就是电池卷芯直接到模块。这些都是中国企业,是中国电池行业引领国际电池技术发展的一个重要标志。

进一步向前发展,可能还有电池包直接作为底盘的结构件(如刀片电池包),或者单体直接到车辆等。这些都有待进一步研究,创新潜力还比较大。

虽然千公里续航并不是我们追求的主要目标,但电动汽车能量需求肯定会上升。如近期出现的冬天低温续航里程缩水问题,实际也是能量问题。更重要的是,提升整车集成技术水平,即电动汽车节能水平。

为什么低温续航里程缩水会这么大?

首先,是电芯性能在低温下的下降,同时制热比制冷能耗更大。其次,是动力系统效率降低,比如制动能量回馈功能基本丧失,滚动阻力增大。再次,是里程估计精度下降,这容易引起顾客的里程焦虑。

总体看,中国电动车环境适应性技术需求迫切,以下是技术创新及其改进方向。

第一,电池热管理系统效能优化,包括PTC加热器、热泵空调、电机激励加热等。

目前,PTC加热需进一步改进,云端控制提前预热。热泵空调在低温下的效能需要进一步增强。电机激励加热是电机静止时,通过电机线圈和电池组成回路对电池加热,这是很好的方案,但噪声较大,加热速率每分钟3°C度不算高。现在有改进技术,可以提升加热速度至每分钟8°C度。

第二,面向冬季工况的动力系统能量综合利用,包括回收电机运行的废热进行电池加热。另外,无法回馈的电可以用于PTC加热。

第三,充电场景下电池的插枪保温和脉冲加热。

目前大家回家充电才插枪,充完电就拔掉,但后续为了有序充电,插枪并不一定充电,到后半夜才充电。

还有车与电网互动(V2G),往电网回馈电,就是反向充电。这些都要求充电桩一直跟车保持相连,为插枪保温带来方便,也就是出车前,提前半小时用电网电对车加热。此外,具备双向充电功能的快充桩,可以对电池进行脉冲加热。

动力电池的热安全问题没有得到根本解决。电池热安全问题本质上是,电池自生热连锁反应引起的电池热失控(温度失控)。

总体看,中国动力电池安全问题研究早,热失控科学和技术研究走在世界前列。重点主要是本征安全、被动安全和主动安全三方面安全保障技术。

所谓本征安全,即从单体电池的热失控机理着手,从材料层次进行热设计,从设计和制造角度保证安全。

所谓被动安全,即在某一个单体电池热失控后,通过系统热管理,即隔热和散热的方法,抑制它在电池包内蔓延的速度,保持不燃烧状态。现在法规要求是5分钟,将来会提升到半小时。中国领先企业已经发布不燃烧的电池包产品,是很重要的技术进展。

所谓主动安全,即电池智能管理与充电控制。例如,利用云平台和电池大数据进行热失控提前预警,这是整车企业必须掌握的核心技术。领先厂家已完全可以做到,正在推广普及中。

总体看,安全是汽车追求的永恒主题,不能指望换一种新电池后,所有安全就都彻底解决。安全是相对的,都由安全技术来保障。

下面,谈谈氢燃料电池技术现状与趋势。

经过长期艰苦努力,中国车用燃料电池技术近年来取得产业化突破。氢燃料电池技术比锂离子电池技术研究要早,经过20年研究,经历了一些曲折,近年来取得重大突破。

数据统计显示,氢燃料电池性能跟5年前相比,所有主要性能指标都大幅提升。比如,核心指标燃料电池寿命提升300%。国产燃料电池零部件产业链已经建立,系统集成能力大幅增强,头部企业正在形成。

下一步重点是,使燃料电池系统成本10年内下降80%以上。

过去10年,锂离子电池就是这种发展路线,燃料电池滞后了10年。系统成本要从2020年的5000元/千瓦,下降到2030年的600元/千瓦。

近期行业已经开始打价格战。说实话,我不希望现在就打价格战,应该是稳步下降。但总体来看,价格下降完全可预期。

燃料电池汽车不仅需要燃料电池系统成本降低,重要的是车载储氢成本,这个成本预测比燃料电池下降会相对慢一些。

现在,国内已经投产塑料内胆碳纤维缠绕的700大气压车载高压储氢瓶。因刚开始生产,成本很高,预计到2025年,储一公斤氢的氢瓶成本3000元。主要材料成本来自碳纤维,中石化已经建立大型高强度碳纤维工厂来解决这一问题。

往前看氢能燃料电池技术路线图。2025年目标是,推广5-10万氢燃料电池车;2030-2035年实现80-100万辆应用规模。到2030年,氢需求量300万吨左右,这可能比我们预期的低。这些都是以商用车为主体预测。

如果是轿车,几十万吨就够了。但加氢站数量可能比我们想象要多,因为加氢效率比加天然气要低,氢是最轻的一种气体,只是天然气密度的1/8。

氢燃料电池汽车发展还面临一些挑战。比如,氢燃料产业链自主化程度与技术水平和燃料电池还有差距,电解绿氢技术、氢储运技术、氢安全技术还需要改进提升,氢燃料成本总体偏高,这在今后5-10年必须努力解决。

总结比较各种汽车动力,如果基于化石能源来看,各类轿车油井到车轮的能效,三种电动汽车动力比传统汽油车要高很多;但是基于化石能源的纯电动、燃料电池与油电混合动力能效差别不大。

既然如此,如果基于化石能源,油电混合动力其实是非常合理的选择。那为什么非要搞纯电动和燃料电池汽车呢?这就必须从革命角度来看待这个问题,即能源低碳化的新要求。

 

02.能源低碳化新要求

国际公认第三次能源革命有五大支柱。

第一,向可再生能源转型。

第二,集中式转向分布式。建筑都变成微型发电厂,北京市已开始补贴光伏,清华大学计划在大部分房顶都铺上光伏。

第三,用氢气、电池等技术存储间歇式能源,因为可再生能源是间歇波动的。

第四,发展能源互联网技术,把分布式能源链接起来。

第五,电动汽车成为用能、储能并回馈能源的终端。

所以,电池、氢能和电动汽车是新能源革命的重要组成部分,中国提出2030/2060低碳发展目标和能源革命重大战略。中国的光伏和风电在全球具备优势,已具备更大规模推广条件,但储能是瓶颈,要靠电池、氢能和电动车来解决。

逻辑上讲,只有实现新能源汽车大规模发展,才能实现新能源革命,只有实现新能源革命,才能实现中国碳中和目标。

下面解释一下这个逻辑。

有待开发的可再生能源主要是风和光,能源载体是电和氢。

首先是电能,电的载体是光伏、风机转化而来。光伏是一个革命性技术,现在市场上规模销售的硅基太阳能电池效率在22%左右,在我国西部光照条件好的地方,大规模光伏发电成本都在一毛钱左右。

下一步,硅基光伏会和钙钛矿进一步结合,把可见光和近红外光都用上,效率可进一步提升到30%以上。钙钛矿出现10年,已经有了突飞猛进的进步,从10年前效率3%到现在实验室已接近30%,它会和单晶硅结合,再做成复合的光伏电池。

国际能源署认为,光伏将是综合成本最便宜的能源,所以技术创新非常活跃。

其次是氢能。面向碳中和前景,氢能汽车只是氢能利用的一部分,或者说是先导部分。

氢能不仅仅是为了汽车,发展氢能汽车使命之一就是为了带动氢能全面发展。因为交通行业对氢价格容忍度最好,以后还有炼钢、化工、发电、大型燃气轮发电机组也要用氢。

氢能目前主要通过电解水制得。电解水制氢和刚才讲的燃料电池恰巧是一个逆过程。氢和氧结合生成水,发出电,但是有电和水就可以产生氢气和氧气,所以把燃料电池成本降下来,也可以带动制氢成本下降,这是一个问题的两个方面。

现在主要有三种燃料电池,也就有三种主要制氢方式。

碱性燃料电池对应碱性电解,质子交换膜燃料电池对应质子膜电解,固体氧化燃料电池对应固体氧化物电解,它们技术成熟度各不相同。

现在成熟的、中国有价格优势的是碱性电解技术,正在进行商业化的是质子交换膜电解技术。我认为5-10年后,质子交换膜电解技术会大规模发展起来。

正在发展的未来一代是固体氧化物电解技术,因为效率极高。可再生能源制氢成本和可再生能源电价密切相关。目前,我们在张家口风电制氢电价0.15元一度,氢的电耗成本一公斤氢约7元。

此外,还有很多氢的载体,比如液氨,做尿素的氨,它的质量储氢比可以达到17.8%。体积储氢密度更高,100升可以做到12公斤,比液氢要高一倍以上。液氢大概100升能到6公斤。

所以,国际上也有所谓的氨经济、氮循环等很多新概念。氨可直接用于化肥和塑料橡胶等产品和发电,分解出氢后,又可以用于更多方面。制氨的过程是先电制氢,然后捕捉空气中的氮,氮和氢结合生成氨,可以用传统工业催化合成氨,现在正在发展电催化合成氨新技术。

还有就是电制合成燃料。现在的欧洲,尤其是德国,特别热的是用可再生能源发电制合成燃料,叫E-FUEL。在中国叫“液态阳光”,最近“液态阳光”很火热。

电合成燃料可以是各种各样的,如汽油,但中国说的“液态阳光”主要指甲醇。电制氢,氢加二氧化碳可以合成甲醇,再以甲醇为中间产物,合成二甲醚等。或者氢与一氧化碳组成的合成气,通过费托工艺生成中间产物合成油,再改质异构生产汽油等最终产品。

这条技术路线燃料使用端不用建基础设施,但生产端要建大量基础设施。生产1升油需要2.9-3.6公斤二氧化碳。如果从空气捕捉耗能比较大,但作为燃料燃烧使用时,二氧化碳又回到大气。如果用于氢燃料电池,还要从甲醇再重整反应,获得氢和二氧化碳,这种情景下,甲醇实际是作为氢的储运方式。

所以,需要对基于可再生能源进行全链条的能效分析。

据壳牌公司研究报告,如果充电,电动车能效大约77%,如果是氢燃料电池车,大约是30%。因为电制氢效率60%多,燃料电池能效50%-60%,这两者相乘就是30%多。而纯电动基本上没有这个过程,最简单,也最直接。

利用电合成燃料继续采用内燃机汽车则是13%。如果电价相同,总体能效差别大体就是成本差别,对可再生能源而言,主要不是节能和排放问题,而是成本问题。所以,充电电池能干好的事一般来讲就不用氢燃料电池,但还有很多应用场景充电电池是干不好的。

还有一个问题,制氢用的电价有没有可能比充电电价更便宜?

这是有可能的。这就是我要谈到的第三点,系统智能化的新趋势——人工智能革命,必须从系统角度来观察才能找到结论。

 

03.系统智能化的新趋势

再生能源系统为主的能源系统必须要有储能装备,还要有提供基础电源的大型发电机组。这个大型发电机组现在用化石能源,将来用氢或者液氨等。

基于可再生能源的智慧能源系统里,负荷、电源、储能和网络协同互动,电价是由系统的能量流和信息流耦合动态过程决定。从环节看,可再生能源主要成本将来不一定在发电环节,而可能在储能等其他环节。

因此,储能是关键。

从储能的功率和存储时间看,电池是中小功率短周期存储。它与分布式光伏匹配还可以,但对有些大规模风电厂就不一定合适。如这月有风、下月没风等场景,这时主要靠氢。氢是大规模长周期储存,这两种储能必须组合,才能构成一个总的储能系统。

先看电池储能技术。受电动汽车市场拉动,动力电池需求大幅上升。乐观估计,2025年,中国电池产量可能会达到年产10亿千瓦,是一个庞大的产业,成本会持续下降。以锂离子电池为代表的动力电池,正在成为分布式短周期小规模可再生能源储存的最佳选择。

如果我们10年多时间发展到1亿辆充电电动汽车,车载电池总能量就达50亿-60亿度电,储能潜力巨大。但同时也要看到,充电的功率也巨大,但耗电量并不是很大,这是值得注意的特征。

讲一个极端情况。如果3亿辆乘用车全部改成纯电动车,每辆车平均65度电,那么车载储能容量约为200亿千瓦时,与中国每天消费的总电量相当。

如果10%的电动车,3000万辆车按照50千瓦的中等速率同时充电,那么,充电总功率就是15亿千瓦,与全国电网总装机功率相当。

电力系统功率全都给电动车充电,这是不可能实现的。那么,按平均每辆轿车年行驶2万公里,3亿辆车每天消费电量大约20亿千瓦时,占比总消费量10%,这完全可接受。

大规模电动汽车推广的优点是储能潜力巨大,问题是充电功率也巨大。要趋利避害,首先利用储能潜力来抑制电网波动。

据国家发改委能源研究所研究报告,北京到2030年,总电力负荷在1500万千瓦到3300万千瓦之间剧烈波动,如果有500万辆电动车储能作用,电网负荷波动范围缩小到2000万千瓦到2200千瓦之间。

但是,如果有6万辆车同时用350千瓦从电网充电,则充电总功率超过2000万千瓦,几乎相当于北京电力的总负荷。

所以,必须通过有序充电、车与电网双向充电、储能放电、换电池和充换电一体化等智能充电方式,将充电功率大幅收窄。

我个人认为,对于商业目的的乘用车,如共享车、出租车,原则上换电是不错的商业模式,不过换电的最佳场景可能还是电动中重卡。中重卡可以使用充换一体化快速能源补给站,轿车超级快充与中重卡快速换电,两者合建。

重卡要的电池容量大大超过轿车,换电的备用电池包可以给轿车放电,提供快充,形成互补。最终的形态将是,“光-储-充-换”多能互补的微网系统。

卡车换电已经在国内开展。我个人认为,卡车换电从经济账来看,完全可以算过来。在特殊场景,比如港口和煤矿已经做得不错,现在要在高速公路上实现。

这种换电只需三五分钟,车电分离、电池租赁,电池由电池银行持有。大的电池银行电池用电量大,负荷预测准,可以在电力交易中拿到低电价。同时,大量购买电池也可以压低电池价格。另外,全生命周期管理电池,可以使电池寿命增长、梯次利用。

关键是标准法规。目前,轿车换电标准法规比较难进行,因为汽车品牌不一样,诉求不相同,泥腿子和穿皮鞋的很难在一块换电。相对而言,卡车问题不大。

换电本来是因为充电慢、充电不方便等原因而兴起,对轿车快充大家肯定还有疑虑。要强调的是,对私家乘用车而言,基于车网融合和大功率快充技术的发展前景,以及电池底盘一体化设计趋势,我个人更看好充电。

私家车平时在家或者在单位慢充(单位建慢充桩的潜力还没有完全挖掘出来),还可以车网互动。国家电网电动车服务公司正在示范车网互动,通过国网电动的后台调度系统,志愿者的车既可以充电买电,又可以放电卖电。卖电高价、充电低价,用电费用可以基本平衡,甚至还可以赚钱。也就是说,买电动车后,将来能源费用会趋于零甚至盈利。

但高速公路长途必须有一个超快补电措施。什么情况下超快补电合适?

一般而言,安全事故都是在电池电量80%以上出现,很少发现50%电量以下有安全事故。

这从电化学机理可以解释。在电量充满时,正极材料的锂离子大部分都跑出来了,结构稳定性最差。锂离子嵌入负极后,电池膨胀导致内应力加大,内短路隐患容易发生。充满之后,电池组的不一致性暴露,如果管理不好,个别电量低的单体电池就有可能经过充析锂了。

电量低于50% 时,这些情况一般不会发生。应急补电肯定是在低电量时进行,而且只补电不充满。

2020年,电联公布了中日两国合作制定的大功率快充新标准——超级充电标准。中电联预计,2025年可以全面提供超充服务。我们团队研究表明,对一个续航里程600公里的汽车,5分钟应急补电充200公里(也就是电量增加1/3)完全可行。

但要注意,对一个续航里程200公里的汽车,用5分钟充满,这一般做不到。除非它采用特殊负极快充电池,如钛酸锂负极。

其次,在应急补电快充时温升快,要进行增强冷却。还有在冬天低温条件下,必须先加热再快充,充电站的低温脉冲加热技术,可以做到每分钟升温8°C度。这些技术都在开发中,我们和国网合作,准备选择高速公路率先示范。

 

04.中国特色的长途输氢方案

接下来谈谈氢能。

氢能是集中式可再生能源大规模、长周期存储的最佳途径。理由是:

第一,能源利用的充分性。

氢能大容量、长周期储能模式对可再生电力利用更充分。有些电力电池储不了,比如四川的季节性水电,只有氢能能储存。所以,制氢的电价比充电电价便宜有可能。

第二,规模储能的经济性氢能比电池好。

车下固定储氢大概比储电成本大约要低一个数量级。

第三,与电网基础发电电源的互补性。

氢能可作为大容量、长周期、高功率灵活能源使用,如用于燃料电池发电,或用于大型氢燃气机发电。大电网不可能全是风电、光伏。

德国能源转型早,可再生能源比例高,由于当时储能技术不成熟,只能保留大部分传统发电机组作为灵活能源,用于调节和稳定电网,实施双保险措施,导致电价很贵。

现在,靠储能可以把传统机组规模降下来,但不可能降得很低,必须要有基础电源,这时氢可以发挥重大作用。

第四,氢的制、储、运方式灵活。

我国大规模集中式可再生能源基地在新疆、内蒙、宁夏等西部偏远地区,这些地方的氢能需要千公里以上长途输运。

同时,绿氢输送通道和特高压电输送通道是重合的,发挥超高压输电的中国优势,开展长途输电当地制氢也是一种选择。这两类方式从储能角度没什么太大差别,关键是谁的经济性更好。

我们经过初步分析发现,长途输电当地制氢方案总体有一定优势。

按电力专家介绍的特高压千公里输电成本为8分钱/度电为基准计算,当可再生能源发电在0.1元/千瓦时左右时,可以大致实现加氢枪出口价格30元/kg左右的目标,比柴油具有价格竞争力。

这样一来,就形成一种中国特色的长途输氢方案,而且利用了我国能源互联网优势。

展望未来10年,交通智慧能源生态建设大概有两个组合。

一个黄金组合是,分布式光伏+电池+电动汽车+物联网+区块链。一个白银组合是,集中式的远距离的风电与光伏+氢能储能,及发电+燃料电池汽车+物联网+区块链。

一个是分布式的智慧能源,一个是集中式的智慧能源。两者结合,共同构成面向碳中和的智慧能源大系统。

最后做个总结,迎接第三次能源革命和第四次工业革命。

100多年前的第二次能源革命,引发了马车到汽车的大转型和石油行业的大繁荣。主要转型期从1900年开始,经历25年左右。

第三次能源革命就在眼前。我预计与上次马车到汽车的转变类似,今后二三十年,交通装备与能源化工相关产业将发生百年未有之大变局。

让我们共同迎接第四次工业革命,即以可再生能源为基础的绿色化和以数字网络为基础的智能化。

来源:帮宁工作室


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