百人會2021云論壇｜中科院歐陽明高：換電的最佳用場景還是電動中重卡

國際能源署認為光伏將是綜合成本最低最便宜的能源，所以現在技術創新非常活躍。其次是氫能，可再生能源只有兩個載體，電能和氫能。面對碳中和的前景，氫能汽車只是氫能利用的一部分，或者說是領先的一部分。氫能不僅僅是汽車，發展氫能汽車的使命之一就是推動氫能的全面發展。因為交通運輸行業對氫氣價格的容忍度最好，煉鋼、化工、發電、大型燃氣輪機發電機組等未來也將使用氫氣。目前氫能主要是通過電解水產生的。電解水制氫恰好是剛剛提到的燃料電池的逆過程。氫和氧結合產生水，產生電，但是有了電和水，氫和氧都可以產生，所以降低燃料電池的成本也可以壓低制氫的成本，這是一個問題的兩個方面。目前主要有三種燃料電池，所以制氫主要有三種方式。堿性燃料電池對應堿性電解，質子交換膜燃料電池對應質子膜電解，固體氧化物燃料電池對應固體氧化物電解，技術成熟度不同。目前國內堿性電解技術成熟且具有價格優勢，質子交換膜電解技術正在商業化。我認為質子交換膜電解技術將在5-10年內得到大規模發展。發展中的下一代是固體氧化物電解技術，因為它效率高。可再生能源制氫的成本與可再生能源的電價密切相關。目前張家口風力制氫的電價是15分錢，氫氣的用電成本大概是7塊錢一公斤氫氣。此外，還有很多氫的載體，比如液氨，作為尿素使用。其質量儲氫率可達17.8%，體積儲氫密度較高。100升可以達到12公斤，比液氫高一倍多，液氫100升左右可以達到6公斤。因此，國際上出現了很多氨經濟、氮循環等新概念。氨可直接用于化肥、塑料、橡膠等產品和發電，分解氫氣后可用于更多領域。制氨的過程是先用電產生氫氣，再捕捉空氣中的氮氣。氮和氫結合可以產生氨，傳統工業可以催化。現在正在開發一種新的電催化氨合成技術。還有電合成燃料。現在在歐洲特別是德國很熱利用可再生能源產生合成燃料，這種燃料叫E-FUEL，在中國叫“液態陽光”。你可能知道“液態陽光”最近很火。電合成燃料可以有很多種，比如汽油，但中國的“液態陽光”主要指的是甲醇。電制氫，氫氣和二氧化碳可以合成甲醇，中間產物甲醇可以合成二甲醚。或者由氫氣和一氧化碳組成的合成氣通過費-托工藝生產成中間合成油，然后改質和異構化生產最終產品如汽油。這個技術路線燃料端不需要建設基礎設施，但是生產端會建設很多基礎設施。生產一升油需要2.9-3.6公斤二氧化碳，如果從空氣中捕捉會消耗大量能量。但是當用作燃料時，二氧化碳又回到了大氣中。如果用于氫燃料電池，將從甲醇重整反應中獲得氫氣和二氧化碳。在這種情況下，甲醇實際上被用作氫氣的儲存和運輸方法。因此，有必要對基于可再生能源的全鏈條能效進行分析。根據殼牌的研究報告，可充電電動汽車的能效約為77%，氫燃料電池汽車的能效約為30%。因為電制氫的效率在60%以上，而能源效率……燃料電池的cy是50-60%，兩者相乘是30%以上，而純電動基本沒有這個過程，這是最簡單最直接的。繼續使用電合成燃料內燃機的汽車占13%。如果電價相同，整體能效的差異大致就是成本差異。對于可再生能源來說，主要不是節能減排問題，而是成本問題。所以，如果充電電池能做好事，一般來說，氫燃料電池是不用的。但還是有很多應用場景是充電電池做不好的。另一個問題是，有沒有可能制氫的電價比充電的電價便宜？有可能。這是我要講的第三點，系統智能的新趨勢，人工智能革命。我們必須從系統的角度來觀察它，才能得出結論。第三，系統智能化的新趨勢。基于可再生能源系統的能源系統必須有儲能設備，以及提供基本電力的大型發電機組。這個大型發電機組現在使用化石能源，未來使用氫氣或液氨。在基于可再生能源的智慧能源系統中，負荷、電源、儲能和網絡協同作用，電價由系統的能量流和信息流耦合的動態過程決定。如果從環節來看，未來可再生能源的主要成本不一定在發電環節，可能在儲能等其他環節。所以，儲能是關鍵。從儲能的功率和儲存時間來看，電池是中小功率的短期儲存。可以和分布式光伏匹配，但不一定適合一些大型的風電場。如果這個月有風，下個月沒有風，主要是氫氣。氫是大規模的長期儲存，所以這兩種儲能必須結合起來形成總儲能系統。先看電池儲能技術。現在在電動車市場的帶動下，動力電池的需求大幅上升。樂觀估計，2025年我國電池產量可能達到每年10億千瓦時，這是一個巨大的產業，成本還會繼續下降。動力電池，如鋰離子電池，正在成為分布式短期和小規模可再生能源存儲的最佳選擇。如果十幾年發展到1億輛可充電電動汽車，車載電池總能量將達到50-60億千瓦時，儲能潛力巨大。但同時也要看到，充電功率也是巨大的，但耗電量并不是很大，這是一個值得注意的特點。我來說一個極端的情況。如果中國3億輛乘用車全部轉換為純電動汽車，每輛車平均功率為65千瓦時，那么車載儲能容量約為200億千瓦時，相當于中國每天的總用電量。如果10%電動車3000萬輛同時充電，以50千瓦的中速充電，總充電功率為15億千瓦，相當于國家電網總裝機功率。不可能實現電力系統的所有電力都給電動車充電。那么，按照一般汽車一年行駛2萬公里計算，3億輛汽車每天的用電量約為20億千瓦時，占總用電量的10%，是完全可以接受的。電動汽車大規模推廣的好處是儲能潛力巨大，但問題是充電功率也巨大。趨利避害，首先要利用儲能潛力抑制電網波動。根據國家發改委能源研究所的研究報告，到2030年，北京的電力總負荷將在1500萬千瓦至3300萬千瓦之間劇烈波動。如果有五百萬輛電動汽車進行儲能，電網負荷波動范圍將降低到2000萬千瓦到2200千瓦之間。但如果有6萬輛車同時從350千瓦的電網充電，總充電功率將超過2000萬千瓦，幾乎相當于北京電力的總負荷。因此，充電功率必須通過智能大大縮小……有序充電、車輛與電網雙向充電、儲能放電、電池更換、充換電一體化等nt充電方式。我個人認為，對于商業用途的乘用車，比如汽車共享、出租車，換電原則上是一種很好的商業模式。不過換動力最好的場景可能還是電動中重型卡車。這種中重卡可以使用一體化快速供能站，汽車超級快充，中重卡快速換電，兩者可以合建。重卡的電池容量遠高于轎車，換電的備用電池組可以給轎車放電，提供快速充電，是互補的。最終形成的將是一個“光-儲-充-換”多重互補功能的微電網系統。目前國內已經開展了卡車換電，我個人認為卡車換電可以從經濟賬來算。在一些特殊場景，比如港口、煤礦，已經做得很好了，現在要在高速公路上實現。這種換電只需要三到五分鐘，車電分離，電池租賃。電池組容納電池。大電池庫的電池消耗量大，負荷預測準確，因此在電力交易中可以獲得較低的電價。同時，大量購買電池也可以降低電池的價格。此外，電池的生命周期管理可以延長電池壽命，并逐步加以利用。現在的關鍵是標準法規。目前汽車換電的標準法規很難執行，因為各種車的品牌和需求都不一樣，泥腿和皮鞋很難一起換電。但相對來說，貨車問題不大。另外，換電本來就是因為充電慢，充電不方便。快充車肯定有疑問。需要強調的是，對于私人乘用車，基于車聯網一體化和大功率快充技術的發展前景以及電池底盤的一體化設計趨勢，我個人更傾向于充電。私家車一般是在家里或者公司慢充(公司慢充電樁的潛力根本沒有挖掘出來)，還可以和車聯網互動。現在國家電網電動汽車服務公司正在演示車網互動。通過國網電力的后臺調度系統，志愿者的車可以充電買電，放電賣電，高價賣電，低價充電，基本可以平衡用電，甚至賺錢。也就是說，買了電動汽車后，未來能源成本會趨于零甚至盈利。但是，長距離高速公路必須有超快速供電措施。什么情況下超快供電合適？一般來說，電池電量在80%以上就會發生安全事故，電池電量在50%以下很少會發現安全事故。這可以用電化學機理來解釋。電荷充滿時，正極材料的鋰離子大部分耗盡，結構穩定性最差；鋰離子嵌入負極后，由于電池膨脹，內應力增大，容易出現內部短路的隱患。還有就是電池組充滿電后曝光不一致。如果管理不善，單個電池容量低的電池可能會被過度充電。功率在50%以下一般不會出現這些情況。應急電源必須在電量低，電源未滿時進行。2020年，中國電力企業聯合會公布了中日聯合研發的大功率快速充電新標準——超級充電標準，預計2025年中國電力企業聯合會可提供全面過充服務。根據我團隊的研究，給一輛續航里程600公里的車充電五分鐘跑200公里是完全可行的(也就是電量增加1/3)。但需要注意的是，一輛車5分鐘續航里程200公里，一般是不可能的，除非用特殊負極的快充電池，比如鈦酸鋰負極。其次，應急電源快速補充充電時溫度上升很快，需要加強冷卻。另外，冬天一定要先加熱再快速充電。充電站的低溫脈沖加熱技術，每分鐘可升溫8℃度。這些技術現在正在研發中，我們準備選擇高速公路作為與國家電網合作的第一個示范。我來說說氫能。氫能是集中式可再生能源大規模長期儲存的最佳方式。原因是:第一，能源利用的充分性。氫能的大容量長周期儲能方式充分利用了可再生電力。有些動力電池是不能儲存的，比如四川的季節性水電，只能儲存氫氣。所以有可能制氫的電價比充電便宜。第二，大規模儲能的經濟性氫能優于電池，車下固定儲氫比蓄電成本低一個數量級左右。三是對電網基礎電源的補充。氫能可作為大容量、長周期、高功率的柔性能源，如燃料電池發電或大型氫氣渦輪發電。大電網不可能全是風電和光伏。德國能源轉型早，可再生能源比例高。由于當時儲能技術并不成熟，傳統發電機組大多只能作為靈活能源儲備調節和穩定電網，并實行雙保險措施，導致電價居高不下。目前傳統機組的規模可以通過儲能來降低，但不可能降低到很低。必須要有基本的電力供應，這個時候氫氣就能發揮重要作用。第四，氫氣生產、儲存和運輸靈活。我國大型集中式可再生能源基地位于新疆、內蒙古、寧夏等偏遠西部地區，氫能需要輸送上千公里。同時，綠氫的輸送通道與超高壓輸電通道重合，充分發揮超高壓輸電的中國優勢，通過遠距離輸電發展本土制氫也是一種選擇。這兩種方式從儲能的角度來看沒有太大區別。關鍵是誰更節約。我們初步的分析比較表明，長距離輸送的本地制氫方案總體上具有一定的優勢。根據電力專家的介紹，UHV 1000公里輸電的成本是8美分/千瓦時。當可再生能源發電量在0.1元/千瓦時左右時，加氫出口價格大致可以做到30元/公斤左右，與柴油具有競爭力。這樣就形成了具有中國特色的長距離輸氫方案，利用了中國能源互聯網的優勢。展望未來十年，交通智慧能源生態建設大概有兩種組合。黃金組合被分配……光伏+電池+電動車+物聯網+區塊鏈；還有銀色組合，集中式遠程風電光伏+氫能儲能發電+燃料電池汽車+物聯網+區塊鏈。一個是分布式智慧能源，一個是集中式智慧能源。兩者結合形成了面向碳中和的未來智能能源系統。最后我做個總結——迎接第三次能源革命和第四次工業革命。100多年前的第二次能源革命，引發了從馬車到汽車的大轉變和石油工業的大繁榮。主要過渡期始于1900年，持續了約25年。現在，第三次能源革命即將到來。我估計類似于上一次的車廂到汽車的轉變，未來20到30年，交通運輸設備和能源化工相關行業會發生很大的變化。讓我們一起迎接第四次工業革命，那就是基于可再生能源的綠色化和基于數字網絡的智能化。謝謝大家！國際能源署認為光伏將是綜合成本最低最便宜的能源，所以現在技術創新非常活躍。其次是氫能，可再生能源只有兩個載體，電能和氫能。面對碳中和的前景，氫能汽車只是氫能利用的一部分，或者說是領先的一部分。氫能不僅僅是汽車，發展氫能汽車的使命之一就是推動氫能的全面發展。因為交通運輸行業對氫氣價格的容忍度最好，煉鋼、化工、發電、大型燃氣輪機發電機組等未來也將使用氫氣。目前氫能主要是通過電解水產生的。電解水制氫恰好是剛剛提到的燃料電池的逆過程。氫和氧結合產生水，產生電，但是有了電和水，氫和氧都可以產生，所以降低燃料電池的成本也可以壓低制氫的成本，這是一個問題的兩個方面。目前主要有三種燃料電池，所以制氫主要有三種方式。堿性燃料電池對應堿性電解，質子交換膜燃料電池對應質子膜電解，固體氧化物燃料電池對應固體氧化物電解，技術成熟度不同。目前國內堿性電解技術成熟且具有價格優勢，質子交換膜電解技術正在商業化。我認為質子交換膜電解技術將在5-10年內得到大規模發展。發展中的下一代是固體氧化物電解技術，因為它效率高。可再生能源制氫的成本與可再生能源的電價密切相關。目前張家口風力制氫的電價是15分錢，氫氣的用電成本大概是7塊錢一公斤氫氣。此外，還有很多氫的載體，比如液氨，作為尿素使用。其質量儲氫率可達17.8%，體積儲氫密度較高。100升可以達到12公斤，比液氫高一倍多，液氫100升左右可以達到6公斤。因此，國際上出現了很多氨經濟、氮循環等新概念。氨可直接用于化肥、塑料、橡膠等產品和發電，分解氫氣后可用于更多領域。制氨的過程是先用電產生氫氣，再捕捉空氣中的氮氣。氮和氫結合可以產生氨，傳統工業可以催化。現在正在開發一種新的電催化氨合成技術。還有電合成燃料。現在在歐洲特別是德國很熱利用可再生能源產生合成燃料，這種燃料叫E-FUEL，在中國叫“液態陽光”。你可能知道“液態陽光”最近很火。電合成燃料可以有很多種，比如汽油，但中國的“液態陽光”主要指的是甲醇。電制氫，氫氣和二氧化碳可以合成甲醇，中間產物甲醇可以合成二甲醚。或者由氫氣和一氧化碳組成的合成氣通過費托法生產成中間合成油，然后進行改質和異構化生產最終產品如汽油。這個技術路線燃料端不需要建設基礎設施，但是生產端會建設很多基礎設施。生產一升油需要2.9-3.6公斤二氧化碳，如果從空氣中捕捉會消耗大量能量。但是當用作燃料時，二氧化碳又回到了大氣中。如果用于氫燃料電池，將從甲醇重整反應中獲得氫氣和二氧化碳。在這種情況下，甲醇實際上被用作氫氣的儲存和運輸方法。因此，有必要對基于可再生能源的全鏈條能效進行分析。根據殼牌的研究報告，可充電電動汽車的能效約為77%，氫燃料電池汽車的能效約為30%。因為電制氫的效率在60%以上，而且能源效率……燃料電池的ncy是50-60%，兩者相乘是30%以上，而純電動基本沒有這個過程，這是最簡單最直接的。繼續使用電合成燃料內燃機的汽車占13%。如果電價相同，整體能效的差異大致就是成本差異。對于可再生能源來說，主要不是節能減排問題，而是成本問題。所以，如果充電電池能做好事，一般來說，氫燃料電池是不用的。但還是有很多應用場景是充電電池做不好的。另一個問題是，有沒有可能制氫的電價比充電的電價便宜？有可能。這是我要講的第三點，系統智能的新趨勢，人工智能革命。我們必須從系統的角度來觀察它，才能得出結論。第三，系統智能化的新趨勢。基于可再生能源系統的能源系統必須有儲能設備，以及提供基本電力的大型發電機組。這個大型發電機組現在使用化石能源，未來使用氫氣或液氨。在基于可再生能源的智慧能源系統中，負荷、電源、儲能和網絡協同作用，電價由系統的能量流和信息流耦合的動態過程決定。如果從環節來看，未來可再生能源的主要成本不一定在發電環節，可能在儲能等其他環節。所以，儲能是關鍵。從儲能的功率和儲存時間來看，電池是中小功率的短期儲存。可以和分布式光伏匹配，但不一定適合一些大型的風電場。如果這個月有風，下個月沒有風，主要是氫氣。氫是大規模的長期儲存，所以這兩種儲能必須結合起來形成總儲能系統。先看電池儲能技術。現在在電動車市場的帶動下，動力電池的需求大幅上升。樂觀估計，2025年我國電池產量可能達到每年10億千瓦時，這是一個巨大的產業，成本還會繼續下降。動力電池，如鋰離子電池，正在成為分布式短期和小規模可再生能源存儲的最佳選擇。如果十幾年發展到1億輛可充電電動汽車，車載電池總能量將達到50-60億千瓦時，儲能潛力巨大。但同時也要看到，充電功率也是巨大的，但耗電量并不是很大，這是一個值得注意的特點。我來說一個極端的情況。如果中國3億輛乘用車全部轉換為純電動汽車，每輛車平均功率為65千瓦時，那么車載儲能容量約為200億千瓦時，相當于中國每天的總用電量。如果10%電動車3000萬輛同時充電，以50千瓦的中速充電，總充電功率為15億千瓦，相當于國家電網總裝機功率。不可能實現電力系統的所有電力都給電動車充電。那么，按照一般汽車一年行駛2萬公里計算，3億輛汽車每天的用電量約為20億千瓦時，占總用電量的10%，是完全可以接受的。電動汽車大規模推廣的好處是儲能潛力巨大，但問題是充電功率也巨大。趨利避害，首先要利用儲能潛力抑制電網波動。根據國家發改委能源研究所的研究報告，到2030年，北京的電力總負荷將在1500萬千瓦至3300萬千瓦之間劇烈波動。如果有五百萬輛電動汽車進行儲能，電網負荷波動范圍將降低到2000萬千瓦到2200千瓦之間。但如果有6萬輛車同時從350千瓦的電網充電，總充電功率將超過2000萬千瓦，幾乎相當于北京電力的總負荷。因此，充電功率必須通過智能大大縮小……進入有序充電、車輛與電網雙向充電、儲能放電、電池更換、充換電一體化等充電方式。我個人認為，對于商業用途的乘用車，比如汽車共享、出租車，換電原則上是一種很好的商業模式。不過換動力最好的場景可能還是電動中重型卡車。這種中重卡可以使用一體化快速供能站，汽車超級快充，中重卡快速換電，兩者可以合建。重卡的電池容量遠高于轎車，換電的備用電池組可以給轎車放電，提供快速充電，是互補的。最終形成的將是一個“光-儲-充-換”多重互補功能的微電網系統。目前國內已經開展了卡車換電，我個人認為卡車換電可以從經濟賬來算。在一些特殊場景，比如港口、煤礦，已經做得很好了，現在要在高速公路上實現。這種換電只需要三到五分鐘，車電分離，電池租賃。電池組容納電池。大電池庫的電池消耗量大，負荷預測準確，因此在電力交易中可以獲得較低的電價。同時，大量購買電池也可以降低電池的價格。此外，電池的生命周期管理可以延長電池壽命，并逐步加以利用。現在的關鍵是標準法規。目前汽車換電的標準法規很難執行，因為各種車的品牌和需求都不一樣，泥腿和皮鞋很難一起換電。但相對來說，貨車問題不大。另外，換電本來就是因為充電慢，充電不方便。快充車肯定有疑問。需要強調的是，對于私人乘用車，基于車聯網一體化和大功率快充技術的發展前景以及電池底盤的一體化設計趨勢，我個人更傾向于充電。私家車一般是在家里或者公司慢充(公司慢充電樁的潛力根本沒有挖掘出來)，還可以和車聯網互動。現在國家電網電動汽車服務公司正在演示車網互動。通過國網電力的后臺調度系統，志愿者的車可以充電買電，放電賣電，高價賣電，低價充電，基本可以平衡用電，甚至賺錢。也就是說，買了電動汽車后，未來能源成本會趨于零甚至盈利。但是，長距離高速公路必須有超快速供電措施。什么情況下超快供電合適？一般來說，電池電量在80%以上就會發生安全事故，電池電量在50%以下很少會發現安全事故。這可以用電化學機理來解釋。電荷充滿時，正極材料的鋰離子大部分耗盡，結構穩定性最差；鋰離子嵌入負極后，由于電池膨脹，內應力增大，容易出現內部短路的隱患。還有就是電池組充滿電后曝光不一致。如果管理不善，單個電池容量低的電池可能會被過度充電。功率在50%以下一般不會出現這些情況。應急電源必須在電量低，電源未滿時進行。2020年，中國電力企業聯合會公布了中日聯合研發的大功率快速充電新標準——超級充電標準，預計2025年中國電力企業聯合會可提供全面過充服務。根據我團隊的研究，給一輛續航里程600公里的車充電五分鐘跑200公里是完全可行的(也就是電量增加1/3)。但需要注意的是，一輛車5分鐘續航里程200公里，一般是不可能的，除非用特殊負極的快充電池，比如鈦酸鋰負極。其次，應急電源快速補充充電時溫度上升很快，需要加強冷卻。另外，冬天一定要先加熱再快速充電。充電站的低溫脈沖加熱技術，每分鐘可升溫8℃度。這些技術現在正在研發中，我們準備選擇高速公路作為與國家電網合作的第一個示范。我來說說氫能。氫能是集中式可再生能源大規模長期儲存的最佳方式。原因是:第一，能源利用的充分性。氫能的大容量長周期儲能方式充分利用了可再生電力。有些動力電池是不能儲存的，比如四川的季節性水電，只能儲存氫氣。所以有可能制氫的電價比充電便宜。第二，大規模儲能的經濟性氫能優于電池，車下固定儲氫比蓄電成本低一個數量級左右。三是對電網基礎電源的補充。氫能可作為大容量、長周期、高功率的柔性能源，如燃料電池發電或大型氫氣渦輪發電。大電網不可能全是風電和光伏。德國能源轉型早，可再生能源比例高。由于當時儲能技術并不成熟，傳統發電機組大多只能作為靈活能源儲備調節和穩定電網，并實行雙保險措施，導致電價居高不下。目前傳統機組的規模可以通過儲能來降低，但不可能降低到很低。必須要有基本的電力供應，這個時候氫氣就能發揮重要作用。第四，氫氣生產、儲存和運輸靈活。我國大型集中式可再生能源基地位于新疆、內蒙古、寧夏等偏遠西部地區，氫能需要輸送上千公里。同時，綠氫的輸送通道與超高壓輸電通道重合，充分發揮超高壓輸電的中國優勢，通過遠距離輸電發展本土制氫也是一種選擇。這兩種方式從儲能的角度來看沒有太大區別。關鍵是誰更節約。我們初步的分析比較表明，長距離輸送的本地制氫方案總體上具有一定的優勢。根據電力專家的介紹，UHV 1000公里輸電的成本是8美分/千瓦時。當可再生能源發電量在0.1元/千瓦時左右時，加氫出口價格大致可以做到30元/公斤左右，與柴油具有競爭力。這樣就形成了具有中國特色的長距離輸氫方案，利用了中國能源互聯網的優勢。展望未來十年，交通智慧能源生態建設大概有兩種組合。黃金組合被分配……光伏+電池+電動車+物聯網+區塊鏈；還有銀色組合，集中式遠程風電光伏+氫能儲能發電+燃料電池汽車+物聯網+區塊鏈。一個是分布式智慧能源，一個是集中式智慧能源。兩者結合形成了面向碳中和的未來智能能源系統。最后我做個總結——迎接第三次能源革命和第四次工業革命。100多年前的第二次能源革命，引發了從馬車到汽車的大轉變和石油工業的大繁榮。主要過渡期始于1900年，持續了約25年。現在，第三次能源革命即將到來。我估計類似于上一次的車廂到汽車的轉變，未來20到30年，交通運輸設備和能源化工相關行業會發生很大的變化。讓我們一起迎接第四次工業革命，那就是基于可再生能源的綠色化和基于數字網絡的智能化。謝謝大家！

標簽：北京發現比亞迪

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