新能源汽车将在能源革命中发挥重要作用
欧阳明高
(中国科学院院士、清华大学车辆与运载学院教授)
一、能源革命与动力革命密切相关
回顾历史，能源革命一般由动力革命引发，新动力装置和交通工具的发明带动能源资源的开发利用，并引发工业革命。第一次能源革命是从薪柴到煤炭的跨越，动力是蒸汽机，交通工具是火车;第二次能源革命是从煤炭到油气的跨越，动力是内燃机，交通工具是汽车。当前，全球正在经历第三次能源革命，是向可再生能源的转型革命，动力是电池，能源载体是电和氢，交通工具是电动车。
我国提出碳达峰碳中和发展目标，要实现碳达峰碳中和，最重要的是实现新能源革命。新能源革命有五大重点：从传统化石能源向可再生能源转型，特别是光伏与风电的大规模应用;能源从集中式转向分布式，推动建筑成为微型发电厂;利用氢气和电池等技术存储间歇式能源;发展能源互联网，以及电动汽车将成为用能和储存能源的终端。当前光伏、风电本身的技术和发电成本降低，已经完全具备大规模推广条件，但利用成本仍然较高，这其中储能是瓶颈，需要靠电池、氢能、电动汽车等来解决。因此，我国实现碳中和进程中的重点是解决储能的技术瓶颈。根据储能的周期和规模，主要划分为电池范畴、氢能范畴(氢及其载体)。电池和氢能共同构成主流的储能方式。从新能源革命和储能的角度看，新能源汽车和储能共同载体是电和氢。新能源汽车与新能源革命的共性核心是储能、氢能与智能，新能源汽车的规模推广将有力破解新能源革命的瓶颈。
二、新能源汽车将会是我国规模最大、成本最低、安全性最好的短周期分布式储能系统
新能源汽车引领三大革命：第一，电动车本身的革命;第二，新能源本身的革命;第三，智能化革命。所以新能源汽车既是电动车辆，也是储能装置，还是智能终端。今后20～30年，这三个革命将会引发交通装备与能源化工相关产业发生重大变革。
新能源汽车已经发展二十年，我国2014年出台《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》后，新能源汽车产业进入快速发展阶段。从我国纯电动车动力电池技术创新历程看，2011～2021年十年来，动力电池比能量从100瓦时/千克提升到300瓦时/千克，成本从4元/瓦时以上降低到1元/瓦时以内，降低80%以上。现在电动轿车车载电池系统能量在60～80千瓦时之间，对应的续航里程普遍是500～600公里之间。随着电池系统能量密度进一步提高，电动乘用车正在向1000公里迈进，高续航豪华车预计明后年就会出现。未来，动力电池呈现需求大幅上升与成本大幅下降趋势，据统计，2025年中国电池年产量将会达到10亿千瓦时左右，进入T瓦时代，现在大概有1亿千瓦时，今后五年会涨约10倍左右。
下一步，电池主要在安全、便利、智能三方面下工夫。
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安全性
锂离子电池实现了蓄电池领域百年来的重大突破，其科技创新、产品性能、应用领域和产业规模正处于爆发式增长期。而无论是电动汽车，还是大型储能电站，可能存在各种各样的原因导致电池发生热失控，并可能在整个电池系统和储能系统中蔓延，最后造成安全事故。清华大学电池安全实验室是全球高校中唯一完全做电池安全的实验室，它的测试装置可以对电池热失控的全过程进行分析，发现高比能量动力电池热失控反应时序和反应新机理。在此基础上，清华大学研发了高比能量动力电池热失控系统性抑制方法，现在可以完全保证它可解决单体电池设计层面的相关问题;其次，在使用过程中进行安全监控，针对整车开发了电池云控预警平台，基于运行数据，对故障进行预警;一旦发生事故，还开发了对整个电池包的热管理技术，在厘清机理的基础上设置出完全不着火，最多只冒烟的电池包。这就是从电池设计制造的本征安全、电池使用过程中的主动安全、电池发生事故时的被动安全三各方面保障电池系统安全性。
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便利性
我国电动乘用车充电模式分为慢充和快充。对于私家乘用车，未来充电的最佳方式是在家慢充为主，采用7～22千瓦交/直流慢充，或者跟车网互动，可以获取收益。但是高速公路长途出行需要采用120～350千瓦超快补电。中电联2020年公布了大功率快充新标准—“超级充电”，2025年可全面提供超充服务。为了解决350千瓦快充存在的电网容量、功率冲击、扩容成本等问题，清华开发了卡车快换与轿车快充综合快速能量补给技术，即不从电网直接取电进行超级快充，而用卡车换电备用电池给轿车快充，快充和快换一体化形成互补。快充方面，清华已开发无析锂安全快充技术。快速补电不是充满，电量下降到50%以后需要补电，5分钟充200公里。为此开发了基于负极电位传感器的快充电池技术以及配套快充的电池冷却和快速加热技术。
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智能化
电动汽车普及初始阶段基本上都是无序充电。随着电动汽车保有量增加，一些大城市充电负荷已经超过总负荷的20%，电网压力增大。目前深圳、上海等地正在规划开展有序充电，即通过APP跟后台调度系统达成协议，将充电有序移动到电网负荷低时进行。下一步将是车家互动(V2H)，新能源电力、新能源汽车与建筑一体化，如车内电池跟建筑里的空调实时互动。最后是车网互动(V2G)，刚开始可能和微网互动，最后和大网互动。削峰填谷、电网调频、虚拟惯量都可通过电池的聚合和调控实现。目前，全国共有15个省市建设了42个V2G项目、609个V2G终端，近4000台电动车参与过车网互动。
新能源汽车的市场和储能潜力不容小觑。2021年1～5月，我国新能源汽车总销量已经突破汽车总销量的10%，保有量超过600万辆，预计2021年产量超200万辆，按照今年产量超过去年一倍以上的增长速度，2022年可能再增长一倍达到400万辆左右，2025年新能源汽车占比20%的国家目标可能提前实现。根据中国新能源汽车技术路线图的预测，2030年新能源汽车占比40%约8000万辆，2035年占比50%约1.6亿辆，2040年到3亿辆。以2040年中国电动乘用车保有量达到3亿辆，每辆车平均65千瓦时计算，车载储能容量约为200亿千瓦时，与我国现在每天消费总电量基本相当。以锂离子电池为代表的动力电池是短周期分布式小规模可再生能源储存的最佳选择。因此，新能源汽车将会是我国规模最大、成本最低、安全性最好的短周期分布式储能系统，大幅平衡电网波动。而且，随着风电光伏占电力主体后，电价差价会加大，电动车还可作为一个赚钱的工具，一车两用。
三、氢能交通是氢能利用的先导领域，将带动氢能的全面发展
2015～2020年，我国氢燃料电池汽车技术实现重大突破，车用燃料电池系统开始规模产业化，大部分技术问题已经克服，性能指标大幅提升，已经基本满足商业示范推广的要求。北京冬奥会的氢能示范，冬奥会主场区将全部使用氢能燃料电池汽车，张家口和北京将运行2000辆左右燃料电池汽车。从中国燃料电池汽车研发与产业化进展来看。2021年，我国燃料电池车保有量大约为8000～10000辆，100多个加氢站投入运营，还有近100个在建。根据中国氢燃料电池汽车技术路线图，预计2025年燃料电池车约为5～10万辆，2030～2035年大约是80～100万辆，主体车型是商用车。未来十年，燃料电池系统成本将下降80%以上，与锂离子电池过去十年下降过程相似。但是，我国当前车载储氢无论是技术还是成本都还不够理想。比如现在主流的高压气态储氢，储氢密度偏低，成本偏高，难以满足700公里以上长途卡车需求，还需要进一步改进优化。
总体看，氢燃料电池轿车是氢能交通的先驱，氢能交通是氢能利用的先导。虽然氢能燃料电池适合长途交通、重载运输、空中运输、水中运输、大型装备，然而氢能交通并不是氢能的最大应用领域。氢能交通的使命是带动氢能的全面发展。
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氢能在能源低碳转型中具有优势
氢能的战略意义在于可再生能源转型中的大规模能量储存与多元化利用需求。氢能的载体是电和氢，以及氢的载体，比如氨、甲醇等。
氢能是众多传统产业(化石、煤炭、电力、钢铁等)转型升级的理性选择。一是技术延续性好，而不是完全颠覆。二是产业链长、产值高，吸收的就业人口多，应用覆盖面广，有氢能社会之称。氢能市场中，制氢产业链含有制氢设备产业集群;储氢产业链含有储氢设备产业集群、燃料电池产业集群;用氢产业链含有加氢设备产业集群、智能电网产业集群。
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氢能、储能是新能源电力系统的核心技术
氢能是集中式可再生能源大规模长周期储存的最佳途径。首先，能源利用充分，大容量长时间储能模式对可再生能源发电的利用更充分。其次，规模储能经济，固定式规模化储氢比电池储电的成本低一个数量级以上。再次，与电池放电互补，用于燃料电池、燃气轮机、内燃机等。同时，制运储方式灵活，可以用长管拖车、管道输氢、掺氢、长途输电—当地制氢等各种方式。
全球清洁能源制氢、氢的能源化利用仍处于起步。国际能源署数据显示，可再生能源制氢80万吨，不到氢总量的1%。发展绿氢制氢产业，电解水制氢将是继氢燃料电池发电之后又一个最应重视的发展领域。在可见的未来，电解水制氢会是主流。根据电化学原理，电解水制氢是氢燃料电池的逆过程，氢能燃料电池技术与产业化为电解水制氢系统发展奠定了良好基础。而电解水制氢系统将是一个比燃料电池系统更大的高科技产业。经过近20年的努力，清华大学团队已经实现氢燃料电池动力系统全套技术商业化，培育出国内氢能燃料电池领域科创板第一股——北京亿华通。现在，面向近中远期应用，清华大学已开展三种电解水制氢技术的研发，即碱性电解(ACE)、质子交换膜电解(PEMEC)、固体氧化物电解(SOEC)。从三种电解技术比较来看，SOEC最优，PEMEC和ACE次之。近期可以大规模应用的还是ACE，其技术升级性能优化的潜力还非常大。而且中国在碱性电解制氢领域具有产业链和成本优势，可以为全球提供低成本制氢系统。
氢能是实现全球碳中和的战略性能源载体。但是绿色氢能技术经济性还不能完全满足市场需求。据国际可再生能源署(IRENA)对制氢成本的预测，虽然总体上看绿氢成本与化石能源制氢成本平衡还需要较长时间，但2025年前，部分低成本光伏、风电制氢可以达到化石能源制氢+CCS的成本。所以现在使用内蒙古、新疆等地区的低成本光伏和风电制氢具有经济性。根据清华大学在张家口的氢能全链条商业示范(从风电制氢到燃料电池城市客车运行)表明，当可再生能源(风电)发电成本在0.2～0.15元/千瓦时，其能源利用全链条技术经济性将凸显。氢能储运技术及成本方面，特高压输电线路是我国绿氢长途储运的优势通道之一，绿氢的输送通道和特高压输送通道重合，可在谷段利用特高压通道长途输电，当地输氢。另外一个是液氨。液氨储氢密度高，是重点推荐的一种氢的载体，因为液氨很容易分解出氢，而且分解的能耗很低，液氨的质量储氢密度和体积储氢密度都很高，从质量储氢密度来看，70兆帕高压瓶储氢密度约为5%，而液氨100千克可以储17.8千克氢。体积储氢密度一立方米120千克氢，从体积上来看液氨比液氢高一倍的氢含量，同时，化肥的主要成分是氨，液氨在中国产业基础好，技术非常成熟，运输同液化石油气(LPG)一样。通过对液化氢、甲基环己烷(MCH)、液化氨等三种液化氢能载体对比，总体看液氨能效最高，使用经验最成熟，基础设施最完善，综合成本最低。氢能载体液化氨可以进行全产业链和技术链的应用。工业催化合成氨，现在已经非常成熟，而且工业催化合成氨的效率比较高。从长期看，除了工业催化，未来还有电催化合成氨。另一方面，氨可以直接用于燃气轮机发电，也可以和煤电厂的燃烧锅炉进行混烧，日本认为这是成本最低的一种做法，现在正在推广20%和30%的混烧。
据IEA今年5月份发布的报告，到2050年将会有5亿吨氢和氢的载体(氨和氢合成燃料)应用于汽车、船舶、远洋、化工、钢铁、建筑、发电、储能等各个行业。面向碳中和，氢能载体发展前景非常广阔。
(内容根据第三届未来能源大会发言整理，整理人：王雪辰)
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