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欧阳明高院士:未来智慧能源生态的黄金组合和白银组合

作者:中国储能网新闻中心 来源:氢智会 发布时间:2020-07-26 浏览:
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为有力推进我国氢能产业高质量发展,中国石化于2020年7月24日邀请国内氢能领域顶级院士、专家举行“结构氢产业,谋划氢未来”氢能发展战略研讨会。

本次研讨会对氢能发展现有问题把脉问诊,为氢能未来发展献言献智,将为推进中国石化构建“一基两翼三新”发展格局、打造世界领先洁净能源化工公司和促进我国氢能产业科学发展、健康发展、高质量发展提供咨询、把握方向。

中国科学院院士,清华大学欧阳明高教授在会上做了主题演讲。

演讲实录

各位领导、各位专家大家下午好!

上午大家基本从能源角度看车,我从汽车能源动力革命角度看氢能燃料电池。两个角度对比看,大家更好理解氢能战略。我从系统综合的角度来梳理,在各种各样的车用动力技术中比较中看氢是燃料电池,不能局限在氢能燃料电池本身看氢能燃料电池。车用动力和一般能源技术不一样,能源技术说推什么就可以推什么。但是车用动力系统是市场化、国际化、竞争性的,不是说你推一个客户就买账,汽车行业和能源行业有本质的区别就是市场化,尤其在中国,目前中国汽车市场是国际化、市场化、竞争性最激烈的市场,所以我们必须要考虑这个因素。所以我想从这个方面来看问题。

我讲三个问题,第一,面向能源革命的新能源汽车发展愿景。第二,汽车能源动力转型的探索与实践。第三,中国氢燃料电池汽车技术路线图。

愿景从哪儿看?我们从三大革命看新能源汽车,包括动力电气化革命、能源低碳化革命和系统智能化革命。我先说动力电气化革命,它是不限能源,也可以用化石能源,也可以用可再生能源,只是谈动力本身,从这个角度看有三种动力,油-电混合动力、纯电动动力、氢能燃料电池动力。三种动力目前是工程科技前沿领域,去年工程院评审动力电池、燃料电池、氢能可再生能源、电驱动都是多次被提及。

中国氢能燃料电池的开发也是从汽车开始的,“十五”期间我们叫“三纵三横”,燃料电池汽车是第一重点,因为那个时候动力电池还真的不行,大家对纯电动不看好,那时候是燃料电池汽车的第一次高潮。

“十五”万部长是首席专家,“十一五”开始到现在都是我在主持项目和规划,“十一五”期间正好遇上国家中长期科技规划,我们提出了《节能与新能源汽车》战略思路,燃料电池仍然是重点,并且氢能燃料电池首次被写入国家规划——国家中长期科技规划。

“十二五”期间在国家领导人的直接推动下新能源汽车真正从研发走向了产业化。虽然大家对今天的电动汽车抱怨还很多,但由于锂离子电池的革命性突破,我国现在新能源汽车保有量已经达到450万辆,按预定的国家规划今年底500万辆是可以完成的。在全世界所有新能源汽车国家规划中只有中国有希望达标,德国、美国都是没达标的。而且占了全球市场的一半以上,这是很不容易的。

“十三五”期间燃料电池仍然是重中之重。也就是说燃料电池在国家科技计划这20年中都是很重视的。现在正在酝酿,“十四五”有可能单独规划一个氢能燃料电池专项。

新能源汽车应该说是在国家科技研发计划的推动下形成的战略性新兴产业,这还是很少见的。现在全球已经达成共识,新能源汽车绝对是不可逆转的趋势,只要稍稍接受一些信息我想就不会有太多争议。

其次是能源低碳化,这是新能源革命。能源低碳化为什么能实现革命?因为有革命性的技术。

第一,光伏电池技术,现在实验室效率30-40%,实践使用的光伏效率都在20%以上,十年成本降了90%,这就叫技术革命。技术进步同时成本大幅下降。

第二,锂离子电池革命,过去十年也是性能大幅上升成本大幅下降。现在是规模化,继续降成本,2024年大众汽车一家电池产量的布局就超过一亿千瓦时。大众现在已经布局了国内好几个厂,还有入股的,这个来势是非常凶猛的。据国际咨询公司预测2030年全球电池年产量将达到10亿千瓦时。乐观估计2030年就会中国电池产量就有可能达到10亿千瓦时。

国内动力电池这几年性能上升,成本下降,现在磷酸铁锂电池600元/千瓦时,十年前是5000元/千瓦时。中国现在是全球电池产业链最全、产量最大,而且已经占据多年,宁德时代和比亚迪两家占了市场70%,国外很多其次公司都用中国电池。

往前看,中国动力电池技术发展路线图目标是:2020年达到300瓦时/公斤,现在已经全方位技术突破,宁德时代已经有产品推向市场,现在很多车已经装用,只是对安全的要求比较高;2025年达到400瓦时/公斤;2030年之后500瓦时/公斤。

下一步新能源汽车的电气化还会持续发展,由于电力电子技术的革命,电机越做越小,电力电子器件也越做越小。这会带来什么革命?就是整个汽车设计制造,电池在这儿扁平化了,现在比亚迪的刀片电池,横着放,都是一片片叠起来。

由于结构上的创新,比能量极大提高,原来就靠提高单体电池比能量,其实单体只占了整个系统重量的一半,还有一半是其它的东西,这些东西轻量化潜力更大。根据电机驱动技术路线图,2025年后轿车电机和电机控制器总体积就20升左右,电机及其控制器和前轴可以集成一体化。

现在在车上有一个交流充电机,将来变成是直流搞V2G就不放在车上。整个轿车前舱就空下来了,就形成了非常扁平化的轿车电动化底盘平台。还有智能网联发展也非常快,为什么现在特斯拉那么好卖,自动驾驶,所以车变成了不仅仅是交通工具,而且是智能终端,这个会带来整个汽车设计制造的革命。

随着智能网联技术水平提高,车辆碰撞事故将逐步消失。将来车身可以做的很薄、很轻,车身也可以随便换,卖一个底盘可以配五个六个车身,甚至做车身就像做衣服一样。这将带动新能源汽车市场快速发展。根据中国汽车工程学会《节能与新能源技术路线图》最新预测,2035年左右,新能源汽车销量将达到汽车总销量40-50%,累计保有量1亿辆。

另外一个就是氢能燃料电池技术,应该也取得了一定程度的突破。根据储能装置的特性,目前的基本共识是:动力电池是分布式、短周期储能的最佳选择;而长周期、大规模储能要靠氢能;在车下固定式储能,氢能的成本比电池储电要低一个数量级(当然车上不是这样,车上没地方放,只好高压,成本就上去了),而且可以大规模、长周期储能。另外储氢和储电互补。第三,运储方式也比较灵活,例如不一定要在新疆集中式可再生能源基地制氢,也可以在北京,对稳定电网无论哪里都一样。总之,氢是集中式可再生能源大规模、长周期储存的最佳途径,一旦可再生能源成本降低,如果到0.1元一度电,储存成本在总成本中间占的比例就最大,那时候它的优势就出来了,这是它存在的合理性。

氢能和燃料电池是密切相关的技术,电解水制氢是燃料电池发电的逆过程。现在质子交换膜电解装置制氢成本大概是碱性电解装置的7-8倍,质子交换膜燃料电池大规模发展之后就会促进质子交换膜电解水装置成本的大幅下降。现在可再生能源电解水制氢成本变动范围很大,如果用弃光弃风的电可以很便宜。

综合看从油井到车轮全链条能效:如果基于化石能源,汽油油电混合动力,天然气重整制氢的燃料电池,用煤发电的纯电动,这三种动力系统其实效率是差不多的,谁都争不过谁,总效率大约都是百分之三十几。

在这种情况下既然不比油电混合动力更好,那为什么要搞电动汽车?逻辑上讲不通。所以如果基于化石能源,油电混合动力是最合理的选择。但是如果基于可再生能源,情况就不一样了。

基于可再生能源的未来动力,一种是纯电动,直接发电就充电;一种是发完电制氢搞燃料电池;还有制完氢之后再把空气中二氧化碳捕捉起来再做成合成燃料,合成的汽柴油,继续用内燃机汽车。根据欧盟的研究,这三种车的全链条效率,充电的纯电动是77%,氢燃料电池是30%,阳光燃料也就是氢+二氧化碳燃料是13%。

所以基于可再生能源,纯电动和氢燃料电池优势凸显。再看氢燃料电池和纯电动车辆成本比较:20年前刚开始搞电动汽车专项时,按照当时的技术状态,估计2010年纯电动轿车只能跑150公里,150公里以上燃料电池就有优势。但是按照现在的状态估计2025年车价,纯电动轿车500-600公里内都有成本优势。但是重型商用车,氢燃料电池300以上就有优势(这里不考虑换电重卡)。

所以总的来看,氢燃料电池动力系统更适合长途大型高速重载车辆替代柴油机,替代轿车汽油机不是优选方案。大家会说柴油车有多少?柴油车是不多,但柴油车的排放和能源消耗和汽油轿车差不多,所以能源和排放角度看和纯电替代汽油机一样意义重大。何况还有轮船、飞机、潜艇、火车、作业机械都是柴油机,用途极其广泛。

第三是系统智能化。电动汽车既是出行工具和储能装置,还是智能终端,将来是最大的智能终端。所以现在所有的ICT企业全部都在进军汽车行业,很快华为、苹果全都来了,因为将来汽车行业只有两条路,一种往ICT行业发展,一种往能源行业发展。大家知道特斯拉刚开始定位也是能源企业,也搞储能,也给家庭卖储能墙,给家庭屋顶装太阳能,房前装充电桩,再卖电动车,这是一个组合,也就是能源装置变成了消费品。这里系统智能化我重点强调的是智慧能源。我们现在是无序充电,国家电网正在推有序充电,就是说大家下班回家后别一块马上充电,而是后半夜再给你充电,自动有序充电。最后到车网互动,就是说车也可以作为储能装置可以给电网放电,两边是双向互动的。

这有多大的容量?2035年1亿辆电动汽车,我们至少50亿度电储在车上,将来会更多。车一天只有10%的时间在行驶,90%都可以用做储能。储能可以共享,通过区块链完全可以共享,这将有助于突破储能源瓶颈,带动可再生能源的革命。

未来智慧能源生态将有两个组合:一个是黄金组合——分布式光伏+电池+电动汽车+物联网+区块链;光伏进入2毛钱电价,电池将会进入5毛钱一瓦时的时代,电动汽车进入了亿辆时代;还有一个是白银组合,就是集中式风电与光伏+氢能+燃料电池汽车+物联网+区块链。

综上,我认为氢能是新能源技术体系的重要组成部分,因为可再生能源上来之后氢能才被赋予战略地位。这是第三次能源革命,也就是向可再生能源转型,集中式转向分布式,用氢气、电池储存间歇式能源,发展能源互联网,然后纯电动、燃料电池汽车成为用能、储能、回馈能源的终端。我认同这个理念,这就是新能源汽车愿景。

第二部分,在这样一个愿景下我们做的汽车能源动力转型的探索与实践。

清华汽车动力系统科研团队最早1990年代是做柴油发动机的;2000年开始转型做氢燃料电池动力系统。2010年开始了锂动力电池系统研究,今年我们又开始氢电能源系统新方向。我们在这期间基于技术研究探索新能源汽车技术路线,我个人就多次向中央政治局常委汇报过相关进展并提出发展建议。

我们主要聚焦节能与新能源动力系统三个交叉学科的战略选择、科学问题、技术瓶颈、产业痛点开展研究。首先是多能源的混合动力,主要是排放问题,燃料电池我们聚焦的是寿命问题,大家可能现在看到的是成本问题,其实技术角度是寿命问题,应用角度是成本问题,所以我们是聚焦技术方面。纯电动我们聚焦安全问题。下面分别介绍:

第一,内燃机及其混合动力排放控制。从车的角度降排放的核心之一就是电子控制技术。电子控制是发动机领域的一场技术变革。所以我们就全方位搞发动控制,最底层的就是超高压柴油喷油过程控制。其实这个难度不比动力电池低。也是中国汽车行业卡脖子技术。更深入一步就是燃烧过程的控制。还有就是做混合动力。还有搞军民融合转化,开发了特种重型车辆轮毂电机和分布式电驱动系统(一个轮子一个电机),这个已经在产业化了。

这方面我们先后培育了好几个公司,例如我们学生的创业公司常州易控,是目前国产发动机控制系统的唯一的大型供应商,一年20万套控制系统,现在已经发展到电机控制、混合动力控制,整车控制等。

2000年我开始关注氢燃料电池发动机概念。2003年国家中长期科技规划,我在能源领域专家组,起草了“我国交通能源面临的挑战与战略选择”的研究专报,一个方面是提了节能与新能源汽车战略思路,同时重点提到氢能战略,所以氢能战略在国家中长期科技规划里面第一次出现在国家规划上是2003年,2006年发布的,当时争议也是非常大。我很高兴现在大家都接受了这个东西。

当时客车采用燃料电池直接驱动寿命很短,不能满足汽车,尤其是商用车的要求,所以我们聚焦寿命研究。我们最开始做的就是燃料电池与动力电池组成的电电混合动力系统,发动机外供的;第二步自己做发动机,因为我们本来是搞发动机出身的,电堆是买的;第三步电堆自己做,膜电极买的;现在膜电极我们也自己做,只有膜是买的。我们把这叫做“剥洋葱模式”,20年剥下来剥到今天。基于形成了完整的技术链和产业链。

为了提高寿命,就不能直接用燃料电池来驱动车,必须加电池,这就是我们前八年干的事,奥运会之前我们就干这一件事。燃料电池不适应动态变载,寿命下降快,通过电电混合动力,凡是高频波动负载全用电池吸收,把燃料电池的工况变成发电的准稳态工况,寿命延长一倍以上。

接着我们做发动机,为了长寿命,坚持石墨双极板技术路线,到现在我们仍然坚持。金属双极板主要是针对轿车的,轿车五千小时寿命就够了。我们重点研发商用车,燃料电池商用车要三万小时才能和柴油车比,这是差别。

在这个基础上,面向长寿命电堆,现在我们石墨复合双极板也可以做到厚度1毫米,和金属双极板差不多,而且通过连续生产工艺,成本也大幅下降。

现在我们开始做膜电极,清华-丰田燃料电池有个联合研究中心,在做膜电极的衰减机理。我们培育的亿华通公司投资亿氢公司做膜电极,现在产品都是自己的,成本大幅下降。

还有示范考核,2008年我们建成中国第一个加氢站——北京永丰加氢示范站,我们开发的燃料电池大客车也是中国第一批经过国家产品认证的燃料电池汽车,也是奥运会第一次使用的燃料电池汽车。

产业化方面我们重点培育了亿华通。亿华通2015年收购了神力科技,建立燃料电池电堆工厂;2017年在张家口建立燃料电池发动机厂;2017年在加拿大成立海外研发中心;2019年在张家口建设万吨级风电制氢厂;2019年同时建立膜电极厂;今年和丰田建立联合研发中心,这是一个合资企业;今年8月10号亿华通将登陆科创板。亿华通还和丰田联合开发了面向冬奥会的2000辆大客车的燃料电池发动机。

第三方面就是纯电动,技术路线方面我们主要是研究了“纯电驱动”技术转型战略。纯电驱动是09年在北戴河高层会议上定的,2012年国务院《节能与新能源汽车产业发展规划》正式提出推行“纯电驱动”技术转型战略。所谓纯电驱动就是以纯电动汽车为平台,带动混合动力汽车和燃料电池汽车的全面发展。这个战略推动了新能源汽车的产业化发展。电动汽车进入家用以来进步很快,续航里程等各种问题逐步解决,随着高比能量锂离子电池的应用,偶发的安全事故引发各方关注。所以我们不做别的,就做电池安全系统,包括本征安全、主动安全、被动安全。我们建立了清华电池安全实验室系统从事电池安全研究。

我举几个例子,这就是大容量动力电池的热失控后电池里面物质喷出来形成的燃烧过程,我们开发了燃烧弹测试技术。一个电池发生热失控之后,整个电池包会蔓延,然后就是起火燃烧,这是目前主要的问题。我们现在200瓦时/公斤的电池已经完全解决,现在是解决300瓦时/公斤的电池,也就是电池比能量越高,安全的技术要求也越高。我们研发了“防火墙”技术。另外就是电方面的安全预警与主动防控技术。第三就是安全充电技术,主要是快充时负极锂离子会析出引发剧烈副反应。在充电方面我们正在和壳牌、北汽合作超级综合能源补给技术,包括对轿车的高级快充和对卡车的快换。目前国内外主要汽车企业和电池企业都在和我们合作安全性。我们培育的创业公司-北京科易动力,在为轿车批量提供电池包,为卡车提供换电装置。

最后我简要介绍一下中国燃料电池技术路线图。

这个路线图不是我个人的意见,包括了所有这些人,我们在座的也有一些参与了,所有的主要能源公司、主要汽车公司和零部件公司都在里面,包括潍柴、国电、国家能源集团等。

首先看一下燃料电池电堆和关键材料和2015年相比进步很大,其中石墨电堆的寿命进步最大,已经到1.2万小时。整车方面,燃料电池大客车现在在城市运行的成本大概可以和柴油车相当。

路线图总体目标:到2020年累计推广燃料电池汽车1万辆,2025年5-10万辆,2035年前100万辆。

商用车燃料电池发动机每千瓦成本,2025年降低到两千元/千瓦,寿命从现在一万小时到2025年1.5万小时,2035年达到三万小时。

高压储氢技术路线图,我要给大家重点说一下,高压储氢瓶的成本偏高,储每公斤氢,到2025年2000-4000元,最终2035年降低能到2000块钱以内。但要特别注意储氢的成本下降比燃料电池成本下降要慢,这是一个大问题,需要出现突破。

第三,氢能基础设施。氢燃料需求量今年1-3万吨,2025年20-30万吨,2035年200-400万吨。加氢站的数量2025年需要一千座,2035年达到五千座。车用氢的需求量比我们想象的小,加氢站的数量比我们想象的要大的多,为什么?20多万辆LNG重卡两千多座加氢站,氢和天然气比分子量是2:16,只有它的1/8,这是一个挑战。

所以我们急需要能源央企战略支撑我国氢燃料基础设施建设。气体氢储运,现在都是20兆帕,希望到50兆帕,以降低成本。在加氢站环节,目前的每公斤加氢成本高。氢燃料终端消费价格最终要到每公斤30元,这样才能和柴油重卡竞争。

最后做一个小结。

面向汽车应用的氢能战略,需要简化、需要聚焦,聚焦在哪里?我还是强调绿氢。

1.氢能定位:燃料电池汽车的合理性取决于氢能,氢能的合理性主要取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。如果基于化石能源,氢能到终端利用的链条长,效率低,成本高,还有二氧化碳排放问题等,常常受到严重质疑。因此主攻绿氢既突出重点又简化问题(采用绿氢全链条也有效率问题,但此时效率问题可转化为成本问题,总成本(包括能源、制取、运输、车下储存、终端应用)不完全取决于效率。

2.氢能制取:绿氢制取主途径是风电光伏电解水。根据发改委能源研究所研究,10%的弃电(弃风、光、水)制氢能够满足 2025燃料电池汽车用氢需求,50%的弃电能够满足2035年年燃料电池汽车用氢需求。燃料电池对氢纯度要求高,绿氢也是最纯净的氢(副产氢提纯质量要严格监管,以免加氢站、储氢瓶和燃料电池受腐蚀或中毒,造成严重后果);

3.氢能输运:主通道——千公里以上长途输电(当地制氢)或管道输氢/掺氢;氢配送——200公里以内短途气氢(中国的优势是输电主干网全球领先,气氢管道和液氢储运非常薄弱,基于绿电的绿氢给了我们扬长避短的机遇)。

中国氢能燃料电池汽车近期面临的挑战与建议:

1.现实的挑战——全球面对的共同挑战是氢能燃料电池全链条技术经济性和市场竞争力。各种车用动力技术百花争艳、你追我赶,快鱼吃慢鱼。因此出路在于创新:理念创新、商业模式创新,最重要的是技术创新(动力电池和光伏电池已经出现革命性突破,氢能需要一轮全链条科技革命)。

2.市场突破口——抛弃的电和副产的氢富余地区,尽量在当地就近使用,低成本高安全储氢瓶能够覆盖的里程范围,最好能够利用燃料电池余热,适合采用燃料电池深度混合动力的车型,加之地方政府大力支持和有大型能源企业愿意建加氢站。适用车型主要是卡车和公路客车等长途重载运输。市场竞争力主要在温度较低的北方地区(黄河以北,尤其是长城以北)。

所以要主攻绿氢,创新引领,突破瓶颈、示范先行;安全为本,有序推进。

最后我要感谢我的团队,我们包括大概一百多人,有三个平台,紧密合作四个创业公司,现在还有三个成果推广基地。

谢谢我所有的同事,也谢谢各位的聆听。谢谢!

(本文由欧阳明高院士审核)

关键字:智慧能源

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