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欧阳明高:新能源汽车与新能源革命 ——2019张家口长城国际可再生能源论坛演讲录

时间:  2019-11-18 09:51  来源:  汽车总站网   作者:  Summer

2019年11月13日—15日第二届长城•国际可再生能源论坛在张家口市崇礼举办。河北省政府,国家相关部委、中国科学院、国际可再生能源署以及国际知名企业和金融机构合力打造的新能源和可再生能源领域高级别国际交流合作机制。

会上,中国科学院院士,清华大学欧阳明高教授发表主题演讲,以下为演讲实录:

各位来宾,大家上午好!

借这个机会跟大家交流一下关于新能源汽车与新能源革命这个话题。我分三个方面讲:电动汽车研发与产业化的历程、氢能燃料电池的机遇与挑战、用新能源汽车促进新能源革命。

首先简单回顾一下电动汽车研发与产业化的历程。中国新能源汽车研发始于“十五”,2001年。“十五”期间的五年是打基础阶段。在国家中长期科技规划,2003年至2006年期间,通过规划战略研究我们提出了节能与新能源汽车的思路,这个思路最后反映在规划里面就是一个优先主题,节能与新能源汽车。

节能与新能源汽车国家项目重心是要建立新能源汽车动力系统,主要分为三种:油电混合,可以外接充电的油电混合,我们叫做插电式混合动力。另一种是纯电动。还有一种氢燃料电池,氢燃料电池一般来讲是跟电池的混合动力,没有纯氢燃料电池的。

在规划指导下,开展了“十一五”国家节能与新能源汽车重大项目,这是新能源汽车从打基础到示范考核的阶段。在“十一五”期间,北京奥运会新能源汽车科技示范是让中国电动汽车走向产业化的关键节点,这是全球第一次大规模的示范,具有标志性的里程碑意义。

在此基础上,我们进一步做了“十二五”规划,就要考虑产业化,究竟以什么为产业化的突破口?当时有非常多的挑战和困难,而且大家达不成共识。“十二五”<电动汽车重大科技产业化工程》规划也是我主持的,规划中我们研究中国交通体系的特点和优势,提出了中国交通体系“点、线、面”模型,所谓“点”就是中国的大城市,北京、天津算一个点。“线”就是三五百公里以上,比如说北京到上海,“面”就是中小农村地区城镇。按照这个体系结构来看,中国电气化交通特色是非常明显的。比如说“点”,我国现在新能源城市客车已经是世界第一,全球新能源客车95%以上都在中国。在“线”上,大家知道电气化高铁国际领先。在“面”上,有两亿五千万辆的电动自行车、电动摩托车,这也是中国奇迹,被全球所看好的,这么大规模地解决个人机动交通问题。

基于这样一个体系,中国的轿车主体在城市开长途是比较少的,所以当时电动轿车虽然续驶里程并不是太长,但是我们认为以它为突破口是非常好的产业化路径。在2009年3月,党的最高领导人第一次指出新能源汽车代表了汽车工业的发展方向。接着8月份北戴河开了高层研讨会,形成了所谓“纯电驱动”技术转型战略,即以纯电动为产业化突破口的战略,这种战略跟国外比如说丰田的战略是不一样的,丰田当时的战略是从先进燃油车到混合动力车再到燃料电池车,当时国际大企业的主体思路也基本都是这样的。

“纯电驱动”战略就是以锂离子电池和纯电动汽车作为基础平台和率先产业化的突破口,带动新能源汽车全方位发展,这是2009年做出来的决策。在此基础上开始进行“十城千辆”大规模示范,2009年新能源汽车被列为战略性新兴产业,开始国家补贴购买新能源汽车。到2014年习总书记发出号召,“发展新能源汽车是汽车大国迈向汽车强国的必由之路”。中国新能源汽车产业化从此进入规模产业化发展阶段。在这个过程中中国锂离子电池出现了历史性的进步和革命性的突破,现在中国锂离子电池产业在全球产业链最全、规模最大,水平也不错,全球十大电池厂商中国占七家,包括第一名和第三名。第一名CATL公司已经向德国三大汽车公司供应电池,丰田和比亚迪建立合资产业来生产纯电动汽车,电池全由比亚迪供应。现在特斯拉也准备由中国供应电池。这个过程当中我们的电池成本降低了80%,比能量提升了三倍,这是历史性的进步。

同时电动汽车整车从大客车、微型车逐步向轿车进入,续驶里程从最开始的150公里,到现在已经普遍到400公里以上和500公里,明后年大家会看到600公里、700公里都会出来,这是进步的过程。同时我们中国新能源汽车产量从年产量零上升到去年年底126万辆,保有量达到350万辆以上,明年将会达到500万辆,这是非常大的进步。中国在全球率先成功大规模的导入高科技民用消费品这是首次,手机、电脑、洗衣机、冰箱都不是中国率先引入的。而且由于中国的进步,中国市场的巨大,引领了全球轿车方面的技术转型,现在都超这个方向转型,他们思路也变了。习主席在2018两院院士大会讲话提到新能源汽车跻身世界前列。

当然,大规模引入一个新的高科技产品必然存在很多问题,这里我列出一些,其中有的是伪问题。两个星期前我在中央电视台做过一次经济大讲堂专门讲到过这些问题,我这里不花时间分析了。但其中我认为有一个问题必须重视,即随着比能量不断提升,电池材料热稳定性降低,对安全的技术要求提高。我们常规锂离子电池安全性是好的,例如磷酸铁锂电池安全性很好,大客车都是装的磷酸铁锂电池没有出现过事故。只有特高高比能量的,例如高镍三元电池,要保障安全性,相对来说需要的技术更复杂。所以我们在清华大学成立电池安全实验室专门应对这个问题。现在我们大概有60多人做这件事情,这是我们的实验室。我们也跟全球各大厂商和中国各大厂商进行电池安全防控技术的合作,由于时间关系我在这里不详细介绍。

下面我重点说一下第二部分,就是氢能燃料电池的机遇与挑战。氢燃料电池上升为国际战略最开始是2003年国家中长期科技规划期间。当时我是能源领域的专家组成员,我们专家组给中央领导写过一封信,题目是我国交通能源面临的挑战与战略选择,建议要重视氢燃料电池研究,2006年该建议被吸收进了中长期科技规划,氢燃料电池被列为前沿领域之一。

氢燃料电池目前众说纷纭有各种各样的不同意见,我讲一下个人观点,首先氢能燃料电池从定位来讲,主要不是替代锂离子电池去取代轿车动力的。从性价比的平衡点来看,锂离子电池更适合替代汽油机,而氢燃料电池动力系统更适合长途大型重载的交通工具,比如汽车用的柴油机,这是我们的基本观点。

在应用领域方面,尤其是作为氢燃料电池率先进入市场的突破口,主要是在物流卡车和公交大巴。从地域来讲,北方会更有优势。大家可以看到长城以北的纯电动汽车比较少,尤其是东北,这主要是因为冬天的取暖耗能太高,而燃料电池本身有废热足够取暖。我们为什么选择张家口作为重要的氢能基地呢?第一是张家口地区比较冷,第二是跟可再生能源比较接近,第三它是2022冬奥会的举办地,这是氢燃料电池市场突破的理想地点。

我简要介绍一些我们清华的燃料电池研发历程,由于氢燃料电池技术链长,我们是一步一步做下来的。先做氢燃料电-动力电池混合动力系统,接着做燃料电池发动机系统,然后做燃料电池电堆、最后做膜电极,我们叫剥洋葱,一层一层剥下来的。首先,燃料电池混合动力系统全部都是由清华团队开发的,通过燃料电池与动力电池混合,燃料电池的功率减少一半,寿命提升一倍以上。随着企业的介入,燃料电池混合动力系统的性能不断提高。例如由福田汽车最新开发的12米燃料电池大客车,在中国城市工况测试条件下氢气消耗仅需要5公斤多,大约相当于18升多柴油,而现在12米柴油大客车一般要耗30升柴油以上,对比来看,可以节省40%左右,所以从使用费用上,氢燃料电池大巴已经可以开始跟柴油大巴竞争了。

其次,我们燃料电池发动机现在已经规模产业化了,研发方面新一代重型卡车用160千瓦大功率燃料电池发动机正在实验室测试。

电堆方面,今年,燃料电池电堆公司——上海神力,要做一千个燃料电池电堆,燃料电池电堆过去五年成本降低接近一半,今后五年还要再降一半。

最后,我们已经开始研发膜电极。氢燃料电池动力系统的成本有相当一部分在膜电极上,进口膜的价格每平米几千元。我国企业山东东岳公司,在膜技术方面有重大突破,使成本大幅下降。

清华培育的燃料电池企业亿华通在张家口有氢燃料电池发动机工厂、风电制氢工厂,而且正在面向冬奥会与丰田展开合作,计划开发两千辆氢燃料电池商用车使用的氢燃料电池发动机系统。

当然,氢燃料电池还面临一些挑战,主要挑战不是车,而是氢能的制取、储运、车载储存以及加氢站,这是目前的主要瓶颈。我们相信氢燃料电池需要逐步来突破。这是由我主持制定的中国氢燃料电池汽车技术路线图,大概分三步,其中一个关键节点就是2022年的冬奥会,冬奥会将与北京奥运会对纯电动汽车的推动一样,成为推动中国燃料电池汽车发展的里程碑。只要这个节点做好了,后面产业化就会比较顺利。近期,我们在协调供氢的事情,加氢量在冬奥会期间最少一天达到20吨,需要20个加氢站,这都是我们面临的挑战。我们希望在座企业家参与,真正把冬奥会这一仗打好,我们后面事情就顺利了。

最后说一下新能源汽车促进新能源革命,我们从宏观上看,实际上我们面临三大革命机遇:动力电动化、能源低碳化和系统智能化。

首先就是电动化,新能源汽车规模化应用就能推动新能源革命,多大规模?在2035年大概达到一亿辆,这么多规模就一定能推动。另外大多数交通工具都在进行电动化,包括船、飞机,一条船装2000度电电动船已经下水了,飞机也开始考虑电动化了,我前天刚刚参加电动通航飞机的研讨会,交通全面电气化只是时间问题。

下面我重点说一下能源低碳化,能源低碳化这是很重大的问题。为什么要搞可再生能源,主要原因是气候变化,所以要低碳发展,这个是前提。全球都在向可再生能源转型;能源生产从集中式转向分布式;氢气、电池储能;发展能源互联网;新能源汽车成为用能、储能和回馈能源的终端。就是《第三次工业革命》这本书里面讲的五大支柱,这五大支柱构成了可再生能源完整的体系。氢能属于可再生能源体系,是其中一个重要组成部分。

发改委的能源革命战略提出2030年非化石能源发电占比达到50%,所以我们风能太阳能大有可为。电动汽车如果继续用化石能源,其实电动汽车的故事也是讲不圆了。如果基于化石能源,混合动力是最好的车。只是因为我们要转型可再生能源,纯电动汽车和氢能燃料电池汽车才能脱颖而出,所以氢能是低碳发展一个重要的载体,不仅仅是自身清洁化,也能推动向可再生能源转型。

电池方面,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,它是一个高频双向的负荷调节。现在它的规模不断的上升,成本在大幅度下降,未来预期电池成本100美元一千瓦时。全球锂离子电池的生产规模将大幅度上升,估计在2030年之前,会达到年产10亿千瓦时,届时中国会占全球产能的一半以上,我们目前占全球的60%-70%。

氢能方面,未来能源载体一定是主要依靠氢和电,电一定是主体,氢不可能超过电,但是我们一定同时都需要氢和电。氢是终极能源载体这个容易引起误导,但是氢一定有它的重要地位。

氢的应用很广泛的,除了长途重载交通,还有发电、供热、工业原料等。大家说轿车量多大,我们应该替代轿车,为什么搞商用车?其实从能源角度来看,虽然商用车只占汽车总量的20%-30%,但商用车用的柴油消耗量和乘用车用的汽油消耗量是大体相当的,十辆桥车油耗量还不如一辆卡车的油耗量大,所以从能源角度来看两者同等重要。

从集中式大规模可再生能源发展瓶颈来看,需要长周期跨季节大规模的储能方式,传统储能方式很难满足要求。而氢能首先具有灵活的制取、运输和储存的优点。比如说我们运输半径300公里以内,张家口辐射京津冀我们可以用拖车,将来500个大气压的完全可以。一个加氢站一天去一车就可以了,当然现在还不行。长途1000公里以上可以灵活,通过天然气管加氢百分之十几,或者长途输电,当地制氢等。另外从储能成本来看,储氢比电池储电成本大概低一个数量级,因为我们电池储电储一千瓦时要500元人民币电池成本,但用氢气储一千瓦时能量50元人民币足够了,是集中式大规模可再生能源充分利用的重要途径。

最后我们看一下系统智能化。新能源汽车不仅仅是交通工具,也是能源装置,也就是以电动汽车为核心,储能,风光发电,智能电网等集成形成移动能源互联网。2035年我国会有一亿辆新能源汽车,车上的电池容量加起来就达50亿千瓦时,储50亿度电,如果未来发展到2亿辆新能源轿车,车上电池就是100亿度电,中国一天消耗电力不到200亿度,这就是规模效应。放出的功率,基于电池放电倍率,50亿度电一倍率放电可以放出50亿千瓦,中国的发电装机容量不到20亿千瓦,所以调节负荷能力非常强,而且这是高频调节,毫秒级的响应。同时区块链来解决我们的分布式能源互联网的支付问题。还有一个非常重要的技术就是车网互动,新能源汽车的能量调节不是单向储能,是双向互动,不管是纯电动车,还是燃料电动车,都可以往电网放电,燃料可以作为发电机。一百万辆燃料电商用车它的发电功率可以达到1亿千瓦,虽然我们每一辆车功率不大,但是总量巨大。我们目前更多是功率负荷调节,未来可能是功率和能量的双重调节,新能源车会发挥巨大作用。清华正在开展这方面的工作,我们认为这是一个蓝海,今天在座很多是可再生能源专家,我们认为电动汽车智慧能源大有可为。

最后总结一下,我们认为现在新能源汽车只是它的初级阶段,将会经历新能源和智能化双向并行发展,进入新能源智能化电动汽车新时代。另外,面向2035年,要用新能源汽车推动新能源革命,我把它做了两个组合,一个是黄金组合,就是分布式光伏和电池。这是要户用光伏和储能电池,卖电动车的时候同时卖光伏和家用储能墙,通过互联网、5G让光伏进入千家万户。光伏进入太瓦时代,即10亿千瓦时代,同时进入2毛钱电价时代(国家电投提出的“2毛钱”电价战略,既电价达到0.2元/千瓦时)。电池也会进入年产10亿千瓦时的时代,电池成本进入每瓦时5毛钱的时代。分布式光-储-充一体化智慧能源系统大有可为。第二是白银组合,即集中式的风电+光伏+电解水制氢+燃料电池。未来光伏和风电都会有大发展,2035年燃料电池商用车会进入百万辆,一辆装一百千瓦容量电池,总共就是1亿千瓦发电。所以就是集中式风、光、氢、储一体化智慧能源系统。让我们共同迎接新能源革命的新时代。
 

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