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歐陽明高:新能源汽車與氫能燃料電池——怎么看、怎么干?

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-06-20  來源:國網  瀏覽次數:640
核心提示:6月12日,氫能張家口建設規劃發布會暨UNDP授牌儀式氫能產業項目簽約會在北京舉行。中科院院士、張家口氫能與可再生能源研究院理事會理事長歐陽明高參加此次發布會并做主旨報告,以下為報告實錄。
  6月12日,氫能張家口建設規劃發布會暨UNDP授牌儀式氫能產業項目簽約會在北京舉行。中科院院士、張家口氫能與可再生能源研究院理事會理事長歐陽明高參加此次發布會并做主旨報告,以下為報告實錄。

歐陽明高:大家都知道,最近氫能非常熱,我將從大的背景和我的研究經歷談三點看法:第一點,為什么要搞新能源汽車和新能源。第二點,介紹一下清華團隊在這方面的工作。第三點,也是最重要的一點,為什么選擇張家口來做氫能燃料電池。

第一點,對新能源汽車和新能源發展的總體看法。從全球看,為什么要搞新能源汽車和新能源?很多人還是不理解的,甚至是有不同看法的。借此機會我想解釋一下我們為什么要發展新能源汽車和新能源。

從能源的交通發展趨勢看,全球有三個趨勢:第一個,電動化;第二個,低碳化;第三個,智能化。從電動化的角度,有油電混合動力電動汽車、純電動汽車、氫能燃料電池電動汽車,三種都屬于電動化。

電動化是動力的革命,還不是能源源頭的革命。動力電動化革命目前發展是很不錯的,而且技術在逐步趨于成熟,比如純電動車鋰離子電池是百年來電池技術的革命,因為在十年內性能提高2倍以上、成本降低80%以上,這就是一場革命。我們抓住了這個機遇,如果沒有電池革命,今天的新能源汽車不可能是這樣大規模推廣?,F在北京20%的車都已經是純電動汽車了。

另外一個很重要的,就是氫能燃料電池,燃料電池技術尤其是車用質子交換膜燃料電池技術,也取得了革命性的突破和進展。比較熟悉的就是豐田的燃料電池技術,在今后五年左右,燃料電池技術基本上會趨于成熟。

還有一種就是油電混合動力,是不能忽視的,它將會在市場上占據重要位置。

從動力革命來講,純電動、氫燃料電池與油電混合動力孰優孰劣很難判斷,因為從效率的角度,這三種車都差不多,如果從全生命周期效率來講,混合動力汽車的效率、燃料電池汽車的效率和純電動汽車的效率相比,很難分出高下。如果說氫能燃料電池效率最高,那是基于以天然氣為能源源頭,這樣算下來它的效率就是高的。但是如果把天然氣換成汽柴油肯定就不是它的效率最高。所以實際這三種電動化所相配的能源,也就是燃料,都有找到自己的最佳組合,都能夠最后達到一個相互之間基本差不多的效果,因此很難對比出來。

如果要對比出來就要談到第二化,那就是能源低碳化。所謂低碳化的趨勢,就是要減排二氧化碳,二氧化碳減排的角度就不得不提到可再生能源,就是風能、太陽能等,尤其是光伏的發展?,F在光伏效率基本上都突破20%,下一代技術是朝30%進軍,發電的成本也與煤電不相上下。光伏不僅僅是集中式光伏,還可以是分布式光伏,現在分布式光伏其實發展的速度比集中式光伏要來得更快。我國是光伏產業世界第一大國,70%的產能都在中國,這是中國的優勢。所以,可再生能源中國發展在全球處于一個很前列的位置。在低碳化方面,中國選擇低碳發展道路,其中很重要的一點就是要能源的低碳化。如果把動力電動化與能源低碳化結合的話,那就能比出高低。因為只有配可再生能源,才有可能實現真正的低碳或者近零碳排放。

在這個前提下就能發現,鋰離子電池、燃料電池配可再生能源優勢凸顯。其中,純電動汽車是更適合分布式可再生能源,尤其是鋰離子儲能電池跟分布式光伏,個人認為是一個絕佳的搭配,在未來發展的空間非常大。

另外一點,就是集中式可再生能源,比如青海,可再生能源已經可以提供全青海的發電量。我國很多可再生能源基地都建在內蒙、青海這一帶,包括張家口,這一帶為什么適合建設可再生能源基地?因為這個地帶光照時間長,相比東部地區來講,這一帶地區發電時間長、成本更低,當然隨之而來的就是輸送的問題。對于這些可再生能源集中式基地,用鋰離子電池來儲存并不是一個最佳選擇,相比之下,把它變成氫氣是一個全球認同的主要的可再生能源儲存手段,雖然有很多儲能手段,但是相比之下氫能是各方面比較具有優勢的。

所以,可再生能源跟鋰離子電池和氫能燃料電池相結合有兩種途徑:分布式的儲能需要鋰離子電池和純電動汽車;集中式、長周期、大規模的儲能,需要氫能及燃料電池。所以汽車動力跟能源就連成了一個緊密的配合,可以實現能源低碳化,這是關于低碳化的趨勢,這是為什么要發展新能源汽車。

還有一個現在非常熱的趨勢就是智能化,智能化其實一個更大的革命、更廣泛的一場革命,人工智能、大數據、互聯網等發展浪潮席卷全球,各行各業都在人工智能方面投入很大的精力。跟新能源汽車相關的有:自動駕駛、工業4.0、智慧能源、能源互聯網等等。相對應分布式的光伏和電動汽車,最好的前景就是會形成移動能源互聯網?,F在手機是一個移動的信息互聯網,將來汽車也變成下一個巨大的終端,跟手機是一樣的。最近華為要進入汽車領域,一個方面是5G的發展給智能汽車提高網絡基礎設施支撐,另外一方面是智能手機在汽車上全方位使用,而且汽車是一個零部件更多、產值更大、更加綜合的系統。未來汽車有可能就屬于ICT行業了,因為ICT變成了汽車的核心。目前全球汽車行業正在流行電動化、智能化、網聯化、共享化,但其中網聯化和共享化目前只強調了信息革命,沒有強調能源革命。如果所有的電動轎車只要停下來都接到智能電網或者由微網組成的能源互聯網上的話,那么儲能的規模將是無比巨大的,2030年之后,新能源汽車保有量要超過1億輛,車載電池總的能量將會超過60億度,這是很大的一個數字。

通過智能化,能把能源、交通、信息全方位的整合,也就是未來社會將會是綠色、低碳、智能化的社會,整個經濟將會全方位的轉型升級。因此要在這個大背景下來談氫能燃料電池。我們最近正在做《新能源汽車2035規劃》,我對“新能源汽車2035規劃”基本的判斷是:“新能源汽車2035規劃”包括混合動力汽車、純電動汽車、燃料電動汽車、油電混合,將要占據汽車市場90%左右。智能化和能源低碳化也會占據主體位置。根據國家發改委公布的能源規劃,到2030年,我國非化石能源裝機將達到50%,2035年將占裝機量主體。

在這個大背景下定位氫能,氫能是什么?氫能就是未來在可再生能源背景下的兩個主要能源載體之一,一個是電,一個就是氫,個人認為電一定還是主體,氫不可能超過電?,F在談氫能時,可能會把氫能跟石油、天然氣、煤炭相提并論,其實不是這樣,因為氫能只是一個能源的載體,是二次能源,不是一次能源。

關于氫能,現在遇到的挑戰是什么?燃料電池問題不大,技術將會成熟。氫源問題也不大,目前經濟可行的氫源可以來自1000億度的棄風棄光棄水,還有800萬噸的副產氫,氫源沒有問題。那么挑戰在哪里?在氫的儲運,包括車載儲存和車下的儲運。找到一個經濟、高效、可行的儲運模式,這是目前的關鍵。關于氫能燃料電池汽車路線圖,我們內部開了很多研討會,專家層面也是很多看法。很多專家說氫能是非常理想的清潔能源,但是氫能也會有很多問題,因為它太輕了,技術的難度是比較大的。目前我國氫能科技是滯后于燃料電池的,現在使用的氫能工藝基本上都是50年至100年以前發明的,新的氫能科技,還沒有完全能夠成為主流,沒有大規模推廣的應用技術。一些新的基礎研究成果還需要進一步的工程化、實用化、商業化。

目前車載儲運主流技術是國外從燃料電池轎車發展中優選出來的高壓氣氫,就是70兆帕四型高壓儲氫瓶,這是全球公認的主流車載儲氫技術。四型瓶相對三型瓶來講成本可以下降30%,而且全球的標準法規都圍繞這個方向制定了,但是,中國目前沒有這方面的成熟產品和相關標準法規。中長期看,面向2030年,尤其是針對長途商用車我們要發展液態儲氫或者中壓深冷氣氫。至于車下的儲運,現在有固態的、液態的、氣態的三種。固態的不談了,目前沒有找到主流的固態儲運技術。液態,氫液化,是我們要發展的,但是近期我們可能還很難大規模的依賴,這是我們要發展的,面向2030年我們要發展的。

氫能近期主流的還是氣態,氣態的問題是,儲氫密度偏低,我國現在采用的是20兆帕的儲氫瓶,國外已經發展了50兆帕、100兆帕,尤其是100兆帕,100兆帕的儲氫瓶到加氫站直接就可以往70兆帕氫瓶加注。但是這個技術目前國內還不具備,因為這對標準、安全方方面面提出了很高要求。為什么我國遲遲不給四型瓶的頒布標準?第一,我們沒有成熟產品,第二,對安全的檢測評估還不到位。我們在這方面需要開放創新、整合全球資源,建立我國氫能相關產業鏈,這樣才有可能解決氫能全產業鏈的一個中間瓶頸。

第二點,關于清華大學我的團隊做的工作。比如說,對于純電動汽車,目前有什么問題?那就是電池的安全性,其他的問題基本上都解決了或者很快會解決。續駛里程、充電都不是太大問題?,F在急需解決的,就是高比能量鋰離子電池的安全性,不是說所有電池都不安全,是電池比能量越高對安全要求、技術的要求越高。磷酸鐵鋰電池很安全,鈦酸鋰電池也很安全,但是到三元811,比能量做到300瓦時/公斤,安全的技術要求就很高,所以需要盡快把這個技術攻破。我在這里說安全,不是說純電池因為安全就不發展了,一切的問題都需要科技來解決,我們目前在全方位的解決這個痛點。我們建立了清華大學電池安全實驗室,我的學生大概70%以上的人都在做電池安全性相關的研究,我們希望通過三五年的努力能夠從技術上基本解決這個問題,另外一塊混合動力,主要是電控技術,所以我們有很大一方面是做內燃機混合動力的電控系統。

第三點,就是氫能燃料電池。氫能燃料電池我們也做了接近二十年,今年豐田汽車和清華大學成立了豐田-清華氫能燃料電池研究中心,豐田現在對我們是非常開放的,我們和豐田的聯合實驗室,數據是開放的,我們做建模,豐田可以直接提供給我們數據,這是前所未有的開放。這些主要是偏基礎前沿的研究工作。至于技術創新方面,目前我們清華團隊的氫燃料電池系統研究跟一些相關產業公司是緊密結合在一起的。因為氫燃料電池涉及的參數太多,如果把一個試驗數據做可靠,就需要全方位的設備,非常多的相關服務人員配合。在產業化應用方面,一個重點就放在張家口。

為什么選擇張家口?

第一個,張家口是中國唯一的可再生能源國家示范區。因為新能源是可再生能源,所以必須在可再生能源的大背景下來考慮氫能燃料電池,所以我們肯定要選擇張家口,因為張家口是可再生能源唯一示范區。鋰離子電池儲能,還有光伏,都是張家口的強項。

另外,張家口是氫能燃料電池示范推廣的絕佳基地。第一,我們圍繞冬奧會正在聯合豐田、北汽福田,將要做2000多輛燃料電池大客車。為什么冬奧會這么重要?因為冬奧會是樹立張家口氫能與可再生能源品牌的一個絕佳的機會,可再生能源和氫能不能局限在中國,必須站在全球的視野來考慮,而冬奧會提供了絕佳的機遇,這也是為什么我們去。第二,還有一個優勢,這是北方地區,冬季溫度低?,F在純電動汽車東北是很少的,因為鋰離子電池遇到低溫是有短板的,電池性能下降同時供暖耗能高。為什么不到南方去發展氫能燃料電池?因為在南方氫能燃料電池跟純電動競爭的時候,溫度適宜鋰離子電池,二三十度是鋰離子電池非常好的使用工況。所以選擇了張家口,就是說在燃料電池推廣的初期可能是冷的地方相比純電動更有競爭優勢,供暖用燃料電池廢熱就可以了。

另外一個角度,產業鏈整合和科技資源的整合方面。科技資源,氫能燃料電池還需要氫能科技的突破、制定法規標準、有復雜的檢測。氫能燃料電池包括燃料電池本身,以及氫瓶等等,這都需要非常復雜的檢測,這需要很大規模的設備投入,還有氫的供應等。張家口提供了一個非常好的測試、研究、制定國家標準的基地,而且距離北京比較近,張家口高鐵開通之后,一個小時可以從北京到張家口,北京將和張家口全方位聯系,這樣可以把整個氫能相關的科技資源集中到張家口。如果在北京建立氫燃料電池檢測中心,氫源是一個很大問題,所以選擇張家口一個原因就是,全球科技資源的整合。我們計劃在張家口成立國家級別研究、測試、評價、示范綜合平臺?,F在的氫瓶,國內的三型瓶的壽命,充氫、放氫的循環次數,7500次—12000次不等,大家知道高壓容器檢測很復雜的,所以必須進行生產一次性評估。最理想狀況是儲能電池測試、光伏測試、風機測試等布局在一塊。美國有一個可再生能源與國家檢測基地,是布局在一起的,因為相互之間是要耦合的。電動車,鋰離子電池、光伏本身就構成大系統。例如特斯拉,既銷售電動車,也銷售房頂的光伏、鋰離子的儲能墻、超級充電樁,是配套的,我們要把試驗基地合起來建。(作者:中科院院士、清華大學學術委員會副主任歐陽明高)                                  氫能和燃料電池

 
 
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