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欧阳明高:从更广阔的视野看待氢能燃料电池

电动汽车,电池,氢燃料电池;政策

(中国科学院院士、清华大学教授、博士生导师,汽车安全与节能国家重点实验室主任欧阳明高)

♦发展新能源和新能源汽车是大势所趋

从能源的交通发展趋势看,电动化、低碳化、智能化是大势所趋。

1.电动化是动力革命

电动化是动力革命,但不是能源源头革命。油电混合动力汽车、纯电动汽车、氢能燃料电池汽车都属于电动化。动力革命目前正在推进,而且技术逐步趋于成熟。比如,近10年内纯电动汽车锂离子电池性能提高2倍以上、成本降低80%以上,这就是一场电池革命。中国抓住了这个机遇,如果没有电池革命,新能源汽车不可能像现在这样得到大规模推广。如今,北京道路上行驶的车辆有20%都是纯电动汽车。再如,氢燃料电池技术尤其是车用质子交换膜燃料电池技术,也取得了革命性的突破和进展,业内比较熟悉的就是丰田的燃料电池技术。预计在今后五年左右,燃料电池技术基本趋于成熟。此外,油电混合动力技术也不容忽视,它将在市场上占据重要位置,未来燃油车会以混合动力的形式在相当长时间内持续发展。

以上三种车孰优孰劣,现在还不好下结论。从效率角度看,这三种车相差不多;从全生命周期效率来看,也很难一较高下。有人认为氢燃料电池效率最高,那是基于以天然气为能源源头计算得出,如果将天然气换成汽柴油则并非如此。以上三种电动化所相配的能源,也就是燃料,都有各自的最佳组合,能够达到差不多的效果,所以很难对比,这就需要借助第二“化”,即能源低碳化进行更好地对比。

2.动力和能源相结合能实现能源低碳化

低碳化,就是要减排二氧化碳,这就不得不提到风能、太阳能等可再生能源,尤其是光伏的发展。现在光伏效率基本已突破20%,下一代技术是朝30%进军,而且发电成本和煤电不相上下。光伏既包括集中式光伏,也包括分布式光伏,现在分布式光伏发展更快。中国是世界光伏第一大国,集中了全球70%的产能。可以说,在可再生能源发展方面,中国处于世界前列。选择低碳发展道路,是中国政府向全世界的承诺,习近平总书记提出能源生产与消费革命的战略思想,其中重要一点就是能源低碳化。如果把动力电动化与能源低碳化结合,就能使不同种类车辆比出高低。因为只有搭配可再生能源,才有可能实现真正的低碳或者近零碳排放。

在这个前提下可以发现,锂离子电池、燃料电池搭配可再生能源的时候优势凸显。其中,纯电动汽车更适合分布式可再生能源,笔者认为,锂离子储能电池和分布式光伏是绝佳搭配,未来发展空间广阔。

关于集中式可再生能源,我国很多可再生能源基地都建在内蒙古、青海一带,也包括张家口。之所以在这些地区建设可再生能源基地,是因为相比东部地区,这些地区光照时间长、发电时间长、成本更低,此外还有能量输送等原因。对于这些可再生能源集中式基地,用锂离子电池储存并不是最佳选择,相比之下,将其变成氢气是全球认同的主要的可再生能源储存手段。

所以,可再生能源和锂离子电池、氢燃料电池相结合有两种途径:分布式储能需要锂离子电池和纯电动汽车;集中式、长周期、大规模的储能,需要氢能及燃料电池。由此,汽车动力和能源紧密配合,从而实现能源低碳化,这也是发展新能源汽车的原因。

3.智能化将全方位整合能源、交通、信息

智能化是一场更大、更广泛的革命,人工智能、大数据、互联网等席卷全球,影响各行各业。对于汽车行业来说,自动驾驶、工业4.0、智慧能源、能源互联网等都与之相关。对于分布式光伏和电动汽车,最好的前景就是形成移动能源互联网。如今,手机已成为移动信息互联网,将来汽车会变成下一个巨大终端。最近华为开始进入汽车领域,一方面是5G的发展将支撑起智能汽车网络基础设施,另一方面是智能手机所有的应用都可以在汽车上全方位使用,而且汽车是一个有更多零部件、更大产值、更综合的系统。所以,将来的汽车有可能属于ICT(信息和通信技术)行业,因为ICT变成了汽车的核心。

电动化、智能化、网联化、共享化是全球汽车行业正在流行的“新四化”,但网联化和共享化只强调了信息革命,没有强调能源革命。如果所有的电动汽车只要停驶就能接到智能电网或者由微网组成的能源互联网上,那么储能规模将无比巨大。2030年之后,新能源汽车保有量或将超过1亿辆,车载电池总能量将超过60亿度,这是一个巨大的数字。

通过智能化,可以把能源、交通、信息全方位整合,也就是说,未来社会将是绿色、低碳、智能化的社会,整个经济也将全方位转型升级,所以要在这个大背景下谈氢能燃料电池。或许有人认为这个设想太遥远,但我国最近正在启动《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》的编制工作,按笔者的判断,到2035年,包括混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电动汽车在内的车辆将成为绝对主体,占比在90%以上,能源低碳化和智能化(如具有各种自动驾驶功能的汽车)也将成为主体。根据国家发改委公布的能源规划,到2030年,我国非化石能源装机量将达到50%;2035年将占装机量主体。笔者认为,到2035年非化石能源发电量也会达到50%,这是一个宏伟目标,但并非遥不可及。

♦氢能燃料电池发展面临多重机遇和挑战

因此,必须在大背景下看氢能,定位氢能。氢能是未来在可再生能源背景下的两个主要能源载体之一,另一个是电能。当然,笔者认为电能还是能源主体,氢能不可能超过电能。现在有人谈氢能,往往把氢能和石油、天然气、煤炭并列,笔者认为这种谈法不妥,因为氢能只是一个能源载体,属于二次能源,不是一次能源。在这个前提下,氢燃料电池目前的发展机遇和挑战是什么?

1.从更广阔的视野看氢能燃料电池的应用

目前,我国正在修订氢能燃料电池汽车路线图,2016年曾发布第一版,当时提出力争到2030年,氢能燃料电池汽车总保有量达到100万辆、加氢站1000座。有人认为,在目前的氢能热潮下,这个数字定低了,笔者不这么认为。如果仅仅从车辆上看,可能到2030年应用更多的是商用车,对于商用车来说,100万辆已经是一个庞大的数字。至于轿车,氢能燃料电池要想在短期内全部取代纯电动轿车也不太可能,所以应该从更广阔的视野来看待氢能燃料电池。

看待氢能,不能仅仅从车辆的角度看,更不能仅仅从轿车角度看,而应从能源角度、从新能源角度、从可再生能源发展角度看待其更广阔的应用。笔者认为,锂离子电池动力系统更多的是替代汽油机,氢燃料电池动力系统更多的是替代柴油机。除了汽车之外,轮船、飞机、潜艇、火车、作业机械等都会采用氢燃料电池动力系统,应用范围很广。

2.氢的储运是最大挑战

关于氢能,我国现在面临的最主要挑战并不是燃料电池,因为技术终将成熟;氢源问题也不大,目前经济可行的氢源可以来自1000亿度的弃风、弃光、弃水,还有800万吨的副产氢。笔者认为,挑战在于氢的储运,包括车载储存和车下的储运,找到经济、高效、可行的储运模式,是发展的关键。目前,我国的氢能科技滞后于燃料电池,现在使用的氢能工艺基本都是50年前甚至100年前发明的,新的氢能科技还没有完全成为主流的、大规模推广的应用技术。虽然我国有很多新的基础研究成果,如光催化制氢等,但还需进一步工程化、实用化、商业化。

目前全球公认的车载储运主流技术是从燃料电池轿车发展中优选出来的高压气氢,就是70兆帕四型高压储氢瓶。相对于三型瓶,四型瓶成本可以下降30%,而且全球的标准法规都围绕这个方向制定,但中国在这方面还没有成熟产品和相关标准法规。从中长期看,面向2030年,尤其是针对长途商用车,我国要发展液态储氢或者中压深冷气氢。

至于车下的储运,现在有固态、液态、气态三种。目前还没有合适的主流固态储运技术;液态即氢液化是面向2030年我们要发展的,但近期很难大规模依赖;眼下主流的是气态,问题在于储氢密度偏低,我国现在采用的是20兆帕储氢瓶,国外已经发展50兆帕、100兆帕储氢瓶,尤其是100兆帕储氢瓶到加氢站可直接往70兆帕氢瓶加注,但国内还不具备这一技术,因为它对标准、安全等各方面提出了很高要求。之所以我国迟迟没有颁布四型瓶的标准,一是没有成熟产品,二是对安全的检测评估还不到位。在这方面,我国需要开放创新,整合全球资源,建立中国相关产业链,这样才有可能解决我国氢能全产业链的一个中间瓶颈。

♦以点带面整合资源打造氢能示范基地

目前,张家口作为中国惟一的可再生能源国家示范区,是我国发展氢能燃料电池的重要地区,在锂离子电池储能、光伏等方面都有发展优势。之所以选择张家口为氢能燃料电池示范推广基地,一是因为张家口是2022年冬奥会举办地之一,我国将在冬奥会期间加速应用燃料电池客车,这是树立张家口氢能与可再生能源品牌的良机;二是北方地区冬季温度低,更适合推广燃料电池汽车,供暖也可用燃料电池废热;三是考虑产业链整合和科技资源的整合。氢能燃料电池发展需要氢能科技的突破,需要法规标准的支撑以及复杂的检测手段,这些都离不开大规模的设备投入,张家口提供了一个良好的测试、研究、制定国家标准的基地。从国家角度看,需要有这样的基地,氢能如果遍地开花,很容易出事。当前国内三型瓶的寿命和充放氢的循环次数7500~12000次不等,高压容器检测很复杂,必须进行生产一致性评价。

此外,我们也希望把储能电池测试、光伏测试、风机测试等放在一起研究。这是借鉴了美国的做法,如美国有一个可再生能源与国家检测基地,涵盖了所有的相关内容,因为相互之间需要耦合,如电动汽车、锂离子电池、光伏本身就构成一个大系统。就像特斯拉,既销售电动汽车,也出售房顶的光伏、锂离子储能墙、超级充电桩,这些都是成套的,所以我们要把试验基地合起来建设。

氢能的发展需要全球共同努力,希望我国能够以张家口为点,以点带面,在全球树立我国的氢能品牌。

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