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欧阳明高:未来十年,燃料电池发动机成本会大幅度下降

时间:  2021-04-08 16:16   来源:  氢智会    作者:  Summer

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2021年4月8日,中关村氢能与燃料电池技术创新产业联盟(以下简称“联盟”)成立大会暨首届会员大会于北京召开。中国科学院院士欧阳明高为大会致辞,并做报告。以下为演讲实录:

欧阳明高:未来十年,燃料电池发动机成本会大幅度下降

尊敬的各位领导、各位专家、各位同行,大家上午好!

首先,我祝贺中关村氢能与燃料电池技术创新产业联盟成立,对此我表示中心的祝贺。由于我现在在封闭学习,不能到现场与大家交流,所以通过视频与大家谈谈我对氢能汽车,尤其是氢能与燃料电池发展现状和趋势的一些看法,下面我有一个简短的PPT给大家介绍一下。

我给大家交流的题目是面向碳中和的新能源革命,电动化、低碳化与智能化。

背景我想谈一下动力变革与能源革命。我们经历了第一次能源革命,那就是木材向煤炭的过渡,也是第一次工业革命,我们能源是能源,交通工具是火车。然后我们又经历了第二次能源革命,当然大家有很多不同的看法,比方说主体的意思比较集中就是电力、内燃机,我认为内燃机更加重要,因为它引发了煤炭向油气的变革,这其中最重要的交通工具就是汽车。能源的载体就是汽柴油。现在是不是我们正在迎来第三次能源革命呢,大家可能有不同的看法,我想至少是在迎来第三次能源革命,能源就是可再生能源,载体就是电和氢,交通工具就是电动车。大家谈论第四次工业革命,是以可再生能源为基础的绿色化和以数字网络为主的数智化。

下面从能源与工业革命高度看新能源汽车。三个观点,第一是动力电动化新进展,也就是电动车革命,电动化是气动力百年来重大的变革,三种新能源的动力系统,这是我们一个总的电动化的技术革命。我们纯电动汽车燃料电池技术的创新在持续推进,比如说在2013年前三元动力电池没有产业化的车,我们乘用车销售比较低,2015年轿车市场开始爆发。2018年三元电池比能量提升乏力,而且遇到了安全问题,所以行业转向到新结构设计,比如说比亚迪的刀片电池。所以现在我们在动力电池方面,从材料体系本身处于瓶颈期,但是从结构设计方面是非常活跃的。我们可以看到电池在车上的比能量,装了电池的总容量在持续提升,同时续航里程也在持续提升。这中间不可回避的就是动力电池有一个热安全问题,这个问题还是正在解决的问题,这就是我们清华大学的电池安全实验室,我们在这方面做了大量的工作,跟同行业主要的厂商都有合作关系,我们现在正在努力解决电池的安全问题。

另外一个方面很值得提一下就是燃料电池汽车。我们经过长期努力,中国车用燃料电池技术近年来取得产业化突破,这是2020年技术状况的比较,各种技术指标大幅度提高,比如我们认为最难的就是安全技术,提高了300%,这是一个重大的突破。同时出现了一系列的优势车型,比如说燃料电池城市客车,这是我们清华亿华通做的燃料电池的动力系统,而且续航超过700公里,百公里氢耗到现在的从8公斤到5公斤,在北方可以零下30度启动,供暖非常方便,相比纯电动是有优势的。

这是燃料电池发动机,为了强调耐久性,我们对商用车燃料电池发动机坚持了石墨双极板的技术,这是亿华通和清华的团队这些年来一步一步提升燃料电池的性能,而且推动燃料电池产业链的自主可控,并取得重大进展。这个是清华牵头开发的全球首台分布式驱动的燃料电池液氢重卡,应该说这也是一个新的突破。

最近我们清头承担科技冬奥的重点项目氢能出行,张家口在2022年将有2000辆左右的燃料电池汽车,正在建设20多个加氢站,这是最新的进展。

下一步燃料电池发动机成本会大幅度下降,进入一个快速下降的区间,今后十年,与过去十年比的锂离子电池下下降成本过程相似。这中间还有一个很重要的部件就是储氢瓶,现在国产70MPa塑料内胆碳纤维然绕已经可以国产,现在是刚刚国产,初期成本还是比较高。从未来的预测来看,主要取决于碳纤维的成本下降,如下有较大幅度下降,我们可以期待2025年降到接近2000块钱储存一公斤的氢。

从中长期看燃料电池汽车的推广将会从目前1万辆左右,到2025年的5到10万辆,再到2030、2035接近100万辆,而且都是以商用车为主体,这是我们需求量,这是加氢站的数量。现在我们预计2025年是1000座,中石化宣布将大规模建设加氢站,这方面我们认为还是问题不大的,这是燃料电池。

电动化这部分我想做一个小结,如下基于化石能源看各类轿车油井到车轮能效比较,三种电动汽车都比传统汽车能效高很多,所以各种电动汽车都是节能的。基于化石能源纯电动、燃料电池和混合动力能效差别并不大,当然燃料电池稍有优势,这是基于天然气的,纯电动的如果也基于天然气是比纯电动低的。我们为什么非要搞然燃料电池和电动汽车呢,这就是要看第二大技术变革,就是能源低碳化的新要求,也就是新能源革命。

从新能源革命的角度来看,我们习主席提出2030、60低碳发展目标和能源革命的重大战略,所谓的第三次能源革命,我们认为就是有五大支柱,包括可再生能源,尤其光伏与风电,第二就是集中式转向分布式,建筑变为微型发电厂。用氢气、电池等技术储存间歇市能源。另外发展能源互联网技术,把分布式能源连起来,最后就是各种电动汽车成为用能、储能并回馈能源终端。所以我们认为只有实现新能源汽车大规模发展,才能顺利适应新能源革命,只有实现新能源革命,才能顺利地实现中国的碳中和目标,所以在这方面我们首先看看可再生能源的载体就是电和氢。光伏将来会是最便宜的能源,而且光伏效率在持续提高,新一代光伏钙钛矿相结合的第三代光伏电池技术正在兴起,效率潜力巨大。

第二个就是电和氢,如果我们国家2035年达到欧洲2030年的目标,绿氢1000万吨,则储氢容量能超过3300亿千瓦时,面向近中远期应用,我们已经全面开展三种电解水制氢技术研发,尤其是现在燃料电池和制氢装置,大家正在寻求一体化,也就是一个装置既制氢又发电,从发电的成本看,完全取决于我们光伏和风电的价格,随着光伏电价的降低,最终将会是成本最低的执行方式,这也是我们清华团队最近正在开发的三种制氢装置。我们可以看看这三种制氢装置的对比,从现在最成熟的碱性,到质子膜电解,到固体氧化物电解,目前效率在不断提高,我们有更加优选的技术,这是投资的成本。

另外就是氢的载体,我们叫E FUEL,液氨质量储存密度17.8wt,这样形成一个氮的循环,最后是完全无碳排放。最后就是电合成染料,我们可以通过氢再加碳做成甲醇,然后通过甲醇制做各种的产品,比如煤油汽油,我们中国叫液态阳光燃料,将来比如飞机是可以用这种燃料。我们如果比较刚才说的电、氢和氢能的储存载体,充电的电动车小最高,电燃料效率是最低的。这就提出一个问题,氢效率低,我们怎么看呢,其实接近化石能源效率是非常重要的,但是可再生能源效率就转化成成本,如果电价相同,总能效产别等于成本差别,但是自行用的电价有可能比充电电价便宜吗,这是有可能,对于可再生能源,大规模的可再生能源,在西部集中式可再生能源,基地生产的可再生能源,用它制氢的电价有可能比东部直接充电的电价是要低的。所以从这个角度,我们氢还是大有用武之地。

接下来我们要看怎么样产生这个优势呢,所以我们需要从系统智能化的新趋势来看这个问题。首先,我们将来的电网是新能源电力系统,新能源电力系统是一定要有储能装置,没有储能装置这个系统是不成立的。我们储能用什么,这是各种各样的储能方式,下面是功率,纵轴是存储时间。对于长周期大规模应该说是氢能,下面这些短周期方向的,这个下面的小规模应该说是电池,这两种应该说是未来储能的主体。首先以锂离子电池为代表的动力电池是短周期分布式消费者可再生能源储存的最佳选择,我们2020年就可以进入T瓦时代,到2025就是达到40亿千瓦时以上,就是比现在要增加20倍以上。如果3亿辆中国乘用车全部改用电动轿车,每辆车平均65千瓦时,则车载储能容量约200亿千瓦时,与中国每天消费总电量基本相当。考虑基础设施建设情况,2030到2035可能有10%到20%的车辆配备双向充电桩介入V2G市场,调节潜力超过22亿千瓦。发改委有一个计算,北京市如果在2050年有500万辆车,电网是非常平稳的,但是如果100万辆车,这个电网波动是非常巨大。

这就是电动车充电互动模式,现在在北京已经开始试验,国家电网已经召集一些志愿者,可以充电,可以放电,车主可以赚差价,每度电能赚接近4毛钱,我们现在和国网合作开展针对性的研究。

另一方面就是氢能是集中式可再生能源大规模长周期储存的最佳途径。张家口氢能示范表明当可再生能源发电成本低于1毛钱左右的时候,其能源利用全链条技术经济性将凸显。优势是什么,能源利用的充分性:大容量长周期储能模式对可再生能源电力利用更充分。规模储能经济性,前面我们谈到车载的储氢瓶比较贵,但是车下储氢比储电便宜一个数量级。与电池放电互补性,还有就是制运储的灵活性。比如说对于上千公里的储运,也许特高压的输电线也是一种方式,长途输电在北京外围制氢这也是一种很好的输氢方式,发挥中国特高压电网的优势。我们在此基础上正在发展光、储、充、一体化微网试验系统,这是我们在清华汽车研究所做的项目。这是我们准备在张家口冬奥会开展的光储充换多能互补的模式。

我总结一下,未来十年我们车网互动的智慧新能源生态,有两个组合,黄金组合,分布式光伏+电池+电动汽车+物联网+区块链。第二个就是集中式风电与光伏+氢能+燃料电池汽车+物联网+区块链。一个是分布式的置换电系统,一个是集中式的置换电系统。我们做一下总结,就让我们迎接第三次能源革命和第四次工业革命,因为第二次能源革命就是一百多年发生的马车到汽车的大变革以及石油行业的大繁荣,第三次能源革命将会在未来二三十产生交通装备,能源化工相关产业,也会发生百年未有之大变局。我们迎接第四次工业革命,就是以可再生能源为基础的绿色化和数字网络为基础的智能化。谢谢各位。

(以上内容根据速记整理,未经嘉宾审核)
 

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