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欧阳明高:新能源汽车与氢能燃料电池——怎么看、怎么干?

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-06-20  来源:国网  浏览次数:626
核心提示:6月12日,氢能张家口建设规划发布会暨UNDP授牌仪式氢能产业项目签约会在北京举行。中科院院士、张家口氢能与可再生能源研究院理事会理事长欧阳明高参加此次发布会并做主旨报告,以下为报告实录。
  6月12日,氢能张家口建设规划发布会暨UNDP授牌仪式氢能产业项目签约会在北京举行。中科院院士、张家口氢能与可再生能源研究院理事会理事长欧阳明高参加此次发布会并做主旨报告,以下为报告实录。

欧阳明高:大家都知道,最近氢能非常热,我将从大的背景和我的研究经历谈三点看法:第一点,为什么要搞新能源汽车和新能源。第二点,介绍一下清华团队在这方面的工作。第三点,也是最重要的一点,为什么选择张家口来做氢能燃料电池。

第一点,对新能源汽车和新能源发展的总体看法。从全球看,为什么要搞新能源汽车和新能源?很多人还是不理解的,甚至是有不同看法的。借此机会我想解释一下我们为什么要发展新能源汽车和新能源。

从能源的交通发展趋势看,全球有三个趋势:第一个,电动化;第二个,低碳化;第三个,智能化。从电动化的角度,有油电混合动力电动汽车、纯电动汽车、氢能燃料电池电动汽车,三种都属于电动化。

电动化是动力的革命,还不是能源源头的革命。动力电动化革命目前发展是很不错的,而且技术在逐步趋于成熟,比如纯电动车锂离子电池是百年来电池技术的革命,因为在十年内性能提高2倍以上、成本降低80%以上,这就是一场革命。我们抓住了这个机遇,如果没有电池革命,今天的新能源汽车不可能是这样大规模推广。现在北京20%的车都已经是纯电动汽车了。

另外一个很重要的,就是氢能燃料电池,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。比较熟悉的就是丰田的燃料电池技术,在今后五年左右,燃料电池技术基本上会趋于成熟。

还有一种就是油电混合动力,是不能忽视的,它将会在市场上占据重要位置。

从动力革命来讲,纯电动、氢燃料电池与油电混合动力孰优孰劣很难判断,因为从效率的角度,这三种车都差不多,如果从全生命周期效率来讲,混合动力汽车的效率、燃料电池汽车的效率和纯电动汽车的效率相比,很难分出高下。如果说氢能燃料电池效率最高,那是基于以天然气为能源源头,这样算下来它的效率就是高的。但是如果把天然气换成汽柴油肯定就不是它的效率最高。所以实际这三种电动化所相配的能源,也就是燃料,都有找到自己的最佳组合,都能够最后达到一个相互之间基本差不多的效果,因此很难对比出来。

如果要对比出来就要谈到第二化,那就是能源低碳化。所谓低碳化的趋势,就是要减排二氧化碳,二氧化碳减排的角度就不得不提到可再生能源,就是风能、太阳能等,尤其是光伏的发展。现在光伏效率基本上都突破20%,下一代技术是朝30%进军,发电的成本也与煤电不相上下。光伏不仅仅是集中式光伏,还可以是分布式光伏,现在分布式光伏其实发展的速度比集中式光伏要来得更快。我国是光伏产业世界第一大国,70%的产能都在中国,这是中国的优势。所以,可再生能源中国发展在全球处于一个很前列的位置。在低碳化方面,中国选择低碳发展道路,其中很重要的一点就是要能源的低碳化。如果把动力电动化与能源低碳化结合的话,那就能比出高低。因为只有配可再生能源,才有可能实现真正的低碳或者近零碳排放。

在这个前提下就能发现,锂离子电池、燃料电池配可再生能源优势凸显。其中,纯电动汽车是更适合分布式可再生能源,尤其是锂离子储能电池跟分布式光伏,个人认为是一个绝佳的搭配,在未来发展的空间非常大。

另外一点,就是集中式可再生能源,比如青海,可再生能源已经可以提供全青海的发电量。我国很多可再生能源基地都建在内蒙、青海这一带,包括张家口,这一带为什么适合建设可再生能源基地?因为这个地带光照时间长,相比东部地区来讲,这一带地区发电时间长、成本更低,当然随之而来的就是输送的问题。对于这些可再生能源集中式基地,用锂离子电池来储存并不是一个最佳选择,相比之下,把它变成氢气是一个全球认同的主要的可再生能源储存手段,虽然有很多储能手段,但是相比之下氢能是各方面比较具有优势的。

所以,可再生能源跟锂离子电池和氢能燃料电池相结合有两种途径:分布式的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。所以汽车动力跟能源就连成了一个紧密的配合,可以实现能源低碳化,这是关于低碳化的趋势,这是为什么要发展新能源汽车。

还有一个现在非常热的趋势就是智能化,智能化其实一个更大的革命、更广泛的一场革命,人工智能、大数据、互联网等发展浪潮席卷全球,各行各业都在人工智能方面投入很大的精力。跟新能源汽车相关的有:自动驾驶、工业4.0、智慧能源、能源互联网等等。相对应分布式的光伏和电动汽车,最好的前景就是会形成移动能源互联网。现在手机是一个移动的信息互联网,将来汽车也变成下一个巨大的终端,跟手机是一样的。最近华为要进入汽车领域,一个方面是5G的发展给智能汽车提高网络基础设施支撑,另外一方面是智能手机在汽车上全方位使用,而且汽车是一个零部件更多、产值更大、更加综合的系统。未来汽车有可能就属于ICT行业了,因为ICT变成了汽车的核心。目前全球汽车行业正在流行电动化、智能化、网联化、共享化,但其中网联化和共享化目前只强调了信息革命,没有强调能源革命。如果所有的电动轿车只要停下来都接到智能电网或者由微网组成的能源互联网上的话,那么储能的规模将是无比巨大的,2030年之后,新能源汽车保有量要超过1亿辆,车载电池总的能量将会超过60亿度,这是很大的一个数字。

通过智能化,能把能源、交通、信息全方位的整合,也就是未来社会将会是绿色、低碳、智能化的社会,整个经济将会全方位的转型升级。因此要在这个大背景下来谈氢能燃料电池。我们最近正在做《新能源汽车2035规划》,我对“新能源汽车2035规划”基本的判断是:“新能源汽车2035规划”包括混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电动汽车、油电混合,将要占据汽车市场90%左右。智能化和能源低碳化也会占据主体位置。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将达到50%,2035年将占装机量主体。

在这个大背景下定位氢能,氢能是什么?氢能就是未来在可再生能源背景下的两个主要能源载体之一,一个是电,一个就是氢,个人认为电一定还是主体,氢不可能超过电。现在谈氢能时,可能会把氢能跟石油、天然气、煤炭相提并论,其实不是这样,因为氢能只是一个能源的载体,是二次能源,不是一次能源。

关于氢能,现在遇到的挑战是什么?燃料电池问题不大,技术将会成熟。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,氢源没有问题。那么挑战在哪里?在氢的储运,包括车载储存和车下的储运。找到一个经济、高效、可行的储运模式,这是目前的关键。关于氢能燃料电池汽车路线图,我们内部开了很多研讨会,专家层面也是很多看法。很多专家说氢能是非常理想的清洁能源,但是氢能也会有很多问题,因为它太轻了,技术的难度是比较大的。目前我国氢能科技是滞后于燃料电池的,现在使用的氢能工艺基本上都是50年至100年以前发明的,新的氢能科技,还没有完全能够成为主流,没有大规模推广的应用技术。一些新的基础研究成果还需要进一步的工程化、实用化、商业化。

目前车载储运主流技术是国外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,这是全球公认的主流车载储氢技术。四型瓶相对三型瓶来讲成本可以下降30%,而且全球的标准法规都围绕这个方向制定了,但是,中国目前没有这方面的成熟产品和相关标准法规。中长期看,面向2030年,尤其是针对长途商用车我们要发展液态储氢或者中压深冷气氢。至于车下的储运,现在有固态的、液态的、气态的三种。固态的不谈了,目前没有找到主流的固态储运技术。液态,氢液化,是我们要发展的,但是近期我们可能还很难大规模的依赖,这是我们要发展的,面向2030年我们要发展的。

氢能近期主流的还是气态,气态的问题是,储氢密度偏低,我国现在采用的是20兆帕的储氢瓶,国外已经发展了50兆帕、100兆帕,尤其是100兆帕,100兆帕的储氢瓶到加氢站直接就可以往70兆帕氢瓶加注。但是这个技术目前国内还不具备,因为这对标准、安全方方面面提出了很高要求。为什么我国迟迟不给四型瓶的颁布标准?第一,我们没有成熟产品,第二,对安全的检测评估还不到位。我们在这方面需要开放创新、整合全球资源,建立我国氢能相关产业链,这样才有可能解决氢能全产业链的一个中间瓶颈。

第二点,关于清华大学我的团队做的工作。比如说,对于纯电动汽车,目前有什么问题?那就是电池的安全性,其他的问题基本上都解决了或者很快会解决。续驶里程、充电都不是太大问题。现在急需解决的,就是高比能量锂离子电池的安全性,不是说所有电池都不安全,是电池比能量越高对安全要求、技术的要求越高。磷酸铁锂电池很安全,钛酸锂电池也很安全,但是到三元811,比能量做到300瓦时/公斤,安全的技术要求就很高,所以需要尽快把这个技术攻破。我在这里说安全,不是说纯电池因为安全就不发展了,一切的问题都需要科技来解决,我们目前在全方位的解决这个痛点。我们建立了清华大学电池安全实验室,我的学生大概70%以上的人都在做电池安全性相关的研究,我们希望通过三五年的努力能够从技术上基本解决这个问题,另外一块混合动力,主要是电控技术,所以我们有很大一方面是做内燃机混合动力的电控系统。

第三点,就是氢能燃料电池。氢能燃料电池我们也做了接近二十年,今年丰田汽车和清华大学成立了丰田-清华氢能燃料电池研究中心,丰田现在对我们是非常开放的,我们和丰田的联合实验室,数据是开放的,我们做建模,丰田可以直接提供给我们数据,这是前所未有的开放。这些主要是偏基础前沿的研究工作。至于技术创新方面,目前我们清华团队的氢燃料电池系统研究跟一些相关产业公司是紧密结合在一起的。因为氢燃料电池涉及的参数太多,如果把一个试验数据做可靠,就需要全方位的设备,非常多的相关服务人员配合。在产业化应用方面,一个重点就放在张家口。

为什么选择张家口?

第一个,张家口是中国唯一的可再生能源国家示范区。因为新能源是可再生能源,所以必须在可再生能源的大背景下来考虑氢能燃料电池,所以我们肯定要选择张家口,因为张家口是可再生能源唯一示范区。锂离子电池储能,还有光伏,都是张家口的强项。

另外,张家口是氢能燃料电池示范推广的绝佳基地。第一,我们围绕冬奥会正在联合丰田、北汽福田,将要做2000多辆燃料电池大客车。为什么冬奥会这么重要?因为冬奥会是树立张家口氢能与可再生能源品牌的一个绝佳的机会,可再生能源和氢能不能局限在中国,必须站在全球的视野来考虑,而冬奥会提供了绝佳的机遇,这也是为什么我们去。第二,还有一个优势,这是北方地区,冬季温度低。现在纯电动汽车东北是很少的,因为锂离子电池遇到低温是有短板的,电池性能下降同时供暖耗能高。为什么不到南方去发展氢能燃料电池?因为在南方氢能燃料电池跟纯电动竞争的时候,温度适宜锂离子电池,二三十度是锂离子电池非常好的使用工况。所以选择了张家口,就是说在燃料电池推广的初期可能是冷的地方相比纯电动更有竞争优势,供暖用燃料电池废热就可以了。

另外一个角度,产业链整合和科技资源的整合方面。科技资源,氢能燃料电池还需要氢能科技的突破、制定法规标准、有复杂的检测。氢能燃料电池包括燃料电池本身,以及氢瓶等等,这都需要非常复杂的检测,这需要很大规模的设备投入,还有氢的供应等。张家口提供了一个非常好的测试、研究、制定国家标准的基地,而且距离北京比较近,张家口高铁开通之后,一个小时可以从北京到张家口,北京将和张家口全方位联系,这样可以把整个氢能相关的科技资源集中到张家口。如果在北京建立氢燃料电池检测中心,氢源是一个很大问题,所以选择张家口一个原因就是,全球科技资源的整合。我们计划在张家口成立国家级别研究、测试、评价、示范综合平台。现在的氢瓶,国内的三型瓶的寿命,充氢、放氢的循环次数,7500次—12000次不等,大家知道高压容器检测很复杂的,所以必须进行生产一次性评估。最理想状况是储能电池测试、光伏测试、风机测试等布局在一块。美国有一个可再生能源与国家检测基地,是布局在一起的,因为相互之间是要耦合的。电动车,锂离子电池、光伏本身就构成大系统。例如特斯拉,既销售电动车,也销售房顶的光伏、锂离子的储能墙、超级充电桩,是配套的,我们要把试验基地合起来建。(作者:中科院院士、清华大学学术委员会副主任欧阳明高)                                  氢能和燃料电池

 
 
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