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歐陽明高:未來五年,燃料電池電堆成本還要再降一半

添加時間:2020-01-09

  • 第二屆長城?國際可再生能源論壇


    2019年11月13日—15日第二屆長城?國際可再生能源論壇在張家口市崇禮舉辦。河北省政府,國家相關部委、中國科學院、國際可再生能源署以及國際知名企業和金融機構合力打造的新能源和可再生能源領域高級別國際交流合作機制。


    會上,中國科學院院士,清華大學歐陽明高教授發表主題演講,以下為演講實錄:


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    嘉賓介紹

    中國科學院院士,清華大學教授歐陽明高


    演講實錄

    各位來賓,大家上午好!


    借這個機會跟大家交流一下關于新能源汽車與新能源革命這個話題。我分三個方面講:電動汽車研發與產業化的歷程、氫能燃料電池的機遇與挑戰、用新能源汽車促進新能源革命。


    首先簡單回顧一下電動汽車研發與產業化的歷程。中國新能源汽車研發始于“十五”,2001年?!笆濉逼陂g的五年是打基礎階段。在國家中長期科技規劃,2003年至2006年期間,通過規劃戰略研究我們提出了節能與新能源汽車的思路,這個思路最后反映在規劃里面就是一個優先主題,節能與新能源汽車。


    節能與新能源汽車國家項目重心是要建立新能源汽車動力系統,主要分為三種:油電混合,可以外接充電的油電混合,我們叫做插電式混合動力。另一種是純電動。還有一種氫燃料電池,氫燃料電池一般來講是跟電池的混合動力,沒有純氫燃料電池的。


    在規劃指導下,開展了“十一五”國家節能與新能源汽車重大項目,這是新能源汽車從打基礎到示范考核的階段。在“十一五”期間,北京奧運會新能源汽車科技示范是讓中國電動汽車走向產業化的關鍵節點,這是全球第一次大規模的示范,具有標志性的里程碑意義。


    在此基礎上,我們進一步做了“十二五”規劃,就要考慮產業化,究竟以什么為產業化的突破口?當時有非常多的挑戰和困難,而且大家達不成共識?!笆濉?lt;電動汽車重大科技產業化工程》規劃也是我主持的,規劃中我們研究中國交通體系的特點和優勢,提出了中國交通體系“點、線、面”模型,所謂“點”就是中國的大城市,北京、天津算一個點?!熬€”就是三五百公里以上,比如說北京到上海,“面”就是中小農村地區城鎮。按照這個體系結構來看,中國電氣化交通特色是非常明顯的。比如說“點”,我國現在新能源城市客車已經是世界第一,全球新能源客車95%以上都在中國。在“線”上,大家知道電氣化高鐵國際領先。在“面”上,有兩億五千萬輛的電動自行車、電動摩托車,這也是中國奇跡,被全球所看好的,這么大規模地解決個人機動交通問題。


    基于這樣一個體系,中國的轎車主體在城市開長途是比較少的,所以當時電動轎車雖然續駛里程并不是太長,但是我們認為以它為突破口是非常好的產業化路徑。在2009年3月,黨的最高領導人第一次指出新能源汽車代表了汽車工業的發展方向。接著8月份北戴河開了高層研討會,形成了所謂“純電驅動”技術轉型戰略,即以純電動為產業化突破口的戰略,這種戰略跟國外比如說豐田的戰略是不一樣的,豐田當時的戰略是從先進燃油車到混合動力車再到燃料電池車,當時國際大企業的主體思路也基本都是這樣的。


    “純電驅動”戰略就是以鋰離子電池和純電動汽車作為基礎平臺和率先產業化的突破口,帶動新能源汽車全方位發展,這是2009年做出來的決策。在此基礎上開始進行“十城千輛”大規模示范,2009年新能源汽車被列為戰略性新興產業,開始國家補貼購買新能源汽車。到2014年國家發出號召,“發展新能源汽車是汽車大國邁向汽車強國的必由之路”。中國新能源汽車產業化從此進入規模產業化發展階段。在這個過程中中國鋰離子電池出現了歷史性的進步和革命性的突破,現在中國鋰離子電池產業在全球產業鏈最全、規模最大,水平也不錯,全球十大電池廠商中國占七家,包括第一名和第三名。第一名CATL公司已經向德國三大汽車公司供應電池,豐田和比亞迪建立合資產業來生產純電動汽車,電池全由比亞迪供應?,F在特斯拉也準備由中國供應電池。這個過程當中我們的電池成本降低了80%,比能量提升了三倍,這是歷史性的進步。


    同時電動汽車整車從大客車、微型車逐步向轎車進入,續駛里程從最開始的150公里,到現在已經普遍到400公里以上和500公里,明后年大家會看到600公里、700公里都會出來,這是進步的過程。同時我們中國新能源汽車產量從年產量零上升到去年年底126萬輛,保有量達到350萬輛以上,明年將會達到500萬輛,這是非常大的進步。中國在全球率先成功大規模的導入高科技民用消費品這是首次,手機、電腦、洗衣機、冰箱都不是中國率先引入的。而且由于中國的進步,中國市場的巨大,引領了全球轎車方面的技術轉型,現在都超這個方向轉型,他們思路也變了。


    當然,大規模引入一個新的高科技產品必然存在很多問題,這里我列出一些,其中有的是偽問題。兩個星期前我在中央電視臺做過一次經濟大講堂專門講到過這些問題,我這里不花時間分析了。但其中我認為有一個問題必須重視,即隨著比能量不斷提升,電池材料熱穩定性降低,對安全的技術要求提高。我們常規鋰離子電池安全性是好的,例如磷酸鐵鋰電池安全性很好,大客車都是裝的磷酸鐵鋰電池沒有出現過事故。只有特高高比能量的,例如高鎳三元電池,要保障安全性,相對來說需要的技術更復雜。所以我們在清華大學成立電池安全實驗室專門應對這個問題?,F在我們大概有60多人做這件事情,這是我們的實驗室。我們也跟全球各大廠商和中國各大廠商進行電池安全防控技術的合作,由于時間關系我在這里不詳細介紹。


    下面我重點說一下第二部分,就是氫能燃料電池的機遇與挑戰。氫燃料電池上升為國際戰略最開始是2003年國家中長期科技規劃期間。當時我是能源領域的專家組成員,我們專家組給中央領導寫過一封信,題目是我國交通能源面臨的挑戰與戰略選擇,建議要重視氫燃料電池研究,2006年該建議被吸收進了中長期科技規劃,氫燃料電池被列為前沿領域之一。


    氫燃料電池目前眾說紛紜有各種各樣的不同意見,我講一下個人觀點,首先氫能燃料電池從定位來講,主要不是替代鋰離子電池去取代轎車動力的。從性價比的平衡點來看,鋰離子電池更適合替代汽油機,而氫燃料電池動力系統更適合長途大型重載的交通工具,比如汽車用的柴油機,這是我們的基本觀點。


    在應用領域方面,尤其是作為氫燃料電池率先進入市場的突破口,主要是在物流卡車和公交大巴。從地域來講,北方會更有優勢。大家可以看到長城以北的純電動汽車比較少,尤其是東北,這主要是因為冬天的取暖耗能太高,而燃料電池本身有廢熱足夠取暖。我們為什么選擇張家口作為重要的氫能基地呢?第一是張家口地區比較冷,第二是跟可再生能源比較接近,第三它是2022冬奧會的舉辦地,這是氫燃料電池市場突破的理想地點。


    我簡要介紹一些我們清華的燃料電池研發歷程,由于氫燃料電池技術鏈長,我們是一步一步做下來的。先做氫燃料電-動力電池混合動力系統,接著做燃料電池發動機系統,然后做燃料電池電堆、最后做膜電極,我們叫剝洋蔥,一層一層剝下來的。首先,燃料電池混合動力系統全部都是由清華團隊開發的,通過燃料電池與動力電池混合,燃料電池的功率減少一半,壽命提升一倍以上。隨著企業的介入,燃料電池混合動力系統的性能不斷提高。例如由福田汽車最新開發的12米燃料電池大客車,在中國城市工況測試條件下氫氣消耗僅需要5公斤多,大約相當于18升多柴油,而現在12米柴油大客車一般要耗30升柴油以上,對比來看,可以節省40%左右,所以從使用費用上,氫燃料電池大巴已經可以開始跟柴油大巴競爭了。


    其次,我們燃料電池發動機現在已經規模產業化了,研發方面新一代重型卡車用160千瓦大功率燃料電池發動機正在實驗室測試。


    電堆方面,今年,燃料電池電堆公司——上海神力,要做一千個燃料電池電堆,燃料電池電堆過去五年成本降低接近一半,今后五年還要再降一半。


    最后,我們已經開始研發膜電極。氫燃料電池動力系統的成本有相當一部分在膜電極上,進口膜的價格每平米幾千元。我國企業山東東岳公司,在膜技術方面有重大突破,使成本大幅下降。


    清華培育的燃料電池企業億華通在張家口有氫燃料電池發動機工廠、風電制氫工廠,而且正在面向冬奧會與豐田展開合作,計劃開發兩千輛氫燃料電池商用車使用的氫燃料電池發動機系統。


    當然,氫燃料電池還面臨一些挑戰,主要挑戰不是車,而是氫能的制取、儲運、車載儲存以及加氫站,這是目前的主要瓶頸。我們相信氫燃料電池需要逐步來突破。這是由我主持制定的中國氫燃料電池汽車技術路線圖,大概分三步,其中一個關鍵節點就是2022年的冬奧會,冬奧會將與北京奧運會對純電動汽車的推動一樣,成為推動中國燃料電池汽車發展的里程碑。只要這個節點做好了,后面產業化就會比較順利。近期,我們在協調供氫的事情,加氫量在冬奧會期間最少一天達到20噸,需要20個加氫站,這都是我們面臨的挑戰。我們希望在座企業家參與,真正把冬奧會這一仗打好,我們后面事情就順利了。


    最后說一下新能源汽車促進新能源革命,我們從宏觀上看,實際上我們面臨三大革命機遇:動力電動化、能源低碳化和系統智能化。


    首先就是電動化,新能源汽車規?;瘧镁湍芡苿有履茉锤锩?,多大規模?在2035年大概達到一億輛,這么多規模就一定能推動。另外大多數交通工具都在進行電動化,包括船、飛機,一條船裝2000度電電動船已經下水了,飛機也開始考慮電動化了,我前天剛剛參加電動通航飛機的研討會,交通全面電氣化只是時間問題。


    下面我重點說一下能源低碳化,能源低碳化這是很重大的問題。為什么要搞可再生能源,主要原因是氣候變化,所以要低碳發展,這個是前提。全球都在向可再生能源轉型;能源生產從集中式轉向分布式;氫氣、電池儲能;發展能源互聯網;新能源汽車成為用能、儲能和回饋能源的終端。就是《第三次工業革命》這本書里面講的五大支柱,這五大支柱構成了可再生能源完整的體系。氫能屬于可再生能源體系,是其中一個重要組成部分。


    發改委的能源革命戰略提出2030年非化石能源發電占比達到50%,所以我們風能太陽能大有可為。電動汽車如果繼續用化石能源,其實電動汽車的故事也是講不圓了。如果基于化石能源,混合動力是最好的車。只是因為我們要轉型可再生能源,純電動汽車和氫能燃料電池汽車才能脫穎而出,所以氫能是低碳發展一個重要的載體,不僅僅是自身清潔化,也能推動向可再生能源轉型。


    電池方面,以鋰離子電池為代表的動力電池是短周期分布式小規??稍偕茉磧Υ娴淖罴堰x擇,它是一個高頻雙向的負荷調節?,F在它的規模不斷的上升,成本在大幅度下降,未來預期電池成本100美元一千瓦時。全球鋰離子電池的生產規模將大幅度上升,估計在2030年之前,會達到年產10億千瓦時,屆時中國會占全球產能的一半以上,我們目前占全球的60%-70%。


    氫能方面,未來能源載體一定是主要依靠氫和電,電一定是主體,氫不可能超過電,但是我們一定同時都需要氫和電。氫是終極能源載體這個容易引起誤導,但是氫一定有它的重要地位。


    氫的應用很廣泛的,除了長途重載交通,還有發電、供熱、工業原料等。大家說轎車量多大,我們應該替代轎車,為什么搞商用車?其實從能源角度來看,雖然商用車只占汽車總量的20%-30%,但商用車用的柴油消耗量和乘用車用的汽油消耗量是大體相當的,十輛橋車油耗量還不如一輛卡車的油耗量大,所以從能源角度來看兩者同等重要。


    從集中式大規??稍偕茉窗l展瓶頸來看,需要長周期跨季節大規模的儲能方式,傳統儲能方式很難滿足要求。而氫能首先具有靈活的制取、運輸和儲存的優點。比如說我們運輸半徑300公里以內,張家口輻射京津冀我們可以用拖車,將來500個大氣壓的完全可以。一個加氫站一天去一車就可以了,當然現在還不行。長途1000公里以上可以靈活,通過天然氣管加氫百分之十幾,或者長途輸電,當地制氫等。另外從儲能成本來看,儲氫比電池儲電成本大概低一個數量級,因為我們電池儲電儲一千瓦時要500元人民幣電池成本,但用氫氣儲一千瓦時能量50元人民幣足夠了,是集中式大規??稍偕茉闯浞掷玫闹匾緩?。


    最后我們看一下系統智能化。新能源汽車不僅僅是交通工具,也是能源裝置,也就是以電動汽車為核心,儲能,風光發電,智能電網等集成形成移動能源互聯網。2035年我國會有一億輛新能源汽車,車上的電池容量加起來就達50億千瓦時,儲50億度電,如果未來發展到2億輛新能源轎車,車上電池就是100億度電,中國一天消耗電力不到200億度,這就是規模效應。放出的功率,基于電池放電倍率,50億度電一倍率放電可以放出50億千瓦,中國的發電裝機容量不到20億千瓦,所以調節負荷能力非常強,而且這是高頻調節,毫秒級的響應。同時區塊鏈來解決我們的分布式能源互聯網的支付問題。還有一個非常重要的技術就是車網互動,新能源汽車的能量調節不是單向儲能,是雙向互動,不管是純電動車,還是燃料電動車,都可以往電網放電,燃料可以作為發電機。一百萬輛燃料電商用車它的發電功率可以達到1億千瓦,雖然我們每一輛車功率不大,但是總量巨大。我們目前更多是功率負荷調節,未來可能是功率和能量的雙重調節,新能源車會發揮巨大作用。清華正在開展這方面的工作,我們認為這是一個藍海,今天在座很多是可再生能源專家,我們認為電動汽車智慧能源大有可為。


    最后總結一下,我們認為現在新能源汽車只是它的初級階段,將會經歷新能源和智能化雙向并行發展,進入新能源智能化電動汽車新時代。另外,面向2035年,要用新能源汽車推動新能源革命,我把它做了兩個組合,一個是黃金組合,就是分布式光伏和電池。這是要戶用光伏和儲能電池,賣電動車的時候同時賣光伏和家用儲能墻,通過互聯網、5G讓光伏進入千家萬戶。光伏進入太瓦時代,即10億千瓦時代,同時進入2毛錢電價時代(國家電投提出的“2毛錢”電價戰略,既電價達到0.2元/千瓦時)。電池也會進入年產10億千瓦時的時代,電池成本進入每瓦時5毛錢的時代。分布式光-儲-充一體化智慧能源系統大有可為。第二是白銀組合,即集中式的風電+光伏+電解水制氫+燃料電池。未來光伏和風電都會有大發展,2035年燃料電池商用車會進入百萬輛,一輛裝一百千瓦容量電池,總共就是1億千瓦發電。所以就是集中式風、光、氫、儲一體化智慧能源系統。讓我們共同迎接新能源革命的新時代。

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