歐陽明高：新能源動力系統(tǒng)與交通電動化專家，中國科學院院士。深度參與了我國新能源汽車研發(fā)示范與產(chǎn)業(yè)化全過程，為我國新能源汽車躋身世界先進行列作出了重要貢獻?，F(xiàn)任清華大學車輛與運載學院教授、校學術委員會副主任。
能源革命是推動工業(yè)革命和人類社會發(fā)展的重要力量。第一次能源革命實現(xiàn)了從柴薪到煤炭的跨越，動力是蒸汽機，交通工具是火車；第二次能源革命實現(xiàn)了從煤炭到油氣的跨越，動力是內燃機，交通工具是汽車。當前，全球正在經(jīng)歷第三次能源革命，第三次能源革命將實現(xiàn)人類社會走向可再生能源時代，動力是電池，能源載體是電和氫，交通工具是電動車。未來可預見的第四次工業(yè)革命將是以可再生能源為基礎的綠色化和以數(shù)字網(wǎng)絡為基礎的智能化發(fā)展。
3月15日，習近平總書記在主持召開中央財經(jīng)委員會第九次會議時發(fā)表重要講話指出：實現(xiàn)碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，并提出構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。要實現(xiàn)碳中和，最重要的是實現(xiàn)新能源革命。推進新能源革命有五大重點：從傳統(tǒng)化石能源向可再生能源轉型，尤其是光伏與風電的大規(guī)模應用；能源集中式發(fā)展轉向分布式，推動建筑成為微型發(fā)電廠；利用氫氣和電池等技術存儲間歇式能源；發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)，以及電動汽車將成為用能和儲存能源的終端。
當前新能源革命面臨的問題是光伏、風電本身的發(fā)電成本很低，但利用成本仍然較高，這其中儲能是瓶頸，需要靠電池、氫能、電動汽車等來解決，儲能和新能源汽車大規(guī)模發(fā)展，將推動新能源革命的實現(xiàn)，只有實現(xiàn)新能源革命，才能順利邁向碳中和目標。
新能源動力系統(tǒng)：電池和氫能技術突破是重要推力
過去幾年，能源領域出現(xiàn)的最重大的突破，是汽車動力系統(tǒng)從油電混合動力汽車向純電動車，乃至氫能燃料電池汽車的邁進，中國新能源產(chǎn)業(yè)從此進入了快速發(fā)展的階段。
這其中最重要的推動力量是電池技術的突破。過去十年，動力電池比能量從100瓦時/千克提升到300瓦時/千克，成本從4元/瓦時以上降低到1元/瓦時以內，這是革命性的飛躍。我國的動力電池產(chǎn)業(yè)鏈是全球最完整的，產(chǎn)品供應全球市場。隨著動力電池技術的進步，電動汽車的續(xù)航里程不斷提升，目前續(xù)航能力已普遍達到500千米以上，正向著1000千米邁進。可以說，不管是磷酸鐵鋰電池還是三元鋰電池，電池技術的發(fā)展已大大超出了人們的預期，并且持續(xù)進步和發(fā)展的潛力仍然很大，鋰離子電池現(xiàn)在達到的能量密度遠遠低于它所能達到的理論能量密度，至少還有30%~40%的空間可以挖掘。
另一個重要的推動力量是氫能。2020年，我國燃料電池車大約為8000~10000輛，預計2025年燃料電池車約為5~10萬輛，2030~2035年大約是80~100萬輛，因此，我國急需建設加氫站，在2025年，我國加氫站的數(shù)量將超過1000座，這是一個保守預測的數(shù)據(jù)，最近，中國石化宣布在“十四五”期間擬規(guī)劃布局1000座加氫站；在2030~2035年，我國的氫氣需求量約為200~400萬噸/年，加氫站數(shù)量將超過5000座。同時，新能源汽車進入家庭的速度大大加快，目前已經(jīng)接近市場占有率的10%。預計今年新能源汽車市場保有量將超過200萬輛，比去年提升近一倍，根據(jù)中國汽車工程學會《節(jié)能與新能源技術路線圖》最新預測：2030年，新能源汽車銷量將達到汽車總銷量的40%~50%；2035年將達到50%以上，保有量為1.6億輛。有些企業(yè)家的預測更加樂觀——考慮到自動駕駛技術的應用將給客戶帶來更大的激情，一些企業(yè)家認為2030年電動汽車市場占有率會達到90%。
新能源電力系統(tǒng)：“源網(wǎng)荷儲”互動調控
新能源動力系統(tǒng)與新能源電力系統(tǒng)非常相似。負荷、電源、儲能和網(wǎng)絡協(xié)同互動，共同構成新能源電力系統(tǒng)。在新能源電力系統(tǒng)中，光伏、風電成本持續(xù)下降，預計2035年，風光發(fā)電將占80%以上的裝機容量和40%以上的發(fā)電量，光伏發(fā)電成本可降至0.1元/千瓦時，風電成本可降至0.2元/千瓦時，占比快速升高的可再生能源發(fā)電給電力系統(tǒng)帶來了一系列挑戰(zhàn)。
首先是電網(wǎng)技術轉型的挑戰(zhàn)，高比例可再生能源+高比例電力電子化的“雙高”特征給傳統(tǒng)電力系統(tǒng)帶來了顛覆性變化。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)具有“源隨荷動”的特征，新能源電力系統(tǒng)則具有“源網(wǎng)荷儲”互動調控的特征，這與新能源汽車車載直流微網(wǎng)動力系統(tǒng)類似。
另一個巨大挑戰(zhàn)是能量平衡，這包括日內平衡和年內平衡，也包括區(qū)域能量平衡。從日內能量平衡來看，當煤電發(fā)電總量占比降至40%~50%，全社會日內負荷平移的總需求可達約1400億瓦時，峰值功率為300億瓦。從年內能量平衡來看，按照2020年風、光發(fā)電特性來推演，到2060年季節(jié)性能量不平衡更為顯著；3~5月風光過剩，7~9月發(fā)電量不足，至少面臨約6500億千瓦時的季節(jié)能量轉移缺口。從區(qū)域能量平衡來看，2020年跨省電力流達到2.5億千瓦，能源-消費區(qū)域不均衡性強，可再生能源的分布將加劇這一特點，預計2035年達到5.5億千瓦，2050年達7.4億千瓦，這對電力系統(tǒng)的靈活性提出了很高的要求。低碳轉型的先行者德國在沒有太多儲能的情況下，依靠煤電機組已經(jīng)實現(xiàn)了高比例可再生能源，相當于傳統(tǒng)和新型電力系統(tǒng)并存，但也遇到了一系列挑戰(zhàn)，電價幾乎上漲了一倍。因此，我國實現(xiàn)碳中和進程中的重點是解決儲能的技術瓶頸。
在多種技術路線之中，儲能電池和氫能將成為未來主流的儲能技術。儲能電池和氫能各有特點，兩者互補性強。
儲能電池是分布式、小規(guī)模、短周期儲能的最佳選擇。目前全球電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達到1億千瓦時，未來最終可能會接近50~100億千瓦時。我國的電池廠商不斷宣稱2025年電池產(chǎn)業(yè)會進入T瓦時代，也就是年產(chǎn)10億千瓦時，這會是一個具有百倍成長空間的巨大產(chǎn)業(yè)。如果2040年，3億輛中國乘用車全部都改為電動轎車，每輛車平均儲能容量65千瓦時，則車載儲能總容量約200億千瓦時，與中國每天消費總電量基本相當?？紤]到基礎設施建設情況，2030~2035可能有10%~20%的車輛配備雙向充電樁接入V2G市場，調節(jié)潛力將超過22億千瓦。
氫能是可再生能源集中式、大規(guī)模、長周期存儲的最佳選擇。張家口氫能示范表明當可再生能源發(fā)電成本低于0.15元/千瓦時，其能源利用全鏈條技術經(jīng)濟性將凸顯。首先，從能源利用充分性來看，大容量、長時間儲能模式對可再生電力的利用更充分；其次，從規(guī)模儲能經(jīng)濟性來看，固定式規(guī)?；瘍浔入姵貎﹄姷某杀镜椭辽僖粋€數(shù)量級；第三，從與電池放電互補性來看，大容量、長周期靈活能源用于燃料電池、燃氣輪機，可與電池放電互補；第四，從制運儲方式來看，可以通過長管拖車、管道輸氫、摻氫、長途輸電-當?shù)刂茪涞褥`活方式來實現(xiàn)。
如果2035年，我國的氫能可達到歐洲2030年的目標，即綠氫1000萬噸，儲能會達到3300億千瓦時。電解水制氫成本為20元/千克（電價0.3元/千瓦時），如果這一成本可降低到10元/千克以內，那么制氫成本完全取決于電價，電價將占氫生產(chǎn)費用的80%左右，風光發(fā)電成本的降低會使制氫儲能優(yōu)勢凸顯。
目前，電化學儲能度電成本仍高達0.6~0.9元/千瓦時，距離抽水蓄能的成本還有一定的差距，中國電化學儲能85%的裝機量為鋰離子電池，鋰離子電池儲能中約67%為電池成本。
為什么動力電池會成為主流？因為車用電池是競爭性的消費品，規(guī)模極大，具備成本持續(xù)降低的條件。在最近的10年里，鋰離子電池系統(tǒng)成本下降了85%，2020年電池系統(tǒng)成本降至0.6~0.9元/瓦時。預計到2025年，三元電池成本降至0.6元/瓦時，磷酸鐵鋰成本降至0.4元/瓦時，三元電池循環(huán)壽命將超過1500次，磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命將在5000~10000次，但實際上，一輛私人轎車的電池循環(huán)壽命達到一千次就已足夠，這大幅降低了單次儲能成本。
車用電池的成本相對專用的電化學儲能更有優(yōu)勢。車用電池無安裝費用，儲能的同時可以車用，甚至80%的時間都是儲能。以2025年的儲能預測成本來計算，2025年電動汽車總電量為18億千瓦時，三元儲能成本為0.55元/千瓦時，鐵鋰儲能成本0.25元/千瓦時，這一價格已經(jīng)與抽水蓄能相當，電動汽車用于分布式儲能的成本大幅優(yōu)于專用電化學儲能。
從制氫成本來看，未來電解水制氫的成本將主要取決于材料成本及電價，風光發(fā)電成本快速下降帶來氫氣成本快速下降，最終氫氣成本可能會降到1美元/千克，電解水制氫會形成一個巨大的產(chǎn)業(yè)。目前來看，堿性制氫在中國的優(yōu)勢是成本極低的同時技術潛力很大，改進的空間極大。
從氫能儲運成本來看，對上千公里的運輸而言，特高壓輸電線路是我國綠氫輸送的優(yōu)勢通道。綠氫已經(jīng)被電網(wǎng)視為靈活負荷，可在谷段利用特高壓通道長途輸電，不進入配電網(wǎng)，直接制氫。當可再生能源發(fā)電為0.12元/千瓦時，過網(wǎng)費為8分時，通過特高壓上千公里輸電（輸氫）通道，在用戶側制氫（谷段約8小時/天）加氫（>3噸/）實現(xiàn)加氫槍出口價格在30~40元/千克，比柴油具有競爭力。
智慧新能源系統(tǒng)：形成車網(wǎng)互動的智慧生態(tài)
電網(wǎng)和負荷波動性的挑戰(zhàn)孕育出以電動車為主體的移動能源互聯(lián)網(wǎng)，單車數(shù)十至上百千瓦充電，對電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來了較大挑戰(zhàn)；碳中和背景下電網(wǎng)波動性增加，需要靈活電源參與能量互動。
新能源電力與新能源汽車的接口就是充電設施。截至2021年2月，全國充電基礎設施累計數(shù)量為175.8萬臺。車樁比已達2.8∶1，在有些區(qū)域已經(jīng)接近1∶1。二者的互動需要從無序充電到有序充電，再到車網(wǎng)互動，在未來，充電樁與車會一直連接，并非充電時才插入，這將形成一個龐大的能源互聯(lián)網(wǎng)。
未來車載交流充電器將逐步取消，交流充電樁將由具有V2G功能的直流慢充取代，慢充的充電樁還有很大的潛力沒有開發(fā)出來。對于私家乘用車，可以平時在家或者單位慢充（或車網(wǎng)互動），在高速公路長途跋涉時采用超快補電。2020年中電聯(lián)公布了大功率快充新標準——“超級充電”，預計2025年可以全面提供超充服務。
將來的能源互聯(lián)網(wǎng)里，慢充將占據(jù)80%的電量，快充占據(jù)15%~20%的電量，快充是補電，而非充滿。北京城管委2019年對8萬輛電動乘用車統(tǒng)計表明：自由充電樁慢充總電量占比已達75%，公共充電中，快充占比已達85%，符合發(fā)展預期。另外，對于快充，現(xiàn)在正在研發(fā)5分鐘充200公里的快充速度，對一輛續(xù)航里程為600公里的車，目前是可以做到安全地快速充電。
光儲氫充換多能互補微網(wǎng)系統(tǒng)中，快充與快換一體化，我們主張轎車快充，卡車快換，因為換電站有很多備用電池，我們不是直接快充從網(wǎng)上取電，而是快充快換的備用電池給快充的車充電，快充和快換形成互補，不僅更安全，同時也減少對電網(wǎng)的容量需求。
電動汽車與電力系統(tǒng)的互動，可以從單向有序充電到主動參與負荷調節(jié)，在配網(wǎng)容量不足時，主動控制充電功率，調整充電負荷，減少充電負荷峰值，提高波谷用電，負荷時域移動促進源荷匹配。
雙向車網(wǎng)能源互動中，電動汽車可以作為高靈活性電源，提供削峰填谷、電網(wǎng)調頻、虛擬慣量等電網(wǎng)所需的輔助服務，并滿足新能源電力系統(tǒng)的可靠性要求。國家電網(wǎng)公司在北京人濟大廈設置的雙向充放電互動樁，是國內首個納入調峰輔助服務結算的項目。谷充峰放模式下，車主每度電能賺將近0.4元。
電動汽車參與虛擬電廠。在國外，澳大利亞VPP項目中特斯拉與電商聯(lián)合推廣Power Plant，已經(jīng)聚合1000多個家庭，降低20%多的電價，并計劃聚合5萬個家庭。國家電網(wǎng)在冀北實施虛擬電廠的示范項目已于2020年2月6日正式投入商業(yè)運營，4月底總收益為160.4萬元，日最高收益近9萬元。通過虛擬電廠聚合，電動汽車通過V2G樁參與電力市場交易，負荷聚能，共降成本。
電動汽車區(qū)塊鏈將成為未來移動能源互聯(lián)網(wǎng)的核心支撐技術。能源互聯(lián)網(wǎng)小范圍、高頻率、大信息量、多共識機制的交易十分適合區(qū)塊鏈的應用，區(qū)塊鏈去中心化、不可篡改、可追溯的特點，可以用于電動汽車充換電服務、V2G服務、電池管理和信息安全服務。
綜上，車網(wǎng)互動的新能源系統(tǒng)在發(fā)電側可以實現(xiàn)調峰調頻，提高電網(wǎng)的靈活性；在輸配電側可降低電網(wǎng)投資，提高電網(wǎng)利用率；在用戶側可減少電費，促進分布式資源消納，提高可靠性。新能源電力系統(tǒng)靈活調節(jié)總體方案分為短周期、小規(guī)模和長周期、大規(guī)模兩種。短周期、小規(guī)模采用電動汽車儲能，加上集中式換電站，用于調頻、日內調峰、應急備用、緩解阻塞、提高電能質量等；長周期、大規(guī)模使用氫能，制氫儲氫用于季節(jié)性調峰、多能互補等。
電動汽車入網(wǎng)特征包括單體容量小、總體數(shù)量多，時空靈活性高，響應速度快，可預測性高，具有能量自消納能力。未來十年我國將形成車網(wǎng)互動的智慧新能源生態(tài)。其中黃金組合是分布式光伏+電池+電動汽車+物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈，即分布式光-儲-充一體化智慧能源系統(tǒng)；白銀組合是集中式風電與光伏+氫能+燃料電池汽車+物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈，即集中式風-光-氫一體化智慧能源系統(tǒng)。新能源革命的高潮正在到來，讓我們共同迎接這激動人心的時代強音，為碳中和愿景擘畫宏偉藍圖。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2021年第6期。
