回顧歷史，能源革命一般由動力革命引發(fā)，新動力裝置和交通工具的發(fā)明帶動能源資源的開發(fā)利用，并引發(fā)工業(yè)革命。第一次能源革命是從薪柴到煤炭的跨越，動力是蒸汽機，交通工具是火車；第二次能源革命是從煤炭到油氣的跨越，動力是內(nèi)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，是向可再生能源的轉(zhuǎn)型革命，動力是電池，能源載體是電和氫，交通工具是電動車。
新能源汽車將在能源革命中發(fā)揮重要作用
歐陽明高
（中國科學院院士、清華大學車輛與運載學院教授）
一、能源革命與動力革命密切相關(guān)
我國提出碳達峰碳中和發(fā)展目標，要實現(xiàn)碳達峰碳中和，最重要的是實現(xiàn)新能源革命。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(zhuǎn)型，特別是光伏與風電的大規(guī)模應用；能源從集中式轉(zhuǎn)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(shù)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。當前光伏、風電本身的技術(shù)和發(fā)電成本降低，已經(jīng)完全具備大規(guī)模推廣條件，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。因此，我國實現(xiàn)碳中和進程中的重點是解決儲能的技術(shù)瓶頸。根據(jù)儲能的周期和規(guī)模，主要劃分為電池范疇、氫能范疇（氫及其載體）。電池和氫能共同構(gòu)成主流的儲能方式。從新能源革命和儲能的角度看，新能源汽車和儲能共同載體是電和氫。新能源汽車與新能源革命的共性核心是儲能、氫能與智能，新能源汽車的規(guī)模推廣將有力破解新能源革命的瓶頸。
二、新能源汽車將會是我國規(guī)模最大、成本最低、安全性最好的短周期分布式儲能系統(tǒng)
新能源汽車引領(lǐng)三大革命：第一，電動車本身的革命；第二，新能源本身的革命；第三，智能化革命。所以新能源汽車既是電動車輛，也是儲能裝置，還是智能終端。今后20～30年，這三個革命將會引發(fā)交通裝備與能源化工相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)生重大變革。
新能源汽車已經(jīng)發(fā)展二十年，我國2014年出臺《關(guān)于加快新能源汽車推廣應用的指導意見》后，新能源汽車產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展階段。從我國純電動車動力電池技術(shù)創(chuàng)新歷程看，2011～2021年十年來，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(nèi)，降低80%以上。現(xiàn)在電動轎車車載電池系統(tǒng)能量在60～80千瓦時之間，對應的續(xù)航里程普遍是500～600公里之間。隨著電池系統(tǒng)能量密度進一步提高，電動乘用車正在向1000公里邁進，高續(xù)航豪華車預計明后年就會出現(xiàn)。未來，動力電池呈現(xiàn)需求大幅上升與成本大幅下降趨勢，據(jù)統(tǒng)計，2025年中國電池年產(chǎn)量將會達到10億千瓦時左右，進入T瓦時代，現(xiàn)在大概有1億千瓦時，今后五年會漲約10倍左右。
下一步，電池主要在安全、便利、智能三方面下工夫。
01、安全性
鋰離子電池實現(xiàn)了蓄電池領(lǐng)域百年來的重大突破，其科技創(chuàng)新、產(chǎn)品性能、應用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)規(guī)模正處于爆發(fā)式增長期。而無論是電動汽車，還是大型儲能電站，可能存在各種各樣的原因?qū)е码姵匕l(fā)生熱失控，并可能在整個電池系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)中蔓延，最后造成安全事故。清華大學電池安全實驗室是全球高校中唯一完全做電池安全的實驗室，它的測試裝置可以對電池熱失控的全過程進行分析，發(fā)現(xiàn)高比能量動力電池熱失控反應時序和反應新機理。在此基礎(chǔ)上，清華大學研發(fā)了高比能量動力電池熱失控系統(tǒng)性抑制方法，現(xiàn)在可以完全保證它可解決單體電池設(shè)計層面的相關(guān)問題；其次，在使用過程中進行安全監(jiān)控，針對整車開發(fā)了電池云控預警平臺，基于運行數(shù)據(jù)，對故障進行預警；一旦發(fā)生事故，還開發(fā)了對整個電池包的熱管理技術(shù)，在厘清機理的基礎(chǔ)上設(shè)置出完全不著火，最多只冒煙的電池包。這就是從電池設(shè)計制造的本征安全、電池使用過程中的主動安全、電池發(fā)生事故時的被動安全三各方面保障電池系統(tǒng)安全性。
02、便利性
我國電動乘用車充電模式分為慢充和快充。對于私家乘用車，未來充電的最佳方式是在家慢充為主，采用7～22千瓦交/直流慢充，或者跟車網(wǎng)互動，可以獲取收益。但是高速公路長途出行需要采用120～350千瓦超快補電。中電聯(lián)2020年公布了大功率快充新標準—“超級充電”，2025年可全面提供超充服務。為了解決350千瓦快充存在的電網(wǎng)容量、功率沖擊、擴容成本等問題，清華開發(fā)了卡車快換與轎車快充綜合快速能量補給技術(shù)，即不從電網(wǎng)直接取電進行超級快充，而用卡車換電備用電池給轎車快充，快充和快換一體化形成互補?？斐浞矫?，清華已開發(fā)無析鋰安全快充技術(shù)?？焖傺a電不是充滿，電量下降到50%以后需要補電，5分鐘充200公里。為此開發(fā)了基于負極電位傳感器的快充電池技術(shù)以及配套快充的電池冷卻和快速加熱技術(shù)。
03、智能化
電動汽車普及初始階段基本上都是無序充電。隨著電動汽車保有量增加，一些大城市充電負荷已經(jīng)超過總負荷的20%，電網(wǎng)壓力增大。目前深圳、上海等地正在規(guī)劃開展有序充電，即通過APP跟后臺調(diào)度系統(tǒng)達成協(xié)議，將充電有序移動到電網(wǎng)負荷低時進行。下一步將是車家互動（V2H），新能源電力、新能源汽車與建筑一體化，如車內(nèi)電池跟建筑里的空調(diào)實時互動。最后是車網(wǎng)互動（V2G），剛開始可能和微網(wǎng)互動，最后和大網(wǎng)互動。削峰填谷、電網(wǎng)調(diào)頻、虛擬慣量都可通過電池的聚合和調(diào)控實現(xiàn)。目前，全國共有15個省市建設(shè)了42個V2G項目、609個V2G終端，近4000臺電動車參與過車網(wǎng)互動。
新能源汽車的市場和儲能潛力不容小覷。2021年1～5月，我國新能源汽車總銷量已經(jīng)突破汽車總銷量的10%，保有量超過600萬輛，預計2021年產(chǎn)量超200萬輛，按照今年產(chǎn)量超過去年一倍以上的增長速度，2022年可能再增長一倍達到400萬輛左右，2025年新能源汽車占比20%的國家目標可能提前實現(xiàn)。根據(jù)中國新能源汽車技術(shù)路線圖的預測，2030年新能源汽車占比40%約8000萬輛，2035年占比50%約1.6億輛，2040年到3億輛。以2040年中國電動乘用車保有量達到3億輛，每輛車平均65千瓦時計算，車載儲能容量約為200億千瓦時，與我國現(xiàn)在每天消費總電量基本相當。以鋰離子電池為代表的動力電池是短周期分布式小規(guī)模可再生能源儲存的最佳選擇。因此，新能源汽車將會是我國規(guī)模最大、成本最低、安全性最好的短周期分布式儲能系統(tǒng)，大幅平衡電網(wǎng)波動。而且，隨著風電光伏占電力主體后，電價差價會加大，電動車還可作為一個賺錢的工具，一車兩用。
三、氫能交通是氫能利用的先導領(lǐng)域，將帶動氫能的全面發(fā)展
2015～2020年，我國氫燃料電池汽車技術(shù)實現(xiàn)重大突破，車用燃料電池系統(tǒng)開始規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，大部分技術(shù)問題已經(jīng)克服，性能指標大幅提升，已經(jīng)基本滿足商業(yè)示范推廣的要求。北京冬奧會的氫能示范，冬奧會主場區(qū)將全部使用氫能燃料電池汽車，張家口和北京將運行2000輛左右燃料電池汽車。從中國燃料電池汽車研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進展來看。2021年，我國燃料電池車保有量大約為8000～10000輛，100多個加氫站投入運營，還有近100個在建。根據(jù)中國氫燃料電池汽車技術(shù)路線圖，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，主體車型是商用車。未來十年，燃料電池系統(tǒng)成本將下降80%以上，與鋰離子電池過去十年下降過程相似。但是，我國當前車載儲氫無論是技術(shù)還是成本都還不夠理想。比如現(xiàn)在主流的高壓氣態(tài)儲氫，儲氫密度偏低，成本偏高，難以滿足700公里以上長途卡車需求，還需要進一步改進優(yōu)化。
總體看，氫燃料電池轎車是氫能交通的先驅(qū)，氫能交通是氫能利用的先導。雖然氫能燃料電池適合長途交通、重載運輸、空中運輸、水中運輸、大型裝備，然而氫能交通并不是氫能的最大應用領(lǐng)域。氫能交通的使命是帶動氫能的全面發(fā)展。
01、氫能在能源低碳轉(zhuǎn)型中具有優(yōu)勢
氫能的戰(zhàn)略意義在于可再生能源轉(zhuǎn)型中的大規(guī)模能量儲存與多元化利用需求。氫能的載體是電和氫，以及氫的載體，比如氨、甲醇等。
氫能是眾多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（化石、煤炭、電力、鋼鐵等）轉(zhuǎn)型升級的理性選擇。一是技術(shù)延續(xù)性好，而不是完全顛覆。二是產(chǎn)業(yè)鏈長、產(chǎn)值高，吸收的就業(yè)人口多，應用覆蓋面廣，有氫能社會之稱。氫能市場中，制氫產(chǎn)業(yè)鏈含有制氫設(shè)備產(chǎn)業(yè)集群；儲氫產(chǎn)業(yè)鏈含有儲氫設(shè)備產(chǎn)業(yè)集群、燃料電池產(chǎn)業(yè)集群；用氫產(chǎn)業(yè)鏈含有加氫設(shè)備產(chǎn)業(yè)集群、智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)集群。
02、氫能、儲能是新能源電力系統(tǒng)的核心技術(shù)
氫能是集中式可再生能源大規(guī)模長周期儲存的最佳途徑。首先，能源利用充分，大容量長時間儲能模式對可再生能源發(fā)電的利用更充分。其次，規(guī)模儲能經(jīng)濟，固定式規(guī)?；瘍浔入姵貎﹄姷某杀镜鸵粋€數(shù)量級以上。再次，與電池放電互補，用于燃料電池、燃氣輪機、內(nèi)燃機等。同時，制運儲方式靈活，可以用長管拖車、管道輸氫、摻氫、長途輸電—當?shù)刂茪涞雀鞣N方式。
全球清潔能源制氫、氫的能源化利用仍處于起步。國際能源署數(shù)據(jù)顯示，可再生能源制氫80萬噸，不到氫總量的1%。發(fā)展綠氫制氫產(chǎn)業(yè)，電解水制氫將是繼氫燃料電池發(fā)電之后又一個最應重視的發(fā)展領(lǐng)域。在可見的未來，電解水制氫會是主流。根據(jù)電化學原理，電解水制氫是氫燃料電池的逆過程，氫能燃料電池技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化為電解水制氫系統(tǒng)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。而電解水制氫系統(tǒng)將是一個比燃料電池系統(tǒng)更大的高科技產(chǎn)業(yè)。經(jīng)過近20年的努力，清華大學團隊已經(jīng)實現(xiàn)氫燃料電池動力系統(tǒng)全套技術(shù)商業(yè)化，培育出國內(nèi)氫能燃料電池領(lǐng)域科創(chuàng)板第一股——北京億華通。現(xiàn)在，面向近中遠期應用，清華大學已開展三種電解水制氫技術(shù)的研發(fā)，即堿性電解（ACE）、質(zhì)子交換膜電解（PEMEC）、固體氧化物電解（SOEC）。從三種電解技術(shù)比較來看，SOEC最優(yōu)，PEMEC和ACE次之。近期可以大規(guī)模應用的還是ACE，其技術(shù)升級性能優(yōu)化的潛力還非常大。而且中國在堿性電解制氫領(lǐng)域具有產(chǎn)業(yè)鏈和成本優(yōu)勢，可以為全球提供低成本制氫系統(tǒng)。
氫能是實現(xiàn)全球碳中和的戰(zhàn)略性能源載體。但是綠色氫能技術(shù)經(jīng)濟性還不能完全滿足市場需求。據(jù)國際可再生能源署（IRENA）對制氫成本的預測，雖然總體上看綠氫成本與化石能源制氫成本平衡還需要較長時間，但2025年前，部分低成本光伏、風電制氫可以達到化石能源制氫+CCS的成本。所以現(xiàn)在使用內(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)的低成本光伏和風電制氫具有經(jīng)濟性。根據(jù)清華大學在張家口的氫能全鏈條商業(yè)示范（從風電制氫到燃料電池城市客車運行）表明，當可再生能源（風電）發(fā)電成本在0.2～0.15元/千瓦時，其能源利用全鏈條技術(shù)經(jīng)濟性將凸顯。氫能儲運技術(shù)及成本方面，特高壓輸電線路是我國綠氫長途儲運的優(yōu)勢通道之一，綠氫的輸送通道和特高壓輸送通道重合，可在谷段利用特高壓通道長途輸電，當?shù)剌敋洹Ａ硗庖粋€是液氨。液氨儲氫密度高，是重點推薦的一種氫的載體，因為液氨很容易分解出氫，而且分解的能耗很低，液氨的質(zhì)量儲氫密度和體積儲氫密度都很高，從質(zhì)量儲氫密度來看，70兆帕高壓瓶儲氫密度約為5%，而液氨100千克可以儲17.8千克氫。體積儲氫密度一立方米120千克氫，從體積上來看液氨比液氫高一倍的氫含量，同時，化肥的主要成分是氨，液氨在中國產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好，技術(shù)非常成熟，運輸同液化石油氣（LPG）一樣。通過對液化氫、甲基環(huán)己烷（MCH）、液化氨等三種液化氫能載體對比，總體看液氨能效最高，使用經(jīng)驗最成熟，基礎(chǔ)設(shè)施最完善，綜合成本最低。氫能載體液化氨可以進行全產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)鏈的應用。工業(yè)催化合成氨，現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，而且工業(yè)催化合成氨的效率比較高。從長期看，除了工業(yè)催化，未來還有電催化合成氨。另一方面，氨可以直接用于燃氣輪機發(fā)電，也可以和煤電廠的燃燒鍋爐進行混燒，日本認為這是成本最低的一種做法，現(xiàn)在正在推廣20%和30%的混燒。
據(jù)IEA今年5月份發(fā)布的報告，到2050年將會有5億噸氫和氫的載體（氨和氫合成燃料）應用于汽車、船舶、遠洋、化工、鋼鐵、建筑、發(fā)電、儲能等各個行業(yè)。面向碳中和，氫能載體發(fā)展前景非常廣闊。
(本文來源于能源研究俱樂部，作者歐陽明高，系中國科學院院士、清華大學車輛與運載學院教授，內(nèi)容根據(jù)第三屆未來能源大會發(fā)言整理，整理人：王雪辰)
