中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：4月24-26日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)主辦的第九屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)在浙江省杭州市洲際酒店召開(kāi)。在4月25日下午的“電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互聯(lián)”專場(chǎng)，同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心的主任魏學(xué)哲在會(huì)上分享了主題報(bào)告《能源視角下電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)及其趨勢(shì)》，以下為演講實(shí)錄：
魏學(xué)哲：各位專家各位同行大家下午好！感謝組委會(huì)的邀請(qǐng)，我從事的是電動(dòng)汽車行業(yè)，對(duì)于今天會(huì)議的主題“儲(chǔ)能”實(shí)際上我們一直在思考一個(gè)問(wèn)題：作為能源的消費(fèi)者和提供者，電動(dòng)汽車和電網(wǎng)之間是什么樣的關(guān)系？
首先我們想回答一個(gè)問(wèn)題，汽車為什么會(huì)在我們的生活中這么重要？對(duì)于人來(lái)講，汽車是一個(gè)必需的要求，我們會(huì)看到在汽車在出行自由度和出行速度這兩個(gè)維度上面都處于中間的位置，也就是它兼具了很好的出行速度和很好的自由度。另外我們從全球的汽車保有量上來(lái)看，現(xiàn)在全球大概有13多億輛車，也就是全球70億人口中大概五個(gè)人有一輛車，在中國(guó)差不多也是這樣的比例。
接下來(lái)回顧一下汽車一百多年的發(fā)展史，我們知道從卡爾本茨獲得第一臺(tái)汽車的專利，到1908年福特建立了流水線，汽車作為一個(gè)大的工業(yè)類別正式出現(xiàn)了。汽車雖然最早是在德國(guó)出現(xiàn)，但是它的工業(yè)化實(shí)際上最早出現(xiàn)在美國(guó)，二戰(zhàn)之后，歐洲特別是德國(guó)和日本的汽車工業(yè)先后崛起，21世紀(jì)之后中國(guó)的汽車工業(yè)又崛起了。
我們?cè)倏戳硗庖粋€(gè)行業(yè)：石油行業(yè)。從1858年打出第一口油井算起，也是100多年的時(shí)間。當(dāng)初把石油挖出來(lái)不知道干什么用，最開(kāi)始的時(shí)候是煉出煤油用來(lái)照明，汽車出來(lái)之后才發(fā)現(xiàn)石油還可以有更重要的用途。1911年汽油的銷售量超過(guò)煤油成為了最重要的石油產(chǎn)品，所以從某種程度上講，我們搞汽車的是給石油行業(yè)打工的，賺錢(qián)的活是他們的，干臟活累活的是我們。這兩個(gè)行業(yè)結(jié)伴走了一百多年，現(xiàn)在也碰到了一些問(wèn)題，包括能耗問(wèn)題、國(guó)家政策、污染問(wèn)題、國(guó)際趨勢(shì)等等。這兩個(gè)行業(yè)相互之間的聯(lián)系也出現(xiàn)了問(wèn)題，就像我們開(kāi)始講的，人類自由出行的需求是不會(huì)變的，汽車保有量還是在增加的，但是碳排放要求封頂，對(duì)污染物排放的要求越來(lái)越高，還有化石能源是不可再生的，汽車和石化這兩個(gè)全世界最大行業(yè)聯(lián)姻的解體這是我們需要面對(duì)的問(wèn)題。
告別了化石能源，我們自然會(huì)談到汽車的電動(dòng)化。汽車電動(dòng)化依賴的能源基礎(chǔ)就是電能，再來(lái)看一下電動(dòng)汽車和電力行業(yè)有沒(méi)有可能再有一個(gè)百年的聯(lián)姻。大概在20年前，我們國(guó)家做了這個(gè)三縱三橫的技術(shù)發(fā)展路線，這三條路線的能源基礎(chǔ)分別是汽油，電能和氫能。20年前做這個(gè)技術(shù)路線的時(shí)候，其實(shí)是一個(gè)三邊下注的方案，一方面是過(guò)去還依賴石油，另外一方面我們看到了一些新的能源載體，一個(gè)是電能，另外一個(gè)就是氫能。經(jīng)過(guò)二十年的發(fā)展在2017年全球的電動(dòng)汽車保有量是200萬(wàn)輛，中國(guó)超過(guò)100萬(wàn)輛，這個(gè)數(shù)據(jù)這幾年中國(guó)一直占全球的50%以上。
再往深層看就是電池，如今普遍使用的電池里，碳酸鋰電池是進(jìn)步很大的，特別是最近的幾年，成本下降最明顯，同時(shí)三元材料在能量密度之類的技術(shù)性指標(biāo)上是進(jìn)步最快的。目前電動(dòng)汽車的發(fā)展主要依賴于這兩類的電池體系，當(dāng)然除了電池本身還有相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，在電池模型、電池監(jiān)測(cè)，以及基于模型監(jiān)測(cè)進(jìn)行的管理上都有。除了鋰離子電池，燃料電池的熱度在2015年豐田發(fā)布了Mirai之后形成一個(gè)小的高峰，之后又回落了。日本發(fā)布的這些燃料電池系統(tǒng)，對(duì)我們沖擊是什么？那就是從用戶端感受到的性能而言，它們是可以和傳統(tǒng)汽車的性能相媲美的。
日韓推出的燃料電池汽車主要是轎車，這里還有客車和重卡的應(yīng)用，特斯拉的Semi就想靠鋰電池解決一切問(wèn)題，無(wú)論大車小車都用鋰電池。當(dāng)然也有人不服，加氫的時(shí)間能控制在15分鐘，這點(diǎn)對(duì)于鋰電池的充電時(shí)間，是有明顯的優(yōu)勢(shì)的。另外我們來(lái)看客車，一個(gè)美國(guó)的燃料電池客車，充能時(shí)間可以控制在20分鐘左右，里程相比于我們國(guó)家的電動(dòng)客車也可以大大增加。所以我們看到燃料電池技術(shù)在大功率，長(zhǎng)距離的場(chǎng)景下還是有明顯的優(yōu)勢(shì)。
看過(guò)了車的情況，再看電網(wǎng)。電網(wǎng)的發(fā)展也是一百多年的歷史，從1875年巴黎的第一座火電廠、第一批的水電企業(yè)，到2016年全球發(fā)電量達(dá)到24.8萬(wàn)億千瓦時(shí)，這其中中國(guó)的電力增長(zhǎng)速度是非常快的。
我們把這兩個(gè)行業(yè)放在一起做了一些測(cè)算，從全球和中國(guó)兩個(gè)維度給出一個(gè)基本的概念。假設(shè)把全球的乘用車按照年均兩萬(wàn)公里的行駛里程全部電動(dòng)化，耗電就是2.84萬(wàn)億千瓦時(shí)，占全球發(fā)電量也就是10%左右。對(duì)于中國(guó)而言，假設(shè)2030年中國(guó)汽車保有量能達(dá)到2.75億輛，現(xiàn)在大概是一億多輛，就是中國(guó)的乘用車在2030年翻將近一倍的話，按每一百公里耗15度電，總的就是0.825萬(wàn)億千瓦時(shí)，也是我們國(guó)家發(fā)電量的10%左右。
從功率方面來(lái)看，在上海假設(shè)有50萬(wàn)輛電動(dòng)車，這差不多是上海私人保有汽車量的四分之一，這50萬(wàn)輛車同時(shí)慢充，也就占平均負(fù)荷功率的差不多10%。這是50萬(wàn)輛同時(shí)充電時(shí)候的情況，功率占比其實(shí)并不是特別大，當(dāng)然局部可能還是會(huì)很大，在某一個(gè)小區(qū)或者某一個(gè)停車場(chǎng)，這是另外的情況。
我們把汽車工業(yè)的底座從原來(lái)的石油工業(yè)移到電力工業(yè)上面，可不可以？在經(jīng)過(guò)這樣的一個(gè)基本測(cè)算之后，心里還有點(diǎn)數(shù)的，應(yīng)該沒(méi)有太大問(wèn)題的。當(dāng)然，也有人會(huì)來(lái)問(wèn)，中國(guó)的電基本是靠燒煤發(fā)出來(lái)的，這個(gè)過(guò)程中伴隨很多的污染排放，這是不是把污染簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)移了一下呢？
第一，我們可以看到近年來(lái)電力工業(yè)能源結(jié)構(gòu)在發(fā)生變化。第二，在以火電為主的能源結(jié)構(gòu)下，會(huì)看到全生命周期的碳排放是減少的，但是減少的并不像我們想象的那么多。拿傳統(tǒng)的燃油車和深度混合動(dòng)力還有中長(zhǎng)續(xù)航里程的電動(dòng)車來(lái)比較，會(huì)看到在全生命周期總的碳排放量這一項(xiàng)燃油車是最高的。在包括了生產(chǎn)制造階段還有使用階段的全生命周期里，混合動(dòng)力是27.2，還是比較低的。同時(shí)，大家會(huì)看到，長(zhǎng)續(xù)航里程的電動(dòng)汽車把續(xù)航里程加長(zhǎng)之后，碳排放量反而會(huì)增加，因?yàn)殡妱?dòng)汽車電池在生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，還是有高額的碳排放存在的。
再展望一下未來(lái)，到2020年，中國(guó)能源結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)一步的優(yōu)化，煤炭所占比例會(huì)下降，其他可再生能源或者非化石能源占的比例會(huì)上升，當(dāng)然汽車技術(shù)也在進(jìn)步。我們假設(shè)比如說(shuō)電池的能量密度提高，整車的能耗下降，驅(qū)動(dòng)方面還有整車設(shè)計(jì)方面改善，汽車在整個(gè)全生命周期的碳排放情況會(huì)更加優(yōu)化，除此之外電動(dòng)汽車還有兩大優(yōu)勢(shì)，那就是沒(méi)有氮氧化物和顆粒物的排放。
再?gòu)幕A(chǔ)設(shè)施方面來(lái)看，全球范圍內(nèi)，相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)都在迅速的增加，以慢充和私有樁為主，中國(guó)的情況也差不多，在數(shù)量上會(huì)更多一點(diǎn)，2018年末私有樁數(shù)量超過(guò)了50萬(wàn)，公用樁超過(guò)40萬(wàn)。
我們剛剛的比較都是按照乘用車來(lái)計(jì)算的，因?yàn)橹辽佻F(xiàn)在鋰電池的水平還達(dá)不到可以應(yīng)用在重型車輛上，雖然特斯拉推出了重型卡車，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有像轎車那樣符合大家的預(yù)期。重型車輛還是要考慮用燃料電池來(lái)做，那么我們要算一下氫能夠不夠用。中國(guó)2016年的工業(yè)副產(chǎn)氫是1189萬(wàn)噸，用“水風(fēng)光”三棄和核電棄電的電力可以分別制196萬(wàn)噸和146萬(wàn)噸氫氣。按照一輛車運(yùn)行三百天，每天用氫0.5公斤來(lái)算，這些氫可以分別供7900萬(wàn)、1300萬(wàn)和970萬(wàn)燃料電池車使用，這還是在沒(méi)有新的資源投入的情況下。這一點(diǎn)是中國(guó)發(fā)展燃料電池起步階段最大的優(yōu)勢(shì)，就是氫能這個(gè)新能源是有足夠量的。
再比較一下制氫的成本，工業(yè)副產(chǎn)氫大概在10塊錢(qián)左右的，電解制氫取決于電價(jià)，不同的電價(jià)成本也會(huì)不一樣。在中國(guó)還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是煤資源很豐富，煤制氫可以做到一公斤十塊錢(qián)以下，八塊七毛錢(qián)。但是現(xiàn)在用氫的成本基本在每公斤40塊錢(qián)到50塊錢(qián)之間，有的地方會(huì)到70塊錢(qián)，也就是說(shuō)，制氫的成本很低，但是到的車廠就要加好幾倍的價(jià)錢(qián)，這里面的差價(jià)主要就是運(yùn)輸、存儲(chǔ)這些問(wèn)題造成的。因?yàn)槲覀兊捏w系還沒(méi)有大規(guī)模地建立起來(lái)，有關(guān)中國(guó)加氫站的數(shù)據(jù)還是非常少的，就全世界的建設(shè)情況來(lái)看，總的來(lái)看比較領(lǐng)先的是日本，美國(guó)的加州以及東海岸地區(qū)和歐洲。
對(duì)比了兩種車輛能源體系之后，要思考的就是這樣切換會(huì)帶來(lái)什么問(wèn)題？在石油能源補(bǔ)給的時(shí)候，也就是5分鐘時(shí)間油就加好了，充電慢充的話可能需要五六個(gè)小時(shí)；至于對(duì)能源的網(wǎng)絡(luò)的影響，加油的時(shí)候是局部的、離線的，但是充電的話是全局的、在線的，是需要和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生關(guān)系的。要解決這些問(wèn)題就需要有高效的電能變換，便捷的電能補(bǔ)給以及友好的能源交互，這里面涉及到一個(gè)是能量的交換，另一個(gè)是信息的交換。
從能量交換的角度來(lái)講，大家都知道需要各種各樣的電能變換，電能變換最基礎(chǔ)的東西就是電子電力器件。下一代的電子器件讓我們這個(gè)行業(yè)非常期待，因?yàn)榭梢源蟠蟮奶岣吖β拭芏?，這將帶來(lái)很多新的可能性，包括充電、逆變、無(wú)線充電等領(lǐng)域里一些新的技術(shù)手段。有了這樣的裝置就可以實(shí)現(xiàn)電流的雙向流動(dòng)，剛剛發(fā)改委的報(bào)告中介紹了雙向充電帶來(lái)的好處，雙向能量變換技術(shù)的可能性，當(dāng)然除了能量的交互之外，還需要有價(jià)格的傳導(dǎo)機(jī)制。
價(jià)格傳導(dǎo)機(jī)制有一個(gè)基礎(chǔ)的東西就是信息要可傳導(dǎo)，過(guò)去汽車是一個(gè)封閉信息體系，對(duì)外交互的信息非常少，當(dāng)汽車和電網(wǎng)之間發(fā)生交互的時(shí)候，需要有大量的信息同時(shí)進(jìn)行交互。在這里面會(huì)用到T- box之類的技術(shù)，當(dāng)然還有一些其他的方案。我們思考出來(lái)的一個(gè)重要結(jié)論是，作為能源網(wǎng)絡(luò)的一部分，車輛與儲(chǔ)能有關(guān)信息必須對(duì)電網(wǎng)開(kāi)放，信息的接口要與充電的接口進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)范。剛剛講到V2G的問(wèn)題，大規(guī)模的電動(dòng)汽車除了充電還可以給電網(wǎng)帶來(lái)額外的價(jià)值，這個(gè)就是V2G的事情，從汽車上取下來(lái)的電池，還可以用來(lái)做充儲(chǔ)一體，兩極儲(chǔ)能。
除了電，氫能也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。我們講的氫能補(bǔ)充方式和石油比較接近，也是5分鐘級(jí)別的。但是氫能的制、儲(chǔ)、運(yùn)各個(gè)環(huán)節(jié)都有不少的問(wèn)題，但是好在這些技術(shù)領(lǐng)域的問(wèn)題也都在快速地得到改善。
最后一個(gè)結(jié)論就是：汽車的將來(lái)靠什么呢？靠?jī)蓚€(gè)網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)靠電網(wǎng)，一個(gè)靠氫能網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)是在線方式，一個(gè)是離線方式，可以看到可再生能源發(fā)電的碎片化問(wèn)題可以通過(guò)更大規(guī)模的氫儲(chǔ)能來(lái)解決。這樣的話對(duì)于汽車而言，從石油網(wǎng)絡(luò)切換到電的網(wǎng)絡(luò)就有了支撐。汽車原來(lái)和能源網(wǎng)絡(luò)之間的弱耦合變成了強(qiáng)耦合，交換物質(zhì)變成了交換能源，而且還要交換信息，原來(lái)的物理系統(tǒng)變成了信息物理系統(tǒng)。最后我們講汽車工藝的優(yōu)化問(wèn)題不能僅僅在汽車上求解，必須要在更大范圍內(nèi)求解，要從原來(lái)終端的問(wèn)題升級(jí)為能源交通兩個(gè)系統(tǒng)的問(wèn)題來(lái)求解。人類自由移動(dòng)的普遍需求需要建立在電能、氫能的基礎(chǔ)之上，當(dāng)然具有百年歷史的汽車，也將會(huì)在新的能源基礎(chǔ)上面繼續(xù)發(fā)展，謝謝大家！
