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從更廣闊的視野看待氫能燃料電池
作者:管理員 來源:中國汽車供應商網 發布時間:2019/8/2

發展新能源和新能源汽車是大勢所趨

從能源的交通發展趨勢看,電動化、低碳化、智能化是大勢所趨。

1.電動化是動力革命

電動化是動力革命,但不是能源源頭革命。油電混合動力汽車、純電動汽車、氫能燃料電池汽車都屬于電動化。動力革命目前正在推進,而且技術逐步趨于成熟。比如,近10年內純電動汽車鋰離子電池性能提高2倍以上、成本降低80%以上,這就是一場電池革命。中國抓住了這個機遇,如果沒有電池革命,新能源汽車不可能像現在這樣得到大規模推廣。如今,北京道路上行駛的車輛有20%都是純電動汽車。再如,氫燃料電池技術尤其是車用質子交換膜燃料電池技術,也取得了革命性的突破和進展,業內比較熟悉的就是豐田的燃料電池技術。預計在今后五年左右,燃料電池技術基本趨于成熟。此外,油電混合動力技術也不容忽視,它將在市場上占據重要位置,未來燃油車會以混合動力的形式在相當長時間內持續發展。

以上三種車孰優孰劣,現在還不好下結論。從效率角度看,這三種車相差不多;從全生命周期效率來看,也很難一較高下。有人認為氫燃料電池效率最高,那是基于以天然氣為能源源頭計算得出,如果將天然氣換成汽柴油則并非如此。以上三種電動化所相配的能源,也就是燃料,都有各自的最佳組合,能夠達到差不多的效果,所以很難對比,這就需要借助第二“化”,即能源低碳化進行更好地對比。

2.動力和能源相結合能實現能源低碳化

低碳化,就是要減排二氧化碳,這就不得不提到風能、太陽能等可再生能源,尤其是光伏的發展。現在光伏效率基本已突破20%,下一代技術是朝30%進軍,而且發電成本和煤電不相上下。光伏既包括集中式光伏,也包括分布式光伏,現在分布式光伏發展更快。中國是世界光伏第一大國,集中了全球70%的產能。可以說,在可再生能源發展方面,中國處于世界前列。選擇低碳發展道路,是中國政府向全世界的承諾,習近平總書記提出能源生產與消費革命的戰略思想,其中重要一點就是能源低碳化。如果把動力電動化與能源低碳化結合,就能使不同種類車輛比出高低。因為只有搭配可再生能源,才有可能實現真正的低碳或者近零碳排放。

在這個前提下可以發現,鋰離子電池、燃料電池搭配可再生能源的時候優勢凸顯。其中,純電動汽車更適合分布式可再生能源,筆者認為,鋰離子儲能電池和分布式光伏是絕佳搭配,未來發展空間廣闊。

關于集中式可再生能源,我國很多可再生能源基地都建在內蒙古、青海一帶,也包括張家口。之所以在這些地區建設可再生能源基地,是因為相比東部地區,這些地區光照時間長、發電時間長、成本更低,此外還有能量輸送等原因。對于這些可再生能源集中式基地,用鋰離子電池儲存并不是最佳選擇,相比之下,將其變成氫氣是全球認同的主要的可再生能源儲存手段。

所以,可再生能源和鋰離子電池、氫燃料電池相結合有兩種途徑:分布式儲能需要鋰離子電池和純電動汽車;集中式、長周期、大規模的儲能,需要氫能及燃料電池。由此,汽車動力和能源緊密配合,從而實現能源低碳化,這也是發展新能源汽車的原因。

3.智能化將全方位整合能源、交通、信息

智能化是一場更大、更廣泛的革命,人工智能、大數據、互聯網等席卷全球,影響各行各業。對于汽車行業來說,自動駕駛、工業4.0、智慧能源、能源互聯網等都與之相關。對于分布式光伏和電動汽車,最好的前景就是形成移動能源互聯網。如今,手機已成為移動信息互聯網,將來汽車會變成下一個巨大終端。最近華為開始進入汽車領域,一方面是5G的發展將支撐起智能汽車網絡基礎設施,另一方面是智能手機所有的應用都可以在汽車上全方位使用,而且汽車是一個有更多零部件、更大產值、更綜合的系統。所以,將來的汽車有可能屬于ICT(信息和通信技術)行業,因為ICT變成了汽車的核心。

電動化、智能化、網聯化、共享化是全球汽車行業正在流行的“新四化”,但網聯化和共享化只強調了信息革命,沒有強調能源革命。如果所有的電動汽車只要停駛就能接到智能電網或者由微網組成的能源互聯網上,那么儲能規模將無比巨大。2030年之后,新能源汽車保有量或將超過1億輛,車載電池總能量將超過60億度,這是一個巨大的數字。

通過智能化,可以把能源、交通、信息全方位整合,也就是說,未來社會將是綠色、低碳、智能化的社會,整個經濟也將全方位轉型升級,所以要在這個大背景下談氫能燃料電池。或許有人認為這個設想太遙遠,但我國最近正在啟動《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035年)》的編制工作,按筆者的判斷,到2035年,包括混合動力汽車、純電動汽車、燃料電動汽車在內的車輛將成為絕對主體,占比在90%以上,能源低碳化和智能化(如具有各種自動駕駛功能的汽車)也將成為主體。根據國家發改委公布的能源規劃,到2030年,我國非化石能源裝機量將達到50%;2035年將占裝機量主體。筆者認為,到2035年非化石能源發電量也會達到50%,這是一個宏偉目標,但并非遙不可及。

♦氫能燃料電池發展面臨多重機遇和挑戰

因此,必須在大背景下看氫能,定位氫能。氫能是未來在可再生能源背景下的兩個主要能源載體之一,另一個是電能。當然,筆者認為電能還是能源主體,氫能不可能超過電能。現在有人談氫能,往往把氫能和石油、天然氣、煤炭并列,筆者認為這種談法不妥,因為氫能只是一個能源載體,屬于二次能源,不是一次能源。在這個前提下,氫燃料電池目前的發展機遇和挑戰是什么?

1.從更廣闊的視野看氫能燃料電池的應用

目前,我國正在修訂氫能燃料電池汽車路線圖,2016年曾發布第一版,當時提出力爭到2030年,氫能燃料電池汽車總保有量達到100萬輛、加氫站1000座。有人認為,在目前的氫能熱潮下,這個數字定低了,筆者不這么認為。如果僅僅從車輛上看,可能到2030年應用更多的是商用車,對于商用車來說,100萬輛已經是一個龐大的數字。至于轎車,氫能燃料電池要想在短期內全部取代純電動轎車也不太可能,所以應該從更廣闊的視野來看待氫能燃料電池。

看待氫能,不能僅僅從車輛的角度看,更不能僅僅從轎車角度看,而應從能源角度、從新能源角度、從可再生能源發展角度看待其更廣闊的應用。筆者認為,鋰離子電池動力系統更多的是替代汽油機,氫燃料電池動力系統更多的是替代柴油機。除了汽車之外,輪船、飛機、潛艇、火車、作業機械等都會采用氫燃料電池動力系統,應用范圍很廣。

2.氫的儲運是最大挑戰

關于氫能,我國現在面臨的最主要挑戰并不是燃料電池,因為技術終將成熟;氫源問題也不大,目前經濟可行的氫源可以來自1000億度的棄風、棄光、棄水,還有800萬噸的副產氫。筆者認為,挑戰在于氫的儲運,包括車載儲存和車下的儲運,找到經濟、高效、可行的儲運模式,是發展的關鍵。目前,我國的氫能科技滯后于燃料電池,現在使用的氫能工藝基本都是50年前甚至100年前發明的,新的氫能科技還沒有完全成為主流的、大規模推廣的應用技術。雖然我國有很多新的基礎研究成果,如光催化制氫等,但還需進一步工程化、實用化、商業化。

目前全球公認的車載儲運主流技術是從燃料電池轎車發展中優選出來的高壓氣氫,就是70兆帕四型高壓儲氫瓶。相對于三型瓶,四型瓶成本可以下降30%,而且全球的標準法規都圍繞這個方向制定,但中國在這方面還沒有成熟產品和相關標準法規。從中長期看,面向2030年,尤其是針對長途商用車,我國要發展液態儲氫或者中壓深冷氣氫。

至于車下的儲運,現在有固態、液態、氣態三種。目前還沒有合適的主流固態儲運技術;液態即氫液化是面向2030年我們要發展的,但近期很難大規模依賴;眼下主流的是氣態,問題在于儲氫密度偏低,我國現在采用的是20兆帕儲氫瓶,國外已經發展50兆帕、100兆帕儲氫瓶,尤其是100兆帕儲氫瓶到加氫站可直接往70兆帕氫瓶加注,但國內還不具備這一技術,因為它對標準、安全等各方面提出了很高要求。之所以我國遲遲沒有頒布四型瓶的標準,一是沒有成熟產品,二是對安全的檢測評估還不到位。在這方面,我國需要開放創新,整合全球資源,建立中國相關產業鏈,這樣才有可能解決我國氫能全產業鏈的一個中間瓶頸。

♦以點帶面整合資源打造氫能示范基地

目前,張家口作為中國惟一的可再生能源國家示范區,是我國發展氫能燃料電池的重要地區,在鋰離子電池儲能、光伏等方面都有發展優勢。之所以選擇張家口為氫能燃料電池示范推廣基地,一是因為張家口是2022年冬奧會舉辦地之一,我國將在冬奧會期間加速應用燃料電池客車,這是樹立張家口氫能與可再生能源品牌的良機;二是北方地區冬季溫度低,更適合推廣燃料電池汽車,供暖也可用燃料電池廢熱;三是考慮產業鏈整合和科技資源的整合。氫能燃料電池發展需要氫能科技的突破,需要法規標準的支撐以及復雜的檢測手段,這些都離不開大規模的設備投入,張家口提供了一個良好的測試、研究、制定國家標準的基地。從國家角度看,需要有這樣的基地,氫能如果遍地開花,很容易出事。當前國內三型瓶的壽命和充放氫的循環次數7500~12000次不等,高壓容器檢測很復雜,必須進行生產一致性評價。

此外,我們也希望把儲能電池測試、光伏測試、風機測試等放在一起研究。這是借鑒了美國的做法,如美國有一個可再生能源與國家檢測基地,涵蓋了所有的相關內容,因為相互之間需要耦合,如電動汽車、鋰離子電池、光伏本身就構成一個大系統。就像特斯拉,既銷售電動汽車,也出售房頂的光伏、鋰離子儲能墻、超級充電樁,這些都是成套的,所以我們要把試驗基地合起來建設。

氫能的發展需要全球共同努力,希望我國能夠以張家口為點,以點帶面,在全球樹立我國的氫能品牌。

(作者系中國科學院院士、清華大學教授)


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