百人会2021云论坛｜中科院欧阳明高：换电的最佳用场景还是电动中重卡

国际能源署认为光伏将是综合成本最低最便宜的能源，所以现在技术创新非常活跃。其次是氢能，可再生能源只有两个载体，电能和氢能。面对碳中和的前景，氢能汽车只是氢能利用的一部分，或者说是领先的一部分。氢能不仅仅是汽车，发展氢能汽车的使命之一就是推动氢能的全面发展。因为交通运输行业对氢气价格的容忍度最好，炼钢、化工、发电、大型燃气轮机发电机组等未来也将使用氢气。目前氢能主要是通过电解水产生的。电解水制氢恰好是刚刚提到的燃料电池的逆过程。氢和氧结合产生水，产生电，但是有了电和水，氢和氧都可以产生，所以降低燃料电池的成本也可以压低制氢的成本，这是一个问题的两个方面。目前主要有三种燃料电池，所以制氢主要有三种方式。碱性燃料电池对应碱性电解，质子交换膜燃料电池对应质子膜电解，固体氧化物燃料电池对应固体氧化物电解，技术成熟度不同。目前国内碱性电解技术成熟且具有价格优势，质子交换膜电解技术正在商业化。我认为质子交换膜电解技术将在5-10年内得到大规模发展。发展中的下一代是固体氧化物电解技术，因为它效率高。可再生能源制氢的成本与可再生能源的电价密切相关。目前张家口风力制氢的电价是15分钱，氢气的用电成本大概是7块钱一公斤氢气。此外，还有很多氢的载体，比如液氨，作为尿素使用。其质量储氢率可达17.8%，体积储氢密度较高。100升可以达到12公斤，比液氢高一倍多，液氢100升左右可以达到6公斤。因此，国际上出现了很多氨经济、氮循环等新概念。氨可直接用于化肥、塑料、橡胶等产品和发电，分解氢气后可用于更多领域。制氨的过程是先用电产生氢气，再捕捉空气中的氮气。氮和氢结合可以产生氨，传统工业可以催化。现在正在开发一种新的电催化氨合成技术。还有电合成燃料。现在在欧洲特别是德国很热利用可再生能源产生合成燃料，这种燃料叫E-FUEL，在中国叫“液态阳光”。你可能知道“液态阳光”最近很火。电合成燃料可以有很多种，比如汽油，但中国的“液态阳光”主要指的是甲醇。电制氢，氢气和二氧化碳可以合成甲醇，中间产物甲醇可以合成二甲醚。或者由氢气和一氧化碳组成的合成气通过费-托工艺生产成中间合成油，然后改质和异构化生产最终产品如汽油。这个技术路线燃料端不需要建设基础设施，但是生产端会建设很多基础设施。生产一升油需要2.9-3.6公斤二氧化碳，如果从空气中捕捉会消耗大量能量。但是当用作燃料时，二氧化碳又回到了大气中。如果用于氢燃料电池，将从甲醇重整反应中获得氢气和二氧化碳。在这种情况下，甲醇实际上被用作氢气的储存和运输方法。因此，有必要对基于可再生能源的全链条能效进行分析。根据壳牌的研究报告，可充电电动汽车的能效约为77%，氢燃料电池汽车的能效约为30%。因为电制氢的效率在60%以上，而能源效率……燃料电池的cy是50-60%，两者相乘是30%以上，而纯电动基本没有这个过程，这是最简单最直接的。继续使用电合成燃料内燃机的汽车占13%。如果电价相同，整体能效的差异大致就是成本差异。对于可再生能源来说，主要不是节能减排问题，而是成本问题。所以，如果充电电池能做好事，一般来说，氢燃料电池是不用的。但还是有很多应用场景是充电电池做不好的。另一个问题是，有没有可能制氢的电价比充电的电价便宜？有可能。这是我要讲的第三点，系统智能的新趋势，人工智能革命。我们必须从系统的角度来观察它，才能得出结论。第三，系统智能化的新趋势。基于可再生能源系统的能源系统必须有储能设备，以及提供基本电力的大型发电机组。这个大型发电机组现在使用化石能源，未来使用氢气或液氨。在基于可再生能源的智慧能源系统中，负荷、电源、储能和网络协同作用，电价由系统的能量流和信息流耦合的动态过程决定。如果从环节来看，未来可再生能源的主要成本不一定在发电环节，可能在储能等其他环节。所以，储能是关键。从储能的功率和储存时间来看，电池是中小功率的短期储存。可以和分布式光伏匹配，但不一定适合一些大型的风电场。如果这个月有风，下个月没有风，主要是氢气。氢是大规模的长期储存，所以这两种储能必须结合起来形成总储能系统。先看电池储能技术。现在在电动车市场的带动下，动力电池的需求大幅上升。乐观估计，2025年我国电池产量可能达到每年10亿千瓦时，这是一个巨大的产业，成本还会继续下降。动力电池，如锂离子电池，正在成为分布式短期和小规模可再生能源存储的最佳选择。如果十几年发展到1亿辆可充电电动汽车，车载电池总能量将达到50-60亿千瓦时，储能潜力巨大。但同时也要看到，充电功率也是巨大的，但耗电量并不是很大，这是一个值得注意的特点。我来说一个极端的情况。如果中国3亿辆乘用车全部转换为纯电动汽车，每辆车平均功率为65千瓦时，那么车载储能容量约为200亿千瓦时，相当于中国每天的总用电量。如果10%电动车3000万辆同时充电，以50千瓦的中速充电，总充电功率为15亿千瓦，相当于国家电网总装机功率。不可能实现电力系统的所有电力都给电动车充电。那么，按照一般汽车一年行驶2万公里计算，3亿辆汽车每天的用电量约为20亿千瓦时，占总用电量的10%，是完全可以接受的。电动汽车大规模推广的好处是储能潜力巨大，但问题是充电功率也巨大。趋利避害，首先要利用储能潜力抑制电网波动。根据国家发改委能源研究所的研究报告，到2030年，北京的电力总负荷将在1500万千瓦至3300万千瓦之间剧烈波动。如果有五百万辆电动汽车进行储能，电网负荷波动范围将降低到2000万千瓦到2200千瓦之间。但如果有6万辆车同时从350千瓦的电网充电，总充电功率将超过2000万千瓦，几乎相当于北京电力的总负荷。因此，充电功率必须通过智能大大缩小……有序充电、车辆与电网双向充电、储能放电、电池更换、充换电一体化等nt充电方式。我个人认为，对于商业用途的乘用车，比如汽车共享、出租车，换电原则上是一种很好的商业模式。不过换动力最好的场景可能还是电动中重型卡车。这种中重卡可以使用一体化快速供能站，汽车超级快充，中重卡快速换电，两者可以合建。重卡的电池容量远高于轿车，换电的备用电池组可以给轿车放电，提供快速充电，是互补的。最终形成的将是一个“光-储-充-换”多重互补功能的微电网系统。目前国内已经开展了卡车换电，我个人认为卡车换电可以从经济账来算。在一些特殊场景，比如港口、煤矿，已经做得很好了，现在要在高速公路上实现。这种换电只需要三到五分钟，车电分离，电池租赁。电池组容纳电池。大电池库的电池消耗量大，负荷预测准确，因此在电力交易中可以获得较低的电价。同时，大量购买电池也可以降低电池的价格。此外，电池的生命周期管理可以延长电池寿命，并逐步加以利用。现在的关键是标准法规。目前汽车换电的标准法规很难执行，因为各种车的品牌和需求都不一样，泥腿和皮鞋很难一起换电。但相对来说，货车问题不大。另外，换电本来就是因为充电慢，充电不方便。快充车肯定有疑问。需要强调的是，对于私人乘用车，基于车联网一体化和大功率快充技术的发展前景以及电池底盘的一体化设计趋势，我个人更倾向于充电。私家车一般是在家里或者公司慢充(公司慢充电桩的潜力根本没有挖掘出来)，还可以和车联网互动。现在国家电网电动汽车服务公司正在演示车网互动。通过国网电力的后台调度系统，志愿者的车可以充电买电，放电卖电，高价卖电，低价充电，基本可以平衡用电，甚至赚钱。也就是说，买了电动汽车后，未来能源成本会趋于零甚至盈利。但是，长距离高速公路必须有超快速供电措施。什么情况下超快供电合适？一般来说，电池电量在80%以上就会发生安全事故，电池电量在50%以下很少会发现安全事故。这可以用电化学机理来解释。电荷充满时，正极材料的锂离子大部分耗尽，结构稳定性最差；锂离子嵌入负极后，由于电池膨胀，内应力增大，容易出现内部短路的隐患。还有就是电池组充满电后曝光不一致。如果管理不善，单个电池容量低的电池可能会被过度充电。功率在50%以下一般不会出现这些情况。应急电源必须在电量低，电源未满时进行。2020年，中国电力企业联合会公布了中日联合研发的大功率快速充电新标准——超级充电标准，预计2025年中国电力企业联合会可提供全面过充服务。根据我团队的研究，给一辆续航里程600公里的车充电五分钟跑200公里是完全可行的(也就是电量增加1/3)。但需要注意的是，一辆车5分钟续航里程200公里，一般是不可能的，除非用特殊负极的快充电池，比如钛酸锂负极。其次，应急电源快速补充充电时温度上升很快，需要加强冷却。另外，冬天一定要先加热再快速充电。充电站的低温脉冲加热技术，每分钟可升温8℃度。这些技术现在正在研发中，我们准备选择高速公路作为与国家电网合作的第一个示范。我来说说氢能。氢能是集中式可再生能源大规模长期储存的最佳方式。原因是:第一，能源利用的充分性。氢能的大容量长周期储能方式充分利用了可再生电力。有些动力电池是不能储存的，比如四川的季节性水电，只能储存氢气。所以有可能制氢的电价比充电便宜。第二，大规模储能的经济性氢能优于电池，车下固定储氢比蓄电成本低一个数量级左右。三是对电网基础电源的补充。氢能可作为大容量、长周期、高功率的柔性能源，如燃料电池发电或大型氢气涡轮发电。大电网不可能全是风电和光伏。德国能源转型早，可再生能源比例高。由于当时储能技术并不成熟，传统发电机组大多只能作为灵活能源储备调节和稳定电网，并实行双保险措施，导致电价居高不下。目前传统机组的规模可以通过储能来降低，但不可能降低到很低。必须要有基本的电力供应，这个时候氢气就能发挥重要作用。第四，氢气生产、储存和运输灵活。我国大型集中式可再生能源基地位于新疆、内蒙古、宁夏等偏远西部地区，氢能需要输送上千公里。同时，绿氢的输送通道与超高压输电通道重合，充分发挥超高压输电的中国优势，通过远距离输电发展本土制氢也是一种选择。这两种方式从储能的角度来看没有太大区别。关键是谁更节约。我们初步的分析比较表明，长距离输送的本地制氢方案总体上具有一定的优势。根据电力专家的介绍，UHV 1000公里输电的成本是8美分/千瓦时。当可再生能源发电量在0.1元/千瓦时左右时，加氢出口价格大致可以做到30元/公斤左右，与柴油具有竞争力。这样就形成了具有中国特色的长距离输氢方案，利用了中国能源互联网的优势。展望未来十年，交通智慧能源生态建设大概有两种组合。黄金组合被分配……光伏+电池+电动车+物联网+区块链；还有银色组合，集中式远程风电光伏+氢能储能发电+燃料电池汽车+物联网+区块链。一个是分布式智慧能源，一个是集中式智慧能源。两者结合形成了面向碳中和的未来智能能源系统。最后我做个总结——迎接第三次能源革命和第四次工业革命。100多年前的第二次能源革命，引发了从马车到汽车的大转变和石油工业的大繁荣。主要过渡期始于1900年，持续了约25年。现在，第三次能源革命即将到来。我估计类似于上一次的车厢到汽车的转变，未来20到30年，交通运输设备和能源化工相关行业会发生很大的变化。让我们一起迎接第四次工业革命，那就是基于可再生能源的绿色化和基于数字网络的智能化。谢谢大家！国际能源署认为光伏将是综合成本最低最便宜的能源，所以现在技术创新非常活跃。其次是氢能，可再生能源只有两个载体，电能和氢能。面对碳中和的前景，氢能汽车只是氢能利用的一部分，或者说是领先的一部分。氢能不仅仅是汽车，发展氢能汽车的使命之一就是推动氢能的全面发展。因为交通运输行业对氢气价格的容忍度最好，炼钢、化工、发电、大型燃气轮机发电机组等未来也将使用氢气。目前氢能主要是通过电解水产生的。电解水制氢恰好是刚刚提到的燃料电池的逆过程。氢和氧结合产生水，产生电，但是有了电和水，氢和氧都可以产生，所以降低燃料电池的成本也可以压低制氢的成本，这是一个问题的两个方面。目前主要有三种燃料电池，所以制氢主要有三种方式。碱性燃料电池对应碱性电解，质子交换膜燃料电池对应质子膜电解，固体氧化物燃料电池对应固体氧化物电解，技术成熟度不同。目前国内碱性电解技术成熟且具有价格优势，质子交换膜电解技术正在商业化。我认为质子交换膜电解技术将在5-10年内得到大规模发展。发展中的下一代是固体氧化物电解技术，因为它效率高。可再生能源制氢的成本与可再生能源的电价密切相关。目前张家口风力制氢的电价是15分钱，氢气的用电成本大概是7块钱一公斤氢气。此外，还有很多氢的载体，比如液氨，作为尿素使用。其质量储氢率可达17.8%，体积储氢密度较高。100升可以达到12公斤，比液氢高一倍多，液氢100升左右可以达到6公斤。因此，国际上出现了很多氨经济、氮循环等新概念。氨可直接用于化肥、塑料、橡胶等产品和发电，分解氢气后可用于更多领域。制氨的过程是先用电产生氢气，再捕捉空气中的氮气。氮和氢结合可以产生氨，传统工业可以催化。现在正在开发一种新的电催化氨合成技术。还有电合成燃料。现在在欧洲特别是德国很热利用可再生能源产生合成燃料，这种燃料叫E-FUEL，在中国叫“液态阳光”。你可能知道“液态阳光”最近很火。电合成燃料可以有很多种，比如汽油，但中国的“液态阳光”主要指的是甲醇。电制氢，氢气和二氧化碳可以合成甲醇，中间产物甲醇可以合成二甲醚。或者由氢气和一氧化碳组成的合成气通过费托法生产成中间合成油，然后进行改质和异构化生产最终产品如汽油。这个技术路线燃料端不需要建设基础设施，但是生产端会建设很多基础设施。生产一升油需要2.9-3.6公斤二氧化碳，如果从空气中捕捉会消耗大量能量。但是当用作燃料时，二氧化碳又回到了大气中。如果用于氢燃料电池，将从甲醇重整反应中获得氢气和二氧化碳。在这种情况下，甲醇实际上被用作氢气的储存和运输方法。因此，有必要对基于可再生能源的全链条能效进行分析。根据壳牌的研究报告，可充电电动汽车的能效约为77%，氢燃料电池汽车的能效约为30%。因为电制氢的效率在60%以上，而且能源效率……燃料电池的ncy是50-60%，两者相乘是30%以上，而纯电动基本没有这个过程，这是最简单最直接的。继续使用电合成燃料内燃机的汽车占13%。如果电价相同，整体能效的差异大致就是成本差异。对于可再生能源来说，主要不是节能减排问题，而是成本问题。所以，如果充电电池能做好事，一般来说，氢燃料电池是不用的。但还是有很多应用场景是充电电池做不好的。另一个问题是，有没有可能制氢的电价比充电的电价便宜？有可能。这是我要讲的第三点，系统智能的新趋势，人工智能革命。我们必须从系统的角度来观察它，才能得出结论。第三，系统智能化的新趋势。基于可再生能源系统的能源系统必须有储能设备，以及提供基本电力的大型发电机组。这个大型发电机组现在使用化石能源，未来使用氢气或液氨。在基于可再生能源的智慧能源系统中，负荷、电源、储能和网络协同作用，电价由系统的能量流和信息流耦合的动态过程决定。如果从环节来看，未来可再生能源的主要成本不一定在发电环节，可能在储能等其他环节。所以，储能是关键。从储能的功率和储存时间来看，电池是中小功率的短期储存。可以和分布式光伏匹配，但不一定适合一些大型的风电场。如果这个月有风，下个月没有风，主要是氢气。氢是大规模的长期储存，所以这两种储能必须结合起来形成总储能系统。先看电池储能技术。现在在电动车市场的带动下，动力电池的需求大幅上升。乐观估计，2025年我国电池产量可能达到每年10亿千瓦时，这是一个巨大的产业，成本还会继续下降。动力电池，如锂离子电池，正在成为分布式短期和小规模可再生能源存储的最佳选择。如果十几年发展到1亿辆可充电电动汽车，车载电池总能量将达到50-60亿千瓦时，储能潜力巨大。但同时也要看到，充电功率也是巨大的，但耗电量并不是很大，这是一个值得注意的特点。我来说一个极端的情况。如果中国3亿辆乘用车全部转换为纯电动汽车，每辆车平均功率为65千瓦时，那么车载储能容量约为200亿千瓦时，相当于中国每天的总用电量。如果10%电动车3000万辆同时充电，以50千瓦的中速充电，总充电功率为15亿千瓦，相当于国家电网总装机功率。不可能实现电力系统的所有电力都给电动车充电。那么，按照一般汽车一年行驶2万公里计算，3亿辆汽车每天的用电量约为20亿千瓦时，占总用电量的10%，是完全可以接受的。电动汽车大规模推广的好处是储能潜力巨大，但问题是充电功率也巨大。趋利避害，首先要利用储能潜力抑制电网波动。根据国家发改委能源研究所的研究报告，到2030年，北京的电力总负荷将在1500万千瓦至3300万千瓦之间剧烈波动。如果有五百万辆电动汽车进行储能，电网负荷波动范围将降低到2000万千瓦到2200千瓦之间。但如果有6万辆车同时从350千瓦的电网充电，总充电功率将超过2000万千瓦，几乎相当于北京电力的总负荷。因此，充电功率必须通过智能大大缩小……进入有序充电、车辆与电网双向充电、储能放电、电池更换、充换电一体化等充电方式。我个人认为，对于商业用途的乘用车，比如汽车共享、出租车，换电原则上是一种很好的商业模式。不过换动力最好的场景可能还是电动中重型卡车。这种中重卡可以使用一体化快速供能站，汽车超级快充，中重卡快速换电，两者可以合建。重卡的电池容量远高于轿车，换电的备用电池组可以给轿车放电，提供快速充电，是互补的。最终形成的将是一个“光-储-充-换”多重互补功能的微电网系统。目前国内已经开展了卡车换电，我个人认为卡车换电可以从经济账来算。在一些特殊场景，比如港口、煤矿，已经做得很好了，现在要在高速公路上实现。这种换电只需要三到五分钟，车电分离，电池租赁。电池组容纳电池。大电池库的电池消耗量大，负荷预测准确，因此在电力交易中可以获得较低的电价。同时，大量购买电池也可以降低电池的价格。此外，电池的生命周期管理可以延长电池寿命，并逐步加以利用。现在的关键是标准法规。目前汽车换电的标准法规很难执行，因为各种车的品牌和需求都不一样，泥腿和皮鞋很难一起换电。但相对来说，货车问题不大。另外，换电本来就是因为充电慢，充电不方便。快充车肯定有疑问。需要强调的是，对于私人乘用车，基于车联网一体化和大功率快充技术的发展前景以及电池底盘的一体化设计趋势，我个人更倾向于充电。私家车一般是在家里或者公司慢充(公司慢充电桩的潜力根本没有挖掘出来)，还可以和车联网互动。现在国家电网电动汽车服务公司正在演示车网互动。通过国网电力的后台调度系统，志愿者的车可以充电买电，放电卖电，高价卖电，低价充电，基本可以平衡用电，甚至赚钱。也就是说，买了电动汽车后，未来能源成本会趋于零甚至盈利。但是，长距离高速公路必须有超快速供电措施。什么情况下超快供电合适？一般来说，电池电量在80%以上就会发生安全事故，电池电量在50%以下很少会发现安全事故。这可以用电化学机理来解释。电荷充满时，正极材料的锂离子大部分耗尽，结构稳定性最差；锂离子嵌入负极后，由于电池膨胀，内应力增大，容易出现内部短路的隐患。还有就是电池组充满电后曝光不一致。如果管理不善，单个电池容量低的电池可能会被过度充电。功率在50%以下一般不会出现这些情况。应急电源必须在电量低，电源未满时进行。2020年，中国电力企业联合会公布了中日联合研发的大功率快速充电新标准——超级充电标准，预计2025年中国电力企业联合会可提供全面过充服务。根据我团队的研究，给一辆续航里程600公里的车充电五分钟跑200公里是完全可行的(也就是电量增加1/3)。但需要注意的是，一辆车5分钟续航里程200公里，一般是不可能的，除非用特殊负极的快充电池，比如钛酸锂负极。其次，应急电源快速补充充电时温度上升很快，需要加强冷却。另外，冬天一定要先加热再快速充电。充电站的低温脉冲加热技术，每分钟可升温8℃度。这些技术现在正在研发中，我们准备选择高速公路作为与国家电网合作的第一个示范。我来说说氢能。氢能是集中式可再生能源大规模长期储存的最佳方式。原因是:第一，能源利用的充分性。氢能的大容量长周期储能方式充分利用了可再生电力。有些动力电池是不能储存的，比如四川的季节性水电，只能储存氢气。所以有可能制氢的电价比充电便宜。第二，大规模储能的经济性氢能优于电池，车下固定储氢比蓄电成本低一个数量级左右。三是对电网基础电源的补充。氢能可作为大容量、长周期、高功率的柔性能源，如燃料电池发电或大型氢气涡轮发电。大电网不可能全是风电和光伏。德国能源转型早，可再生能源比例高。由于当时储能技术并不成熟，传统发电机组大多只能作为灵活能源储备调节和稳定电网，并实行双保险措施，导致电价居高不下。目前传统机组的规模可以通过储能来降低，但不可能降低到很低。必须要有基本的电力供应，这个时候氢气就能发挥重要作用。第四，氢气生产、储存和运输灵活。我国大型集中式可再生能源基地位于新疆、内蒙古、宁夏等偏远西部地区，氢能需要输送上千公里。同时，绿氢的输送通道与超高压输电通道重合，充分发挥超高压输电的中国优势，通过远距离输电发展本土制氢也是一种选择。这两种方式从储能的角度来看没有太大区别。关键是谁更节约。我们初步的分析比较表明，长距离输送的本地制氢方案总体上具有一定的优势。根据电力专家的介绍，UHV 1000公里输电的成本是8美分/千瓦时。当可再生能源发电量在0.1元/千瓦时左右时，加氢出口价格大致可以做到30元/公斤左右，与柴油具有竞争力。这样就形成了具有中国特色的长距离输氢方案，利用了中国能源互联网的优势。展望未来十年，交通智慧能源生态建设大概有两种组合。黄金组合被分配……光伏+电池+电动车+物联网+区块链；还有银色组合，集中式远程风电光伏+氢能储能发电+燃料电池汽车+物联网+区块链。一个是分布式智慧能源，一个是集中式智慧能源。两者结合形成了面向碳中和的未来智能能源系统。最后我做个总结——迎接第三次能源革命和第四次工业革命。100多年前的第二次能源革命，引发了从马车到汽车的大转变和石油工业的大繁荣。主要过渡期始于1900年，持续了约25年。现在，第三次能源革命即将到来。我估计类似于上一次的车厢到汽车的转变，未来20到30年，交通运输设备和能源化工相关行业会发生很大的变化。让我们一起迎接第四次工业革命，那就是基于可再生能源的绿色化和基于数字网络的智能化。谢谢大家！

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