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电池储能+氢能丨欧阳明高详解未来智慧能源系统核心技术(附完整PPT)

北极星储能网

编者按:本文转载自微信公众号:北极星储能网(ID:bjx-chuneng)

1月16日,在中国电动车百人会论坛(2021)上,欧阳明高院士做了《面向碳中和的新能源汽车创新与发展》的报告,演讲中详细讲解了储能、氢能与可再生能源发展关系。欧阳明高表示:“如果有人告诉你,这个车能跑1000公里,几分钟能充满电,还很安全,成本又很低。以目前的技术来讲,他一定是骗子。”

欧阳明高认为,

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大家知道每次的革命都是先发明的动力装置和交通工具,然后带动对能源资源的开发利用,并引发工业革命。在看我们第一次能源革命。能源是煤炭,交通工具是火车,第二次能源革命。我们动力是内燃机,能源是石油和天然气,能源载体是汽柴油,我们的交通工具是汽车,那么这一次第一次是英国超过荷兰,第二次是美国超过英国。

现在我们正处于三次能源革命,我们的动力是电池,电化学储能系统,我们的能源是可再生能源,我们的能源载体有两个,一个是电,一个是氢。我们的交通工具就是电动汽车,所以这一次也许是中国的机会。

那么我们第四次工业革命又是什么呢?我个人理解是以可再生能源为基础的绿色化,就是我刚才谈到的第三次能源革命,还有就是以数字网络为基础的智能化。下面我想从能与工业革命的高度来看看新能源汽车。

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一、动力电动化新进展

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首先是中国纯电动汽车动力电池的技术创新非常的活跃。中国动力电池技术创新的模式已经从政府驱动,主导向市场驱动。我们在前些年都是靠补贴来驱动,已经提高很高的指标啊,最后其实是没有达到的。现在主要是公司商业运作,大家知道近期有很多发布会,都谈到电池的创新。

第二就是我想说的是电池材料创新。因为我们要平衡,比能量寿命快充安全成本等相互矛盾的性能指标,它是相互矛盾的,如果某一位说他既能跑一千公里,又能几分钟充完电,而且还特别的安全,而且成本还非常低,以目前的技术来讲,他一定是骗子。不要相信,因为这是不可能的。这方面应该说近年来并没有大的突破。

值得一提的是电池系统结构的创新。辅以电池单体材料的改进,成为近年来中国动力电池技术创新的鲜明特征。总的续航里程是在不断的提升,我这里说不是在提倡,大家都要保一千公里,而是说车上的能量在越来越增加。我们刚开始用的是三元动力电池啊,还没产业化。后来三元电池工业化解决了,但是这续驶里程是增加了,但还不是特别高。近年来三元电池比能量提升,应该说由于安全问题的限制,并没有大幅增长,所以行业转向的新结构设计,所以近期出现了一系列的新结构。

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当前对新能源汽车而言,高效热管理系统核心技术已经取得重要突破,将使得冬季低温环境下续航里程损失比现有车型降低2/3,整车能效优化集成技术也取得突破,小型纯电动车NEDC工况测试百公里电耗接近10千瓦时。同时充电体系建设与快充技术突破,未来5-10年,白天可以用15分钟充满75%的电量。

但总体看,目前如果不用固液混合,我们三元的方形电池可以达到350Wh/kg。我们现在也这个固液混合的半固态电池现在声称是360Wh/kg,差别不是很大,我们磷酸铁锂电池增加之后现在有突破280Wh/kg。

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不要指望换一个新电池就解决所有的安全问题,安全都是相对的,安全是由安全技术保障的。

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未来十年左右燃料电池系统成本将下降80%以上,与过去十年锂离子电池成本下降过程类似,将从2020年的5000元/kW下降到2030年的600元/kW,从目前来看是可以实现的。

车载储氢成本会比燃料电池系统成本下降速度慢一些,预计到2025年每公斤储氢瓶的价格下降到3000元。

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如果没有能源低碳化,如果我们不强调氧化碳,其实油电混合动力是很好的选择。

二、能源低碳化新要求

那么我们来看第三次能源革命,我们要实现能源革命有五大支柱。第一项可再生能源转型,第二集中式转向分布式建筑都变成微型发电厂,而现在我们正在实现。现在北京市都开始补贴这个光伏,像我们的研究所都是分布式光伏,现在清华大学要在每一个房顶都铺上光伏。第三用氢气电池等技术存储间歇式能源。第四,发展能源互联网技术,把这些分布式能源连起来。第五电动汽车成为用能储能并回馈能源的终端。

这是能源革命的五大职责,所以我们的电动汽车电池氢能是新能源革命的重要组成部分,不是孤立的。习主席提出3060低碳发展目标和能源革命的重大战略。中国的光伏和风电在全球是有优势的,现在已经具备大规模推广的条件,但是储能是瓶颈,需要靠电池氢能电动车来解决。逻辑上来讲,只有实现新能源汽车大规模发展,才能适应新的革命,只有实现新能源革命才能实现中国碳中和。

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首先我们的可再生能源是风和光,载体就是电和氢。在新疆大规模光伏发电的成本都在一毛钱左右,那么下一步我们硅基的会跟钙钛矿进一步结合,把可见光和近红外光同时利用,那么进一步可以将效率提升到30%以上。钙钛矿从十年前的效率3%到现在实验室已经接近30%,他会跟现在的单晶硅结合再做成符合的。IEA预测光伏将是综合成本最便宜的能源。现在技术创新非常活跃。

氢能就是从电来电解水制氢,如果是可再生能源制氢,那就是电解水,只有这一条路,电解水制氢跟燃料电池恰好是一个逆过程。所以我们发展的燃料电池、把燃料电池成本降下来,实际上就是把制氢的成本降下来。那么可再生能源制氢目前的成本是跟光伏和风电的价格密切相关的,目前我们在张家口一毛五分钱的电价,用五十度电制氢一公斤,相当于制氢成本几块钱。

面向碳中和前景氢能汽车只是氢能利用的一部分,或者说是先导部分。氢能不仅仅是为了汽车,发展氢能汽车的使命之一,就是为了带动氢能的全面发展。因为我们交通这个地方对氢价格的容忍度最好,下面还有炼钢,还有化工,还有发电,还有远洋船舶……

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再看看我们制氢技术的对比,我们有三种燃料电池也就有三种制氢的方式,我们现在成熟的中国有价格优势的是碱性电池,那么正在进行商业化的质子交换膜电池,我相信十年后我们质子交换膜电池会大规模起来,因为刚才说了我们燃料电池会从五千降到六百块钱一个千瓦,那么相应的电解槽也会大幅下降。正在发展的未来一代是固体氧化物,因为它的效率极高,那么投资的成本跟技术的成熟度恰恰好是相应的。

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我们现在还有很多是氢的载体。比方我们做尿素的氨,它的质量储氢比可以达到17.8wt%,体积储氢密度更高,每一百升可以做到十二公斤。比我们的液氢还要高一倍以上,我们液氢大概一百升能够到六公斤就不错了。所以用氨分解产氢,所以国际上也有所谓的氨经济,氮循环。现在正在发展电解的合成氨,这是第一个。那么第二个就是现在德国欧洲特别热的叫电合成燃料,它叫E-FUEL,我们中国叫液态阳光,大家可能知道最近我们液态阳光很火热,其实就是电合成燃料。但是。虽然我们做燃料氮,不用电信基础设施,你看还用原先的器材,但是生产端要建大量的基础设施。我们生产1L这种油需要捕捉三公斤到三点六公斤的二氧化碳。这个捕捉的这个过程耗能是比较大的,但是最后我们用的时候又把二氧化碳又放回去了,因为它就是一个载体。那么这种燃料目前看国外预测2050年有可能成为商业化目标,主要是飞机和远洋货运要用这一种,因为他们是大型的,到2015年预计的交付成本是每升一美元,还是非常高的。

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所以我们需要对接可再生能源的能源动力组合,进行全链条的能效分析。如果是充电电动车,能效大约是77%。如果是氢燃料电池车大约是30%,因为我们制氢就只有六十多,燃料电池又六十多,这两个乘起来就是30%。而我们纯电动基本上没有这个过程,如果我们继续用电燃料搞能源的汽车是13%。我引用了一个壳牌公司的报告。总体看,如果电价相同,总体能效的差别就是成本差别,对可再生能源讲我们没有节能的问题,因为可再生能源是用之不绝的,也没有排放问题,但是有成本问题。所以充电电池能干好的事儿。一般来讲就不用燃料电池,但是还有充电电池干不好的事儿,是可以用燃料电池。

另外还有一个就是制氢用的电价,有没有可能比充电的电价更便宜呢?这是有可能的。所以这就是第三个变化就是系统智能化的新趋势。

三、系统智能化新趋势

基于可再生能源的智慧能源系统符合电源储能网络协同互动共同构成电力系统,电价不仅仅有发电成本决定,就是将来的可再生系统必须要储能的装置,我们必须还要提供基础负载的大型发电机组。

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从储能的功率和成熟时间看,电池是中小功率、短周期,可应用于光伏,对有些风电有十天没风这种情况,电池就不好解决,这个时候靠氢和氢的载体,氢是大规模、长周期的载体,所以电池储能和氢能两个必须组合才能构成一个总的储存方式,光靠电池是不行的。

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首先看电池储能技术。以锂离子电池为代表的动力电池是短周期分布式小规模可再生能源储能的最佳选择。2025年中国电池产能将达到年产10亿千瓦时,2030年中国电池产能在年产20亿千瓦时。电池成本将会持续下降。

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如果我们有1亿辆电动汽车,那么车上的电池是51度,储能潜力巨大,但同时我们要看到充电的功率巨大,但耗电量并不是很大。极端的情况下,如果3亿辆中国的乘用车全部改成电动轿车,每辆车平均65度电,车载储能的容量2百亿千瓦时,与我们中国每天消费的总电量是相当的。如果百分之十的电动车,按照50kW的中等速率同时充电,那么3亿辆车的充电总功率就是15亿千瓦,与全国电网总装机的功率相当。那么这是不可能的。那么按平均每辆轿车年行驶两万公里,这三亿辆车每天消费电量大约是21亿千瓦时,占我们总消费量的百分之十,这是完全可以接受的,所以现在的问题是充电功率太大,但是储能的潜力也很大。所以我们要利用储能潜力来抑制电网的波动。

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国家发改委能源研究所的预测图,北京2030年如果要500万辆电动车,电网负荷就非常的平。如果100万辆车没有电动车,那波动非常厉害,因为到2030年可再生能源比例就占比很大了达到百分之五十,这个电网无法稳定。所以电动车不是来捣乱的,是来帮忙的,但是想不捣乱帮忙,那就必须解决充电的问题。

所以我们要通过能源互联网共享储能一致可再生能源电力波动,同时要通过有序充电,智能充电解决充电功率大挑战。我们就需要搞车网互动充换电一体化等等一系列的技术创新。

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我个人认为,从原则上来讲,对于商业目的的乘用车与共享车、出租车来说,换电是一个不错的商业模式。换电的最佳应用场景是电动中重卡。这种中重卡采用充换电站一体化,就是轿车超级快充,中重卡快速换电,两个建设在一块,换电的电池给轿车放电,而不是从电网去充电。电网取电快充就会导致我刚才说的充电功率太大。所以最终的微网形态将是光储充换多能互补一体化的微网系统。

但最终还要加氢的东西,因为不管你怎么说光光伏是不行的,你要有个基础能源、得靠氢,现在卡车换电,已经在国内同步开展。我个人认为卡车换电从经济上来算完全可以算过来,现在在一些特殊场景,比方说煤矿、港口都已经做的很好,现在是要在高速公路推广。像这种换电三五分钟就可以完成,然后车电分离,电池租赁,电池有电子银行的持有,电池电子银行因为负债大,他更好的进行储能,能更好的拿到低的电价。我们现在电价都是电力市场是交易的,所以这种情况下它的电价可以更低,同时电池它大量的电池可以也可以压低电池价格,另外它全生命周期管理电池,可以使电池寿命增长、梯次利用各方面都好,那么现在关键是这个标准法规。现在我们轿车的标准法规换电,非常难进行。因为不同的品牌各家利益都不一样,品牌形象完全不一样,这有品牌的问题,但是卡车问题不大。

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电池和底盘将来一体化之后可以大量的减轻重量,并可以大量的省去零部件,结果显而易见可以进一步的降低重量。对私家车用车而言,基于我们车网融合大功率快充技术的发展前景和电池底盘一体化趋势,中长期更被看好的方式可能还是充电。平时在家或者单位慢充,而且还可以车网互动,现在国网正在试行这个车网互动,志愿者现在开始已经平衡了,也就是说最终的用电费用趋于零。也就是说买了电动车之后,你的使用费用会趋于零,因为你既可以充电又可以卖电,卖电高价充电低价,所以我们就看到这种前景。

但是高速公路长途这必须要有一个超级补电的。安全事故都是充电到百分之八十以上发现的。充满的时候,我们正极材料的结构稳定性最差,因为锂离子全都跑出去了。另外充满了之后,电池组的不一致性最不好。而且在充满的时候,我们内短路的情况最容易发生,但是在soc低于五十的时候这些情况都不会发生,所以这个时候采用补电,而不是充满。

那么2020年中电联公布的中日两国合作制定的大功率快充新标准超级充电。中电联预计2025年可以全面提供超级补电服务,这里指标是对一个六百公里的车五分钟充两百公里。也就是soc变化30%,千万别说一个两百公里的车五分钟充两百公里,这个做不到。除非它采用特殊负极的快充电池,如钛酸锂负极。

在充电的时候我们还要注意一个问题,就是强制冷却,因为快松时候发热很厉害。光靠电池车辆电池冷却系统不够,第三还在冬天低温条件下必须先加热再快充。我们必须要有个这个充电站的低温脉冲加热技术,这个做到每分钟八度,这些技术现在都在开发之中。我们在跟国网正在合作,准备在京沪高速公路等这些场景率先实施,那么我们马上会在冬奥会做一个示范项目。

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氢能是集中式可再生能源大规模长周期储存的最佳途径。

第一,能源利用的充分性,氢能大容量长周期储能模式,对可再生电力的利用更充分,有些电力这种短周期电池出不了,比方说四川的季节性的水电,电池就储不了,只有氢能能储的,因为它是季节性。所以在一些特殊场景氢能电价是有可能比充电的电价便宜的。

第二,规模储能的经济性,氢能比电池好,大概要低一个数量级,储电一度电再怎么说要六百块钱,现在用钢瓶储一吨氢五万度电,几十万就够了。

第三,与电网基础发电电源的互补性,就是说作为大容量长周期高功率灵活使用,也就是说可以用燃料电池发电或者用用这个燃气轮机发电,以氢做燃料,这是必须要的。现在德国实现的是双保险,所有的煤电技术还在,他不搞储能,它的电价非常贵,他的煤电降了之后不稳定。我们现在是靠储能把原先的降下去,但是不可能降到0、必须有基础的,这里氢是可以发挥作用的。

最后一个就是制储运氢的方式灵活,我们储氢是物质,储电是电子,这两种方式不一样。对长途输氢,光伏就是短距离就是我们的房子周围,我们为什么要储氢呢?从新疆内蒙宁夏这些地方的电输过来,是在那儿制氢输过来,还是先输过来电再制氢需要考虑经济性问题。现在我们超高压输送电是中国特色,绿氢输送通道跟特高压输送通道是重合的。那么我们绿氢已经是被电网视作零活人员,可在谷段令特高压长途输电,当地制氢,这也是一种方式。绿氢从那边运过来是不可能的,太贵了。我们做了几种比较,用气氢运输成本太高、根本是不行的;液氢还可以,但是还有就是长途管道;其实用特高压输电,在北京当地制氢,对电网的稳定性是一样的,这样一来就形成一个中国特色的长途输氢的方案,而且利用了我们已有的能源互联网。我们当可再生能源发电0.12元/kWh,超高压直流输送一千公里一度电八分钱,到了输的配电网成本反倒是贵,所以通过这个长途输电、用户处制氢,在加氢的加枪出口价格实现三十到四十元,比柴油具有竞争力。

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未来十年交通智慧能源生态的建设大概有两个组合,一个黄金组合就是分布式光伏加电池加电动汽车加物联网加区块链去管理,还有一个白银组合就是集中式的远距离的风电与光伏加氢能加燃料电池汽车加物联网加区块链。一个是分布式的智慧能源,一个是集中式智慧能源,我们将来一定是分布式+集中式。

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现在第三次能源革命,动力是电池,能源是可再生能源,能源载体是电和氢,交通工具是电动车辆。那么我们估计今后交通装备与能源化工相关产业将发生百年未有的大变局。所以让我们迎接第四次工业革命,也就是以可再生能源为基础的绿色化和以数字网络为基础的智能化。


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