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歐陽明高:新能源汽車與氫能燃料電池——怎么看、怎么干?

2019-06-12 來源:中國客車網

  氫能,全球能源可持續發展轉型的主要路徑之一;張家口,全國唯一的國家級可再生能源示范區,具有發展氫能產業得天獨厚的資源優勢。2019年6月12日,氫能張家口建設規劃發布會暨UNDP授牌儀式、氫能產業項目簽約活動在京舉行。發布會期間,中科院院士、張家口氫能與可再生能源研究院首席科學家歐陽明高發表演講,以下為演講內容實錄:

中科院院士、張家口氫能與可再生能源研究院首席科學家歐陽明高

  尊敬的回書記,各位來賓,大家上午好!非常高興參加氫能張家口建設規劃發布會暨UNDP授牌儀式氫能產業項目簽約會,這是我很少參加的項目簽約會和發布會,非常榮幸。

  大家都知道,最近氫能非常熱,我想從大的背景和我的研究經歷談三點看法:第一點,為什么我們要搞新能源汽車和新能源。第二點,介紹一下我們清華團隊在這方面的工作。第三點,也是最重要的一點,我們為什么選擇張家口來做氫能燃料電池。

  第一點,對新能源汽車和新能源發展的總體看法。

  從全球看,為什么要搞新能源汽車和新能源?很多人還是不理解的,甚至是有不同看法的。借此機會我想解釋一下我們為什么要搞新能源汽車和新能源。

  從能源的交通發展趨勢看,全球有三個趨勢:第一個,電動化;第二個,低碳化;第三個,智能化。從電動化的角度,大家知道,我們有油電混合動力電動汽車、純電動汽車、氫能燃料電池電動汽車,三種都屬于電動化。

  電動化是動力的革命,還不是能源源頭的革命。動力電動化革命應該說目前發展是很不錯的,而且技術在逐步趨于成熟,比如純電動車鋰離子電池應該說是百年來電池技術的革命,因為他在十年內性能提高2倍以上、成本降低80%以上,這就是一場革命。我們中國是抓住了這個機遇,如果沒有這個電池的革命,我們今天的新能源汽車不可能是這樣大規模推廣。大家現在看外面,在北京20%的車都已經是純電動汽車了。

  另外一個很重要的,當然就是氫能燃料電池,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。大家很熟悉的當然就是豐田的燃料電池技術,我相信在今后五年左右,燃料電池技術基本上會趨于成熟。

  還有一種就是油電混合動力,我們也是不能忽視的,也將會在市場上占據重要位置,也不是說燃油車馬上就沒有了,他會以混合動力的形式在相當長的時間內持續發展下去。

  從動力革命來講,我們說三種誰好誰不好?真的還不好找太多理由出來,因為從效率的角度,這三種車都差不多,如果從全生命周期效率來講,混合動力汽車的效率、燃料電池汽車的效率和純電動汽車的效率,其實很難分出高下。有時候會說氫能燃料電池效率最高,那是基于以天然氣為能源源頭,這樣算下來它的效率就是高的。但是如果我們換一種,如果我們把天然氣換成汽柴油肯定就不是了。所以實際這三種電動化所相配的能源,也就是燃料,都有找到自己的最佳組合,都能夠最后達到一個相互之間基本差不多的效果,所以我們是很難比出來的。

  要想把它比出來我們就要談到第二化,那就是能源低碳化。所謂低碳化的趨勢,就是要減排二氧化碳,二氧化碳減排的角度我們就不得不提到可再生能源,就是我們風能、太陽能等,尤其是光伏的發展,應該說是一場革命。大家知道,現在光伏效率基本上都突破20%,下一代技術是朝30%進軍,發電的成本也與煤電不相上下了。光伏不僅僅是集中式光伏,還可以是分布式光伏,現在分布式光伏其實發展的速度比集中式光伏要來得更快。我們中國是光伏的世界第一大國,70%的產能都在中國,這是中國的優勢。所以,可再生能源中國發展在全球處于一個很前列的位置。在低碳化方面,中國政府向全世界承諾,中國選擇低碳發展道路,所以總書記專門提出了能源生產與消費革命的戰略思想,我想其中很重要的一點就是要能源的低碳化。如果我們把動力電動化與能源低碳化結合的話,那我們就能比出高低。因為只有配可再生能源,你才有可能實現真正的低碳或者近零碳排放。

  在這個前提下我們就能發現,鋰離子電池、燃料電池配可再生能源的時候優勢凸顯。這中間,純電動汽車可能是更適合分布式可再生能源,尤其是我們鋰離子儲能電池跟分布式光伏,我個人認為是一個絕佳的搭配,在未來發展的空間非常大。

  另外一塊,就是集中式可再生能源,比如說現在青海,可再生能源已經可以提供全青海的發電量。我們很多可再生能源基地都建在內蒙、青海這一帶,包括我們張家口,這一帶為什么適合建它呢?因為它光照時間長,相比我們東面來講,它發電時間長、成本更低,當然有輸送的問題。對于這些可再生能源集中式基地,我們要用鋰離子電池來儲存并不是一個最佳選擇,相比之下,把它變成氫氣是一個全球認同的主要的可再生能源儲存手段,雖然有很多儲能手段,但是相比之下氫能是各方面比較具有優勢的。

  所以,可再生能源跟鋰離子電池和氫能燃料電池相結合有兩種途徑:分布式的儲能我們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,我們需要氫能及燃料電池。所以這樣我們汽車動力跟能源就連成了一個緊密的配合,可以實現我們的能源低碳化,這是關于低碳化的趨勢,這是為什么我們要搞新能源汽車。

  還有一個現在非常熱的趨勢就是智能化,智能化其實一個更大的革命、更廣泛的一場革命,大家知道人工智能、大數據、互聯網等等,是席卷全球的,各行各業都會。跟我們相關的,比如說自動駕駛,比如工業4.0,當然也包括我們的智慧能源、能源互聯網等等。如果我們再聯系到我們的車,將來對于分布式的光伏和電動汽車,最好的前景就是會形成所謂的移動能源互聯網。我們現在手機是一個移動的信息互聯網,將來我們的汽車也變成下一個巨大的終端,跟手機是完全一樣的,大家知道最近華為要進入汽車領域,一個方面是5G的發展給智能汽車提高網絡基礎設施支撐,另外一方面是智能手機所有的東西都會在汽車上全方位使用,而且汽車是一個零部件更多、產值更大、更加綜合的系統。所以將來的汽車有可能就屬于ICT行業了,因為ICT變成了汽車的核心。所以全球汽車行業正在流行所謂未來出行“新四化”電動化、智能化、網聯化、共享化,但其中的網聯化和共享化目前只強調了信息革命,沒有強調能源革命。如果我們的所有的電動轎車只要停下來都接到智能電網或者由微網組成的能源互聯網上的話,那么我們儲能的規模將是無比巨大的,2030年之后,我們整個新能源汽車保有量要超過1億輛,車載電池總的能量將會超過60億度,這是很大的一個數字。

  所以,通過智能化,能把我們的能源、交通、信息全方位的整合,也就是未來我們的社會將會是綠色、低碳、智能化的社會,整個經濟將會全方位的轉型升級。我們要在這個大背景下來談我們的氫能燃料電池。大家會說這個很遠,實際我們最近正在做《新能源汽車2035規劃》,按我個人對“2035”基本的判斷,“2035”包括我們混合動力汽車、純電動汽車、燃料電動汽車在內基本上會占到絕對的主體,90%以上,當然包含了油電混合。我們的智能化,比如說我們具有各種自動駕駛功能的汽車,也將會是全方位的。當然也包括我們能源的低碳化,也會是占到主體。因為國家發改委公布的能源規劃,到2030年,我們非化石能源裝機就會到達50%,2035年將占裝機量主體。2030裝機量達到50%,但是發電量不會,我想2035發電量也會到50%,這是一個宏偉目標,但不是遙不可及的目標。

  我們必須在這個大背景下看氫能,在這個大背景下定位我們的氫能,氫能是什么呢?氫能就是未來在可再生能源背景下的兩個主要能源載體之一,一個是電,一個就是氫,當然我相信電一定還是主體,氫不可能超過電。現在我們談氫能,有時會把把氫能跟石油、天然氣、煤炭放在一塊,我覺得不是這樣,因為氫能只是一個能源的載體,是二次能源,不是一次能源。

  這個前提下,我們來看氫燃料電池目前發展我們的機遇和挑戰是什么。我剛才說了,在大背景下我們能看到氫能的機遇,我最近正在主持做氫能燃料電池汽車的路線圖,我們2016年已經發布了第一版,也是我主持的。我們提出力爭2030年氫能燃料電池汽車的總保有量達到100萬,加氫站1000座,這是2016年,在當前的氫能熱潮下這個數字是不是太低了?我認為這個不算低。 但是,氫能不能僅僅從車的角度看,更不能僅僅從轎車的角度看,如果我們僅僅從轎車的角度來看氫能,這個故事是很難講圓的。我們必須從能源的角度,從新能源的角度,從可再生能源發展的角度,來看待氫能,來看待它更廣闊的應用,不僅僅是車,尤其不僅僅是轎車,在車里頭可能更多的是商用車,大家想想商用車100萬輛是非常大的。我個人判斷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。因此除了汽車之外,我們還有其他的,輪船、飛機、潛艇、火車等等都是需要的,當然還有發電,還有作業機械,所以它的范圍是很廣的,我們不能聚焦在轎車上,以為這個馬上就會把純電動轎車全部取代,我認為這是不大可能的,我們應該從更廣闊的視野來看待氫能燃料電池。

  關于氫能,我們現在遇到的挑戰是什么呢?燃料電池我剛才說了,問題不大,技術將會成熟。氫源我認為問題也不大,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,氫源沒有問題。那么挑戰在哪里?在氫的儲運,包括車載儲存和車下的儲運。找一個經濟、高效、可行的儲運模式,這是我們目前的關鍵。最近我們搞氫能燃料電池汽車路線圖,我們內部開了很多研討會,就是專家層面也是很糾結。我們很多專家說氫看上去什么都好,是的,乍一看氫真的什么都好。但是氫能,你去做氫氣的時候就會遇到很多問題,因為它太輕了,技術的難度是比較大的。我們的氫能科技應該說目前是滯后于燃料電池的,我們現在使用的氫能工藝基本上都是50年至100年以前發明的,新的氫能科技,還沒有完全能夠成為我們主流的大規模推廣的應用技術。當然我們有很多新的基礎研究成果,比方剛才說我們光催化制氫等,但是還需要進一步的工程化、實用化、商業化。

  目前車載儲運主流技術是國外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,這是全球公認的主流車載儲氫技術。四型瓶相對三型瓶來講成本可以下降30%,而且全球的標準法規都圍繞這個方向制定了,但是,中國目前沒有這方面的成熟產品和相關標準法規。中長期看,面向2030年,尤其是針對長途商用車我們要發展液態儲氫或者中壓深冷氣氫。至于車下的儲運,現在有固態的、液態的、氣態的三種。固態的不談了,目前沒有找到主流的固態儲運技術。液態,氫液化,是我們要發展的,但是近期我們可能還很難大規模的依賴,這是我們要發展的,面向2030年我們要發展的。

  我們近期主流的還是氣態,氣態的問題是,儲氫密度偏低,我們現在采用的是20兆帕的儲氫瓶,國外已經發展了50兆帕、100兆帕,尤其是100兆帕,100兆帕的儲氫瓶到加氫站直接就可以往70兆帕氫瓶加注。但是這個技術目前國內還不具備,因為這對標準、安全方方面面提出了很高要求。為什么國家遲遲不給四型瓶的頒布標準?第一,我們沒有成熟產品,第二,對安全的檢測評估還不到位。我們在這方面需要開放創新、整合全球資源,建立中國相關產業鏈,這樣才有可能解決我們氫能全產業鏈的一個中間瓶頸,這是關于氫能的。

  第二點,關于清華大學我的團隊做的工作,我們基本上在剛才說的理念之下做幾件事情。比如說,對于純電動汽車,有什么問題呢?只有一個問題,就是電池的安全性,其他的問題基本上都解決了或者很快會解決。我們擔心的續駛里程、充電都不是太大問題。我們現在急需解決的,就是高比能量鋰離子電池的安全性,我不是說所有電池都不安全,是電池比能量越高對安全要求、技術的要求越高。我們做磷酸鐵鋰電池很安全,鈦酸鋰電池也很安全,但是你做到三元811,比能量做到300瓦時/公斤,這個時候安全的技術要求就很高了,所以我們需要把這個技術攻破。我在這里說安全,不是說純電池因為安全就搞不下去了,絕對不是,一切的問題都需要科技來解決,我們在全方位的做這個事情。我們建立了清華大學電池安全實驗室,我的學生大概70%以上的人都在做電池安全性相關的研究,我們希望通過三五年的努力能夠從技術上基本解決這個問題,

  另外一塊混合動力,主要是電控技術,所以我們有很大一方面是做內燃機混合動力的電控系統。

  第三方面,就是我們氫能燃料電池。氫能燃料電池我們也做了接近二十年,大家知道今年豐田剛剛跟我們成立了豐田-清華氫能燃料電池研究中心,應該說豐田現在對我們是非常開放的,我們跟他的聯合實驗室,他的實驗室數據是可以直接給我們的,我們做建模,他直接給我們數據,這是前所未有的開放。當然這些主要是偏基礎前沿的研究工作。至于技術創新方面,目前我們清華團隊的氫燃料電池系統研究跟億華通,當然包括上海神力因為也是億華通體系的,包括新成立的膜電極公司,是緊密結合在一起的。因為氫燃料電池,如果只是學生在學校做研發是很難的,跟動力電池不一樣。對鋰離子電池,我叫學生獨立做研究是可以了,因為實驗相對簡單、實驗數據可靠,燃料電池則不然,燃料電池里頭涉及的參數太多,你要把一個試驗數據做可靠,就需要全方位的設備,非常多的相關服務人員配合,所以我們這塊跟億華通公司是密不可分的。在產業化應用方面,一個重點就放在張家口。講到這兒我就要講講張家口,因為氫能這件事把我們跟張家口聯系起來,其實是我們培育的企業先去了張家口,在那兒建了發動機廠、建了制氫廠,然后我們再去的。

  為什么選擇張家口?我想有這么幾個原因。第一個,張家口是中國唯一的可再生能源國家示范區,這是唯一的。剛才前面我講了,為什么要搞氫能?是因為新能源、是因為可再生能源,所以我必須在可再生能源的大背景下來考慮氫能燃料電池,所以我們肯定要選擇張家口,因為是唯一的示范區。而且我剛才說到的,我說鋰離子電池儲能,還有光伏,都是張家口的強項,而且我急需把鋰離子電池、燃料電池包括我現在已經開始的光伏,集成起來,張家口是最好的,我相信大家會認同。

  另外,張家口是氫能燃料電池示范推廣的絕佳基地。第一,大家知道冬奧會,我們圍繞冬奧會正在聯合豐田、北汽福田,將要做2000多輛燃料電池大客車。大家知道前段時間網上已經發出來一張照片,在燃料電池發動機上同時打了億華通和豐田兩個標,這是我們跟豐田合作的一個大項目。為什么冬奧會這么重要?因為冬奧會是樹立張家口氫能與可再生能源品牌的一個絕佳的機會,可再生能源和氫能不能局限在中國,必須站在全球的視野來考慮,而冬奧會提供了絕佳的機遇,這也是為什么我們去。第二,還有一個優勢,這是北方地區,冬季溫度低。大家知道我們現在純電動汽車東北是很少的,為什么?因為鋰離子電池遇到低溫是有短板的,電池性能下降同時供暖耗能高。為什么不跑到南方去搞氫能燃料電池呢?因為在那個地方氫能燃料電池跟純電動競爭的時候,溫度適宜鋰離子電池,二三十度是鋰離子電池非常好的使用工況。所以我們選擇了張家口,是通過這個,就是說在燃料電池推廣的初期可能是冷的地方相比純電動更有競爭優勢,供暖用燃料電池廢熱就可以了。

  另外一個角度,產業鏈整合和科技資源的整合方面。科技資源,我剛剛說了氫能燃料電池還需要氫能科技的突破,還需要制定法規標準,還需要有復雜的檢測。氫能燃料電池包括燃料電池本身,以及氫瓶等等,這都需要非常復雜的檢測,這需要很大規模的設備投入,還有氫的供應等等。所以張家口提供了一個非常好的測試、研究、制定國家標準的基地,而且離北京近,馬上張家口通完高鐵之后,一個小時到張家口,北京跟張家口全方位聯系,我們可以把整個氫能相關的科技資源集中到張家口。如果在北京搞一個氫燃料電池檢測中心,那氫源就是問題,所以我們選擇張家口一個原因就是,科技資源的整合,全球科技資源的整合。我們其實有一個小小的野心,是要在那兒建國家的研究、測試、評價、示范綜合平臺。因為從國家角度來看,需要,沒有這樣的基地氫能如果遍地開花,很容易出事。我們現在的氫瓶,國內的三型瓶的壽命,充氫、放氫的循環次數,7500次—12000次不等,怎么用?大家知道高壓容器檢測很復雜的,我們必須進行生產一次性評價。當然,我們也希望把儲能電池的測試、光伏的測試、風機的測試等等放到一塊,為什么這么做呢?我們學習了美國的做法,美國有一個可再生能源與國家檢測基地,他是把所有東西都放在里面了,因為相互之間是要耦合的。比如電動車,鋰離子電池、光伏本身就構成大系統。大家知道現在特斯拉,他既賣電動車,也賣房頂的光伏、也賣鋰離子的儲能墻、再賣一個超級充電樁,是成套的,我們要把試驗基地合起來建。

  還有一個,氫能燃料電池產業鏈的整合。當然這方面工作主要不是我的團隊做,我們還有清華工業研究院,他們專門成立了一個基金,在整合全球的氫能燃料電池產業鏈,比如我剛剛說的儲氫瓶,這是他們正在促成的事情,因為我們需要全球資源的整合,氫能是要全球共同努力的,我們的目標是希望以張家口為一個點,在國內以點帶面,在全球打響氫能張家口的品牌。

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