欧阳明高：新能源汽车与氢能燃料电池——怎么看、怎么干？

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2019年6月12日,氢能张家口建设规划发布会暨UNDP授牌仪式氢能产业项目签约会顺利举行。会上中国科学院院士、张家口氢能与可再生能源研究院首席科学家欧阳明高发表了主题演讲,以下为演讲实录。

尊敬的回书记,各位来宾,大家上午好!非常高兴参加氢能张家口建设规划发布会暨UNDP授牌仪式氢能产业项目签约会,这是我很少参加的项目签约会和发布会,非常荣幸。

大家都知道,最近氢能非常热,我想从大的背景和我的研究经历谈三点看法:第一点,为什么我们要搞新能源汽车和新能源。第二点,介绍一下我们清华团队在这方面的工作。第三点,也是最重要的一点,我们为什么选择张家口来做氢能燃料电池。

第一点,对新能源汽车和新能源发展的总体看法。

从全球看,为什么要搞新能源汽车和新能源?很多人还是不理解的,甚至是有不同看法的。借此机会我想解释一下我们为什么要搞新能源汽车和新能源。

从能源的交通发展趋势看,全球有三个趋势:第一个,电动化;第二个,低碳化;第三个,智能化。从电动化的角度,大家知道,我们有油电混合动力电动汽车、纯电动汽车、氢能燃料电池电动汽车,三种都属于电动化。

电动化是动力的革命,还不是能源源头的革命。动力电动化革命应该说目前发展是很不错的,而且技术在逐步趋于成熟,比如纯电动车锂离子电池应该说是百年来电池技术的革命,因为他在十年内性能提高2倍以上、成本降低80%以上,这就是一场革命。我们中国是抓住了这个机遇,如果没有这个电池的革命,我们今天的新能源汽车不可能是这样大规模推广。大家现在看外面,在北京20%的车都已经是纯电动汽车了。

另外一个很重要的,当然就是氢能燃料电池,燃料电池技术尤其是车用质子交换膜燃料电池技术,也取得了革命性的突破和进展。大家很熟悉的当然就是丰田的燃料电池技术,我相信在今后五年左右,燃料电池技术基本上会趋于成熟。

还有一种就是油电混合动力,我们也是不能忽视的,也将会在市场上占据重要位置,也不是说燃油车马上就没有了,他会以混合动力的形式在相当长的时间内持续发展下去。

从动力革命来讲,我们说三种谁好谁不好?真的还不好找太多理由出来,因为从效率的角度,这三种车都差不多,如果从全生命周期效率来讲,混合动力汽车的效率、燃料电池汽车的效率和纯电动汽车的效率,其实很难分出高下。有时候会说氢能燃料电池效率最高,那是基于以天然气为能源源头,这样算下来它的效率就是高的。但是如果我们换一种,如果我们把天然气换成汽柴油肯定就不是了。所以实际这三种电动化所相配的能源,也就是燃料,都有找到自己的最佳组合,都能够最后达到一个相互之间基本差不多的效果,所以我们是很难比出来的。

要想把它比出来我们就要谈到第二化,那就是能源低碳化。所谓低碳化的趋势,就是要减排二氧化碳,二氧化碳减排的角度我们就不得不提到可再生能源,就是我们风能、太阳能等,尤其是光伏的发展,应该说是一场革命。大家知道,现在光伏效率基本上都突破20%,下一代技术是朝30%进军,发电的成本也与煤电不相上下了。光伏不仅仅是集中式光伏,还可以是分布式光伏,现在分布式光伏其实发展的速度比集中式光伏要来得更快。我们中国是光伏的世界第一大国,70%的产能都在中国,这是中国的优势。所以,可再生能源中国发展在全球处于一个很前列的位置。在低碳化方面,中国政府向全世界承诺,中国选择低碳发展道路,所以总书记专门提出了能源生产与消费革命的战略思想,我想其中很重要的一点就是要能源的低碳化。如果我们把动力电动化与能源低碳化结合的话,那我们就能比出高低。因为只有配可再生能源,你才有可能实现真正的低碳或者近零碳排放。

在这个前提下我们就能发现,锂离子电池、燃料电池配可再生能源的时候优势凸显。这中间,纯电动汽车可能是更适合分布式可再生能源,尤其是我们锂离子储能电池跟分布式光伏,我个人认为是一个绝佳的搭配,在未来发展的空间非常大。

另外一块,就是集中式可再生能源,比如说现在青海,可再生能源已经可以提供全青海的发电量。我们很多可再生能源基地都建在内蒙、青海这一带,包括我们张家口,这一带为什么适合建它呢?因为它光照时间长,相比我们东面来讲,它发电时间长、成本更低,当然有输送的问题。对于这些可再生能源集中式基地,我们要用锂离子电池来储存并不是一个最佳选择,相比之下,把它变成氢气是一个全球认同的主要的可再生能源储存手段,虽然有很多储能手段,但是相比之下氢能是各方面比较具有优势的。

所以,可再生能源跟锂离子电池和氢能燃料电池相结合有两种途径:分布式的储能我们需要锂离子电池和纯电动汽车;集中式、长周期、大规模的储能,我们需要氢能及燃料电池。所以这样我们汽车动力跟能源就连成了一个紧密的配合,可以实现我们的能源低碳化,这是关于低碳化的趋势,这是为什么我们要搞新能源汽车。

还有一个现在非常热的趋势就是智能化,智能化其实一个更大的革命、更广泛的一场革命,大家知道人工智能、大数据、互联网等等,是席卷全球的,各行各业都会。跟我们相关的,比如说自动驾驶,比如工业4.0,当然也包括我们的智慧能源、能源互联网等等。如果我们再联系到我们的车,将来对于分布式的光伏和电动汽车,最好的前景就是会形成所谓的移动能源互联网。我们现在手机是一个移动的信息互联网,将来我们的汽车也变成下一个巨大的终端,跟手机是完全一样的,大家知道最近华为要进入汽车领域,一个方面是5G的发展给智能汽车提高网络基础设施支撑,另外一方面是智能手机所有的东西都会在汽车上全方位使用,而且汽车是一个零部件更多、产值更大、更加综合的系统。所以将来的汽车有可能就属于ICT行业了,因为ICT变成了汽车的核心。所以全球汽车行业正在流行所谓未来出行“新四化”电动化、智能化、网联化、共享化,但其中的网联化和共享化目前只强调了信息革命,没有强调能源革命。如果我们的所有的电动轿车只要停下来都接到智能电网或者由微网组成的能源互联网上的话,那么我们储能的规模将是无比巨大的,2030年之后,我们整个新能源汽车保有量要超过1亿辆,车载电池总的能量将会超过60亿度,这是很大的一个数字。

所以,通过智能化,能把我们的能源、交通、信息全方位的整合,也就是未来我们的社会将会是绿色、低碳、智能化的社会,整个经济将会全方位的转型升级。我们要在这个大背景下来谈我们的氢能燃料电池。大家会说这个很远,实际我们最近正在做《新能源汽车2035规划》,按我个人对“2035”基本的判断,“2035”包括我们混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电动汽车在内基本上会占到绝对的主体,90%以上,当然包含了油电混合。我们的智能化,比如说我们具有各种自动驾驶功能的汽车,也将会是全方位的。当然也包括我们能源的低碳化,也会是占到主体。因为国家发改委公布的能源规划,到2030年,我们非化石能源装机就会到达50%,2035年将占装机量主体。2030装机量达到50%,但是发电量不会,我想2035发电量也会到50%,这是一个宏伟目标,但不是遥不可及的目标。

我们必须在这个大背景下看氢能,在这个大背景下定位我们的氢能,氢能是什么呢?氢能就是未来在可再生能源背景下的两个主要能源载体之一,一个是电,一个就是氢,当然我相信电一定还是主体,氢不可能超过电。现在我们谈氢能,有时会把把氢能跟石油、天然气、煤炭放在一块,我觉得不是这样,因为氢能只是一个能源的载体,是二次能源,不是一次能源。

这个前提下,我们来看氢燃料电池目前发展我们的机遇和挑战是什么。我刚才说了,在大背景下我们能看到氢能的机遇,我最近正在主持做氢能燃料电池汽车的路线图,我们2016年已经发布了第一版,也是我主持的。我们提出力争2030年氢能燃料电池汽车的总保有量达到100万,加氢站1000座,这是2016年,在当前的氢能热潮下这个数字是不是太低了?我认为这个不算低。但是,氢能不能仅仅从车的角度看,更不能仅仅从轿车的角度看,如果我们仅仅从轿车的角度来看氢能,这个故事是很难讲圆的。我们必须从能源的角度,从新能源的角度,从可再生能源发展的角度,来看待氢能,来看待它更广阔的应用,不仅仅是车,尤其不仅仅是轿车,在车里头可能更多的是商用车,大家想想商用车100万辆是非常大的。我个人判断锂离子电池动力系统更多的是替代汽油机,氢燃料电池动力系统更多的是替代柴油机。因此除了汽车之外,我们还有其他的,轮船、飞机、潜艇、火车等等都是需要的,当然还有发电,还有作业机械,所以它的范围是很广的,我们不能聚焦在轿车上,以为这个马上就会把纯电动轿车全部取代,我认为这是不大可能的,我们应该从更广阔的视野来看待氢能燃料电池。

关于氢能,我们现在遇到的挑战是什么呢?燃料电池我刚才说了,问题不大,技术将会成熟。氢源我认为问题也不大,目前经济可行的氢源可以来自1000亿度的弃风弃光弃水,还有800万吨的副产氢,氢源没有问题。那么挑战在哪里?在氢的储运,包括车载储存和车下的储运。找一个经济、高效、可行的储运模式,这是我们目前的关键。最近我们搞氢能燃料电池汽车路线图,我们内部开了很多研讨会,就是专家层面也是很纠结。我们很多专家说氢看上去什么都好,是的,乍一看氢真的什么都好。但是氢能,你去做氢气的时候就会遇到很多问题,因为它太轻了,技术的难度是比较大的。我们的氢能科技应该说目前是滞后于燃料电池的,我们现在使用的氢能工艺基本上都是50年至100年以前发明的,新的氢能科技,还没有完全能够成为我们主流的大规模推广的应用技术。当然我们有很多新的基础研究成果,比方刚才说我们光催化制氢等,但是还需要进一步的工程化、实用化、商业化。

目前车载储运主流技术是国外从燃料电池轿车发展中优选出来的高压气氢,就是70兆帕四型高压储氢瓶,这是全球公认的主流车载储氢技术。四型瓶相对三型瓶来讲成本可以下降30%,而且全球的标准法规都围绕这个方向制定了,但是,中国目前没有这方面的成熟产品和相关标准法规。中长期看,面向2030年,尤其是针对长途商用车我们要发展液态储氢或者中压深冷气氢。至于车下的储运,现在有固态的、液态的、气态的三种。固态的不谈了,目前没有找到主流的固态储运技术。液态,氢液化,是我们要发展的,但是近期我们可能还很难大规模的依赖,这是我们要发展的,面向2030年我们要发展的。

我们近期主流的还是气态,气态的问题是,储氢密度偏低,我们现在采用的是20兆帕的储氢瓶,国外已经发展了50兆帕、100兆帕,尤其是100兆帕,100兆帕的储氢瓶到加氢站直接就可以往70兆帕氢瓶加注。但是这个技术目前国内还不具备,因为这对标准、安全方方面面提出了很高要求。为什么国家迟迟不给四型瓶的颁布标准?第一,我们没有成熟产品,第二,对安全的检测评估还不到位。我们在这方面需要开放创新、整合全球资源,建立中国相关产业链,这样才有可能解决我们氢能全产业链的一个中间瓶颈,这是关于氢能的。

第二点,关于清华大学我的团队做的工作,我们基本上在刚才说的理念之下做几件事情。比如说,对于纯电动汽车,有什么问题呢?只有一个问题,就是电池的安全性,其他的问题基本上都解决了或者很快会解决。我们担心的续驶里程、充电都不是太大问题。我们现在急需解决的,就是高比能量锂离子电池的安全性,我不是说所有电池都不安全,是电池比能量越高对安全要求、技术的要求越高。我们做磷酸铁锂电池很安全,钛酸锂电池也很安全,但是你做到三元811,比能量做到300瓦时/公斤,这个时候安全的技术要求就很高了,所以我们需要把这个技术攻破。我在这里说安全,不是说纯电池因为安全就搞不下去了,绝对不是,一切的问题都需要科技来解决,我们在全方位的做这个事情。我们建立了清华大学电池安全实验室,我的学生大概70%以上的人都在做电池安全性相关的研究,我们希望通过三五年的努力能够从技术上基本解决这个问题,

另外一块混合动力,主要是电控技术,所以我们有很大一方面是做内燃机混合动力的电控系统。

第三方面,就是我们氢能燃料电池。氢能燃料电池我们也做了接近二十年,大家知道今年丰田刚刚跟我们成立了丰田-清华氢能燃料电池研究中心,应该说丰田现在对我们是非常开放的,我们跟他的联合实验室,他的实验室数据是可以直接给我们的,我们做建模,他直接给我们数据,这是前所未有的开放。当然这些主要是偏基础前沿的研究工作。至于技术创新方面,目前我们清华团队的氢燃料电池系统研究跟亿华通,当然包括上海神力因为也是亿华通体系的,包括新成立的膜电极公司,是紧密结合在一起的。因为氢燃料电池,如果只是学生在学校做研发是很难的,跟动力电池不一样。对锂离子电池,我叫学生独立做研究是可以了,因为实验相对简单、实验数据可靠,燃料电池则不然,燃料电池里头涉及的参数太多,你要把一个试验数据做可靠,就需要全方位的设备,非常多的相关服务人员配合,所以我们这块跟亿华通公司是密不可分的。在产业化应用方面,一个重点就放在张家口。讲到这儿我就要讲讲张家口,因为氢能这件事把我们跟张家口联系起来,其实是我们培育的企业先去了张家口,在那儿建了发动机厂、建了制氢厂,然后我们再去的。

为什么选择张家口?我想有这么几个原因。第一个,张家口是中国唯一的可再生能源国家示范区,这是唯一的。刚才前面我讲了,为什么要搞氢能?是因为新能源、是因为可再生能源,所以我必须在可再生能源的大背景下来考虑氢能燃料电池,所以我们肯定要选择张家口,因为是唯一的示范区。而且我刚才说到的,我说锂离子电池储能,还有光伏,都是张家口的强项,而且我急需把锂离子电池、燃料电池包括我现在已经开始的光伏,集成起来,张家口是最好的,我相信大家会认同。

另外,张家口是氢能燃料电池示范推广的绝佳基地。第一,大家知道冬奥会,我们围绕冬奥会正在联合丰田、北汽福田,将要做2000多辆燃料电池大客车。大家知道前段时间网上已经发出来一张照片,在燃料电池发动机上同时打了亿华通和丰田两个标,这是我们跟丰田合作的一个大项目。为什么冬奥会这么重要?因为冬奥会是树立张家口氢能与可再生能源品牌的一个绝佳的机会,可再生能源和氢能不能局限在中国,必须站在全球的视野来考虑,而冬奥会提供了绝佳的机遇,这也是为什么我们去。第二,还有一个优势,这是北方地区,冬季温度低。大家知道我们现在纯电动汽车东北是很少的,为什么?因为锂离子电池遇到低温是有短板的,电池性能下降同时供暖耗能高。为什么不跑到南方去搞氢能燃料电池呢?因为在那个地方氢能燃料电池跟纯电动竞争的时候,温度适宜锂离子电池,二三十度是锂离子电池非常好的使用工况。所以我们选择了张家口,是通过这个,就是说在燃料电池推广的初期可能是冷的地方相比纯电动更有竞争优势,供暖用燃料电池废热就可以了。

另外一个角度,产业链整合和科技资源的整合方面。科技资源,我刚刚说了氢能燃料电池还需要氢能科技的突破,还需要制定法规标准,还需要有复杂的检测。氢能燃料电池包括燃料电池本身,以及氢瓶等等,这都需要非常复杂的检测,这需要很大规模的设备投入,还有氢的供应等等。所以张家口提供了一个非常好的测试、研究、制定国家标准的基地,而且离北京近,马上张家口通完高铁之后,一个小时到张家口,北京跟张家口全方位联系,我们可以把整个氢能相关的科技资源集中到张家口。如果在北京搞一个氢燃料电池检测中心,那氢源就是问题,所以我们选择张家口一个原因就是,科技资源的整合,全球科技资源的整合。我们其实有一个小小的野心,是要在那儿建国家的研究、测试、评价、示范综合平台。因为从国家角度来看,需要,没有这样的基地氢能如果遍地开花,很容易出事。我们现在的氢瓶,国内的三型瓶的寿命,充氢、放氢的循环次数,7500次—12000次不等,怎么用?大家知道高压容器检测很复杂的,我们必须进行生产一次性评价。当然,我们也希望把储能电池的测试、光伏的测试、风机的测试等等放到一块,为什么这么做呢?我们学习了美国的做法,美国有一个可再生能源与国家检测基地,他是把所有东西都放在里面了,因为相互之间是要耦合的。比如电动车,锂离子电池、光伏本身就构成大系统。大家知道现在特斯拉,他既卖电动车,也卖房顶的光伏、也卖锂离子的储能墙、再卖一个超级充电桩,是成套的,我们要把试验基地合起来建。

还有一个,氢能燃料电池产业链的整合。当然这方面工作主要不是我的团队做,我们还有清华工业研究院,他们专门成立了一个基金,在整合全球的氢能燃料电池产业链,比如我刚刚说的储氢瓶,这是他们正在促成的事情,因为我们需要全球资源的整合,氢能是要全球共同努力的,我们的目标是希望以张家口为一个点,在国内以点带面,在全球打响氢能张家口的品牌。

谢谢各位!