欧阳明高：新能源汽车与新能源革命

编者按：2021年7月8日，以“碳中和与未来能源”为主题的“第三届未来能源大会”在北京召开，本次大会由中国能源研究会与中国能源网联合主办。会上，中国科学院院士、清华大学车辆与运载学院教授欧阳明高发表了“新能源汽车与新能源革命”的主旨演讲。

以下内容根据论坛演讲实录进行整理。

欧阳明高：非常荣幸再次来到未来能源大会，跟大家一块儿交流。

有一个副标题是：储能、氢能与智能，因为总是用新能源汽车、新能源革命，好像有点太泛了，三个问题。

一、碳中和与新能源革命

我们回顾一下历史，每次能源革命都是先发明了新动力装置和交通工具，然后带动能源资源的开发利用，并引发工业革命。刚才听了杜院士讲座很受启发，我们三次能源革命，三次能源革命跟三个文明是相对应的，第一次是柴火向煤炭，那个是农耕文明向工业文明。第二个是工业文明对应的。我们现在是向生态文明来进发。所以第三次工业革命向可再生能源革命的一个转型。

在这中间，我们刚才说了，一般都是动力革命在引发能源革命，所以这次的动力革命是跟新能源汽车密切相关的，也就是动力革命交通工具，这次是电池、电动车，这个大家都知道了，我就不说了。主要是纯电动和氢燃料电池两种最具革命性的。新能源汽车已经发展二十年，从2014年习主席发出号召之后，已经进入快速发展阶段，现在应该说已经不可逆转了。

另外一个革命就是碳中和与新能源革命，刚才周院士也讲了很多了，光伏风电会大幅增长，成本会大幅下降。2030、2060，现在风电光伏大家都有共识，是完全能够推广的，但是它有个瓶颈，就是储能，这个就得靠电池氢能电动汽车来解决，所以在新能源革命这五大支柱体系中间，其实我们氢气电池储能和电动汽车用能储能回馈能源，这都是非常重要的。

所以从储能的角度，从新能源革命角度，我们储能和新能源汽车共同的载体就是电和氢，石油那时候是柴油、汽油、煤油，现在就是电和氢。这就是一张储能的周期和储能的规模，我们把它划分一下，其实主要的是：一个是电池范畴，一个是氢能范畴，氢及其他的载体。这两个载体共同过程主流的动力类型和储能方式，从实现零碳经济，我们就需要在电气化和氢能的规模应用，电气化我就不再说了。再有一个革命，能源革命推动工业革命，第四次工业革命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，这两化就构成了我们第四次工业革命。新能源汽车引领了几大革命：第一个，电动车本身的革命。第二个，新能源本身的革命。第三个，智能化革命。所以现在车既是电动车辆，也是储能装置，也是智能终端，所以为什么所有手机厂商都进入汽车，因为它是最大的智能终端。这三大革命将会引发产业格局百年未有之大变局，100年前马车到汽车的变革以及石油行业的大繁荣一样，今后二三十年，交通装备与能源化工相关产业将发生百年未有之大变局。

下面分别展开，首先是纯电动与电池储能。

这是中国纯电动车动力电池技术创新历程，这是电池的量，现在车上大概都已经装了80度，60-100度之间，这是它的续航里程，现在普遍是500-600公里之间，正在向1000公里迈进，大概豪华车明后年就会出现1000多公里的电动车，成本也在大幅下降，现在普遍都降到每瓦是1块钱人民币以内，这跟十年前相比已经降了80%以上。在未来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存地最佳选择，现在统计，2025年中国电池产量将会超过10亿千瓦时，进入T瓦时代，现在大概有1亿，今后五年会涨10倍。

所以，成本也还会继续下降，我们估计像磷酸铁锂电池最终会降到0.3-0.4元，还会降低一半。所以下一步，我们对电池主要要在哪些技术，一个是安全，一个是便利，一个是智能，三方面下功夫。

首先看安全，高比能量锂离子动力电池的问题，无论是车还是储能，刚刚北京也有一个大型储能电站出事了，这是电站车，各种各样的，可能是各种各样的原因导致电池触发，形成所谓的热失控，在整个电池系统储能系统中蔓延，最后造成事故。这是我们在清华大学的电池安全实验室，全球唯一的主要完全做电池安全的实验室，我们在全球有很多合作伙伴，基本上主要的汽车厂和电子厂商跟我们都有合作。这是我们做的测试装置，这个测试装置可以对电池热失控的全过程进行分析。比方说温度什么时候上来的，什么时候电解液会喷出来，什么时候会燃烧等等。这是我们发现的高比能量动力电池热失控反应时序和反应新机理，我不详细介绍了，因为大家并不是做这一行的。

我们在此基础上，研发了高比能量动力电池热失控系统性抑制方法，所以我们现在可以完全保证它在单体电池设计层面是可以解决问题的。

另外，我们还要在使用过程中进行安全的监控，所以我们对整车厂开发了电池云控预警平台，基于运行数据，对故障进行高检出低误报。另外一个，一旦发生事故，我们还有一招，对整个电池包进行热管理，这是做整个电池包地试验，我们整个电池包试验研究它热蔓延的全过程，把它的机理搞清楚，在此基础上，我们就可以设置出完全不着火，最多只是冒烟，但是绝对不着火的电池包，这个是完全可以做到的。另外一个问题，方便性，大家对充电还是感觉不方便，我们对家用乘用车未来如何充电，我们认为最佳的方式是在家慢充为主体，高速公路快速补电，在家慢充，或者跟车网互动，可以获取收益，但是高速公路要快，超级补电。怎么实现超级补电和V2G，这是我们现在要做的工作。，

我们已经开发出无析锂安全快充技术，前提是快速补电，不是充满，只充5分钟200公里，而且电量下降到50%以后，因为应急补电一定是你的电量很少了才需要应急，如果电量很高是不需要应急的，在这个过程中我们还要解决制冷和加热的问题，为了实现这个，我们就必须开发智能电池，快充是容易出现安全事故的，怎么办?我们把传感器装到电池里去，尤其是对负极的电位进行观测，负极电位是影响快充安全的关键，所以我们开发新的负极电位传感器，可以支持30公里的实车运行，在这个基础上，我们可以标定快充的策略，让它既快又安全。这就是我们在这方面做的工作，现在这个东西已经开发出来了，我们正在跟中石化等等大型企业进行合作。

另外一个问题，350千瓦快充，充起来还是有问题的，我们实现不从电网取电而实现超级快充，这里有一个视频。我们现在轿车是快充，但卡车没办法快充，卡车现在都是快换，5分钟把它换掉，卡车的电池很多，在换电站有很多富余的电池，快充和快换一体化形成互补。

慢充怎么进行V2G，这就是智能。现在都是无序充电，导致电网负荷太大，受不了，正在进行的比方说广州、上海，已经开始了，因为充电负荷已经超过总负荷的20%，电网受不了，回家插上不一定充，由后台控制充电，当然，你可以通过App跟后台达成协议。这个有序充电可能移到后半夜充，移到电网负荷低的时候充，我们还有下一步，车里面的电池跟建筑里面的空调实时互动，建筑可以用电池的电，最后就是到车和网的互动，刚开始可能和微网互动，最后和大网互动。这就是我们车网互动可以实现的，比如削峰填谷，电网调频，虚拟惯量，我们都可以通过控制电池的储能系统来实现，现在已经有很多示范项目，我们在清华也在和国网合作进行这种示范。

这就是我们车和空调、光伏进行互动，最近董明珠刚刚宣布她们要搞空调发电，实际不是空调发电，是系统，空调是不可能发电的，发电的还是光伏，储能是车上的电池，空调肯定是用能装置，它是负荷时间进行互动，是这么一个系统，她认为是发电系统，这个是完全可以实现的。

我们可以预测一下新能源汽车的市场潜力，目前，中国前五个月，总销量已经突破汽车总销量的10%，新能源汽车已经占10%，保有量超过600万，下面还会持续增长，今年估计产量会超过200万，我们估计明年会400万，后年600万，现在就是到了快速增长的时候了。我们2030年预计会到8000万，2035年1.6亿，2040年3亿。如果我们到2040年3亿辆电动车，我们的储能潜力是多大呢?如果一辆车65度电，车载储能的容量就是大约200亿度电，这是什么概念?就是跟我们现在每天中国用电的总电量相当，就是这么大一个数。

所以，我们新能源电动汽车是规模最大，成本最低，安全性最好的分布式短周期储能系统，而且客户买了车之后可以挣钱，因为充电可以低价充，卖电可以高价卖，尤其当风电光伏占我们电力主体后，电价差价也会拉得很高，完全可以买到电动车之后，以电动车作为一个赚钱的工具，这是未来完全可以实现的，随着我们风电光伏比例增大。所以，用这个我们就可以大幅平衡我们电网的波动，而且这是分布式的，安全性很好，不像大的储能电站，因为电池越多安全性越差。另外，成本越低，我们不是专门建储能电站，电动车一车两用。

三、氢燃料电池车与氢能

这个问题相对来说比刚才的问题复杂一点，我讲慢一点。

氢能在新能源革命中占有战略地位，氢能的战略意义在于可再生能源转型中的大规模能量储存与多元化利用需求。氢能的载体是电和氢，以及氢的载体，比如甲醇、氨，这都是氢的载体，因为氢不好运输，它可能要变成其他的。

第二个，氢能是众多传统产业转型升级的理性选择，它的技术延续性好，它并不像刚才的电池完全颠覆，电厂也是新出的产业，光伏也是新出的产业，跟传统产业没什么关系，但氢能不是。另外，氢能的产业链长、产值高，吸收的就业人口多，应用覆盖面广，所以我们有氢能社会之称，产业链非常长。电池、光伏就业产业链短，就没那么多就业。氢能储能是新能源电力系统的核心技术，首先氢能交通会是我们的氢能利用的先导领域，并不是说最终交通是它的最大领域，不是，它只是先导领域，来带动氢能的全面发展。氢能是集中式可再生能源大规模长周期储存地最佳途径，首先，能源利用充分性，大容量长周期储能模式，我们现在短周期好办，有电池，但是长周期大规模，这是一个很大的问题，只有跨季节的水电、风电可以储存。另外，规模储能经济性，将来可再生能源全链条周期中储能成本是最高的，现在已经是这样，所以当储能是最大的成本环节的时候，储能的经济性就变得非常重要，尤其当可再生能源风电光伏在不断降低它的成本，但是储能相对来讲降低不如风电光伏那么快，这个时候储能的成本是很关键的一个因素，它比储电要低至少一个数量级，尤其是固定储能。另外，它和电池是互补的，尤其大容量长周期灵活能源可能还需要用氢能。同时，制运储方式灵活，可以用各种各样的方式。我们在张家口已经有一个风电发电厂，制氢厂，现在0.15元的风电完全可以让它的经济性凸显，我们现在在张家口有350辆燃料电池大客车。

这就是氢燃料电池系统，氢燃料电池发动机，从外围来看，和内燃机很像，从核心来看，跟我们的电池很像，这里不详细介绍了。它的正向过程是氢和氧结合生成水，发出电，产生热。这是中国燃料电池汽车研发与产业化进展，目前我们已经接近1万辆，100多个加氢站投入运营，还有近100个在建。从2015到2020年，我们的技术有大幅度跨越，所以中国燃料电池、车用燃料电池已经在产业化，大部分技术已经克服。我介绍几种产品，比如现在张家口运行的12米大公里耗氢5公斤，相当于16.5升柴油，比柴油车节能30%多，ramge700km，这是我们清华系列的企业易华通的产品。在零下30℃启动，尤其适合北方城市，因为北方城市冬季取暖耗能太大，低温取暖纯电动受不了，所以非常适合北方城市，但南方城市可能纯电动更有优势。另外一个，冷藏车会特别有优势，冷藏车一直要有低温的东西，所以耗能也是非常厉害的，现在北京有1万多辆这样的车。第三个是长途重型卡车，这是我们做1000公里液氢燃料电池重卡，这个已经形成产品了。最近我们正在做得是北京冬奥会的氢能示范，张家口和北京将运行2000辆燃料电池汽车，在冬奥会主场区都将是氢能燃料电池汽车，不会有其他的车。燃料电池在未来十年，系统成本将下降80%以上，与过去十年锂离子电池下降过程是相似的，这点大家是不用怀疑的。

但是我们也有一个问题，车载储氢是个问题，无论是技术还是成本，都不太理想，比如我们现在主流的高压气频，储氢的密度和成本都还不够理想，储氢密度大概100公斤5公斤氢，成本偏高，它的下降会比燃料电池发动机下降的幅度要小要慢，所以重载商用车车载的储氢密度和成本目前是不理想的，是我们当前的一个技术挑战，需要解决的。未来到2035年，这是中国氢能与燃料电池汽车的技术路线图，我们预计会达到100万辆，主要是商用车，轿车不会是燃料电池，这一点已经非常明确，全世界都认定轿车会是纯电动，现在证明燃料电池轿车没法竞争过纯电动轿车。当前我们看氢能产业链发展存在的问题，清洁能源制氢，氢的能源化利用还只是处于起步阶段，比如绿氢，全球还不到1%。

所以我们首先要发展绿氢制氢产业，这个就要靠电解水制氢，其实电解水制氢就是刚才燃料电池的绿过程，你有电有水就会产生氢气和氧气，绿氢需求量巨大，所以电解水制氢将是又一个最值得重视的发展领域，如果没有电解水就没有绿氢，在可见的未来，电解水制氢还是一个主流的形势，其他的，在二三十年内，不太可能，甚至我们认为电解水制氢产业可能会比燃料电池产业更大。所以我们现在也面向近中远期在开展三种电解水制氢技术的研发，我们认为氢燃料电池先导到了进入带动整个氢能产业链全面发展的时候了。从三种电解技术比较来看，固体氧化物是最好的，质子膜和碱性是差不多的，这都是低热值的效率，现在国内他们说更高的一般说的是高热值效率，比如达到80%，那是按照高热值算的。另外一个是投资成本和规模，目前看，我们近期可以大规模的还是碱性电解槽，而且中国具有产业链优势，可以为全球提供低成本的系统，现在我们正在和壳牌合作，研究碱性电解槽系统，然后出口到欧洲。

从未来来看，绿氢生产的经济前景，从国际可再生能源制氢成本预测可以看到，现在低成本的光伏风电已经可以跟化石能源制氢基本相当，但平均来看，还需要相当长的时间进入。所以我们现在需要用内蒙古、新疆这些地区的低成本光伏和风电来制氢是有经济性的，比如我们在张家口已经验证这一点。

关于储运技术，刚才周院士也讲了。我们第一个中国特色的是特高压输电线路，1000公里以上靠什么?先输电再制氢，比如从新疆过来，先输到北京附近，制氢，再输送到北京，因为新疆没有水，从这个可以看出，它的成本是比较低的。另外一个就是液氨，液氨是最近全球，包括日本，包括国际能源署，重点推荐的一种氢的载体，因为液氨很容易分解出氢，而且分解的能耗很低，另外，液氨的质量储氢密度和体积储氢密度都是最高的，体积储氢密度一个立方米120公斤氢，我们就是把氢液化，一个立方米也只能储50公斤氢，也就是说，我们用液氨从体积上来看，比液氢还要高一倍的氢含量，我们从质量储氢密度来看，70兆帕的储氢5%，100公斤只能储5公斤氢，而它100公斤可以储17.8公斤氢。同时，我们化肥都是用氨做的，所以在中国产业基础非常好，技术非常成熟，运输跟LPG是一样的，它的物理特性底下可以看出这三种的比较，液化氢等等，我们也可以和甲醇比较，总体看，液氨能效最高，使用经验成熟，基础设施最完善，综合成本最低。这也是IEA发布的报告中间给出来的例子。

氢能载体液化氨可以进行全产业链和技术链的应用，工业催化合成氨，这个大概是几十年前德国人发明的，现在已经非常成熟，工业催化合成氨的效率是比较高的，比如天然气制氨，天然气到氢的能耗占了80%，只有20%用于合成氨，如果氨再分解出氢气，只需要13%的合成氨，效率是比较高的。另外，氨可以直接发电，也可以跟煤电厂的燃烧锅炉进行混烧，现在日本在推广20%和30%的混烧，他们认为这是成本最低的一种做法，另外，氨的合成是从大气中取氮，不是取二氧化碳，二氧化碳浓度太低，氨的浓度很高，相对来说比较简单。而从长期看，我们除了现在的工业催化，下一步还有电催化合成氨，现在也是一个新的，而甲醇合成，原先有工艺，但是没有新的电化学合成工艺。

这是关于氨的问题，我就讲这么多。

面向碳中和角度来看，氢能载体发展前景是非常广阔的，这是总的氢和氢载体，这是IEA今年5月份发布的报告，氨或者合成燃料，所以到2050年将会有5亿吨氢和氢的合成燃料。所以在用于我们各个方面，不光是汽车了，工业、船舶、远洋、道路、建筑、发电、储能等等。

最后结束语。面向2030、2060年的低碳发展目标和能源革命重大战略，新能源汽车与新能源革命将突飞猛进，产业格局将发展百年未有之大变局。新能源汽车与新能源革命的共性核心是储能、氢能与智能，新能源汽车的规模推广将有力破解新能源革命的瓶颈。锂离子电池实现了相持领域的重大突破，其科技创新、产品性能、应用领域和产业规模正处于爆发性增长期。现在中国有多少人在研究电池呢?我估计的规模是百万之重，氢能是实现全球碳中和的战略性能源载体。但是绿色氢能技术经济性还不能完全满足市场需求，氢能燃料电池交通将是氢能应用的先导，催生氢能产业的起飞，让我们共同努力，人类的共同发展。