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TECHNICAL ARTICLES前言:必須在大背景下看氫能,定位氫能。氫能是未來在可再生能源背景下的兩個(gè)主要能源載體之一,另一個(gè)是電能。當(dāng)然,筆者認(rèn)為電能還是能源主體,氫能不可能超過電能。現(xiàn)在有人談氫能,往往把氫能和石油、天然氣、煤炭并列,筆者認(rèn)為這種談法不妥,因?yàn)闅淠苤皇且粋€(gè)能源載體,屬于二次能源,不是一次能源。在這個(gè)前提下,氫燃料電池目前的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)是什么?
發(fā)展新能源和新能源汽車是大勢所趨
從能源的交通發(fā)展趨勢看,電動(dòng)化、低碳化、智能化是大勢所趨。
1.電動(dòng)化是動(dòng)力革命
電動(dòng)化是動(dòng)力革命,但不是能源源頭革命。油電混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、氫能燃料電池汽車都屬于電動(dòng)化。動(dòng)力革命目前正在推進(jìn),而且技術(shù)逐步趨于成熟。比如,近10年內(nèi)純電動(dòng)汽車鋰離子電池性能提高2倍以上、成本降低80%以上,這就是一場電池革命。中國抓住了這個(gè)機(jī)遇,如果沒有電池革命,新能源汽車不可能像現(xiàn)在這樣得到大規(guī)模推廣。如今,北京道路上行駛的車輛有20%都是純電動(dòng)汽車。再如,氫燃料電池技術(shù)尤其是車用質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù),也取得了革命性的突破和進(jìn)展,業(yè)內(nèi)比較熟悉的就是豐田的燃料電池技術(shù)。預(yù)計(jì)在今后五年左右,燃料電池技術(shù)基本趨于成熟。此外,油電混合動(dòng)力技術(shù)也不容忽視,它將在市場上占據(jù)重要位置,未來燃油車會(huì)以混合動(dòng)力的形式在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)展。
以上三種車孰優(yōu)孰劣,現(xiàn)在還不好下結(jié)論。從效率角度看,這三種車相差不多;從全生命周期效率來看,也很難一較高下。有人認(rèn)為氫燃料電池效率高,那是基于以天然氣為能源源頭計(jì)算得出,如果將天然氣換成汽柴油則并非如此。以上三種電動(dòng)化所相配的能源,也就是燃料,都有各自的jia組合,能夠達(dá)到差不多的效果,所以很難對比,這就需要借助第二“化”,即能源低碳化進(jìn)行更好地對比。
2.動(dòng)力和能源相結(jié)合能實(shí)現(xiàn)能源低碳化
低碳化,就是要減排二氧化碳,這就不得不提到風(fēng)能、太陽能等可再生能源,尤其是光伏的發(fā)展。現(xiàn)在光伏效率基本已突破20%,下一代技術(shù)是朝30%進(jìn)軍,而且發(fā)電成本和煤電不相上下。光伏既包括集中式光伏,也包括分布式光伏,現(xiàn)在分布式光伏發(fā)展更快。中國是世界光伏大國,集中了70%的產(chǎn)能。可以說,在可再生能源發(fā)展方面,中國處于世界前列。選擇低碳發(fā)展道路,是中國政府向*的承諾,習(xí)提出能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命的戰(zhàn)略思想,其中重要一點(diǎn)就是能源低碳化。如果把動(dòng)力電動(dòng)化與能源低碳化結(jié)合,就能使不同種類車輛比出高低。因?yàn)橹挥写钆淇稍偕茉?,才有可能?shí)現(xiàn)真正的低碳或者近零碳排放。
在這個(gè)前提下可以發(fā)現(xiàn),鋰離子電池、燃料電池搭配可再生能源的時(shí)候優(yōu)勢凸顯。其中,純電動(dòng)汽車更適合分布式可再生能源,筆者認(rèn)為,鋰離子儲(chǔ)能電池和分布式光伏是搭配,未來發(fā)展空間廣闊。
關(guān)于集中式可再生能源,我國很多可再生能源基地都建在內(nèi)蒙古、青海一帶,也包括張家口。之所以在這些地區(qū)建設(shè)可再生能源基地,是因?yàn)橄啾葨|部地區(qū),這些地區(qū)光照時(shí)間長、發(fā)電時(shí)間長、成本更低,此外還有能量輸送等原因。對于這些可再生能源集中式基地,用鋰離子電池儲(chǔ)存并不是jia選擇,相比之下,將其變成氫氣是認(rèn)同的主要的可再生能源儲(chǔ)存手段。
所以,可再生能源和鋰離子電池、氫燃料電池相結(jié)合有兩種途徑:分布式儲(chǔ)能需要鋰離子電池和純電動(dòng)汽車;集中式、長周期、大規(guī)模的儲(chǔ)能,需要?dú)淠芗叭剂想姵亍?/span>由此,汽車動(dòng)力和能源緊密配合,從而實(shí)現(xiàn)能源低碳化,這也是發(fā)展新能源汽車的原因。
3.智能化將整合能源、交通、信息
智能化是一場更大、更廣泛的革命,人工智能、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等席卷,影響各行各業(yè)。對于汽車行業(yè)來說,自動(dòng)駕駛、工業(yè)4.0、智慧能源、能源互聯(lián)網(wǎng)等都與之相關(guān)。對于分布式光伏和電動(dòng)汽車,hao的前景就是形成移動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)。如今,手機(jī)已成為移動(dòng)信息互聯(lián)網(wǎng),將來汽車會(huì)變成下一個(gè)巨大終端。近華為開始進(jìn)入汽車領(lǐng)域,一方面是5G的發(fā)展將支撐起智能汽車網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,另一方面是智能手機(jī)所有的應(yīng)用都可以在汽車上使用,而且汽車是一個(gè)有更多零部件、更大產(chǎn)值、更綜合的系統(tǒng)。所以,將來的汽車有可能屬于ICT(信息和通信技術(shù))行業(yè),因?yàn)镮CT變成了汽車的核心。
電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化是汽車行業(yè)正在流行的“新四化”,但網(wǎng)聯(lián)化和共享化只強(qiáng)調(diào)了信息革命,沒有強(qiáng)調(diào)能源革命。如果所有的電動(dòng)汽車只要停駛就能接到智能電網(wǎng)或者由微網(wǎng)組成的能源互聯(lián)網(wǎng)上,那么儲(chǔ)能規(guī)模將無比巨大。2030年之后,新能源汽車保有量或?qū)⒊^1億輛,車載電池總能量將超過60億度,這是一個(gè)巨大的數(shù)字。
通過智能化,可以把能源、交通、信息整合,也就是說,未來社會(huì)將是綠色、低碳、智能化的社會(huì),整個(gè)經(jīng)濟(jì)也將轉(zhuǎn)型升級,所以要在這個(gè)大背景下談氫能燃料電池。或許有人認(rèn)為這個(gè)設(shè)想太遙遠(yuǎn),但我國近正在啟動(dòng)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》的編制工作,按筆者的判斷,到2035年,包括混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電動(dòng)汽車在內(nèi)的車輛將成為主體,占比在90%以上,能源低碳化和智能化(如具有各種自動(dòng)駕駛功能的汽車)也將成為主體。根據(jù)國家發(fā)改委公布的能源規(guī)劃,到2030年,我國非化石能源裝機(jī)量將達(dá)到50%;2035年將占裝機(jī)量主體。筆者認(rèn)為,到2035年非化石能源發(fā)電量也會(huì)達(dá)到50%,這是一個(gè)宏偉目標(biāo),但并非遙不可及。
氫能燃料電池發(fā)展面臨多重機(jī)遇和挑戰(zhàn)
因此,必須在大背景下看氫能,定位氫能。氫能是未來在可再生能源背景下的兩個(gè)主要能源載體之一,另一個(gè)是電能。當(dāng)然,筆者認(rèn)為電能還是能源主體,氫能不可能超過電能。現(xiàn)在有人談氫能,往往把氫能和石油、天然氣、煤炭并列,筆者認(rèn)為這種談法不妥,因?yàn)闅淠苤皇且粋€(gè)能源載體,屬于二次能源,不是一次能源。在這個(gè)前提下,氫燃料電池目前的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)是什么?
1.從更廣闊的視野看氫能燃料電池的應(yīng)用
目前,我國正在修訂氫能燃料電池汽車路線圖,2016年曾發(fā)布版,當(dāng)時(shí)提出力爭到2030年,氫能燃料電池汽車總保有量達(dá)到100萬輛、加氫站1000座。有人認(rèn)為,在目前的氫能熱潮下,這個(gè)數(shù)字定低了,筆者不這么認(rèn)為。如果僅僅從車輛上看,可能到2030年應(yīng)用更多的是商用車,對于商用車來說,100萬輛已經(jīng)是一個(gè)龐大的數(shù)字。至于轎車,氫能燃料電池要想在短期內(nèi)全部取代純電動(dòng)轎車也不太可能,所以應(yīng)該從更廣闊的視野來看待氫能燃料電池。
看待氫能,不能僅僅從車輛的角度看,更不能僅僅從轎車角度看,而應(yīng)從能源角度、從新能源角度、從可再生能源發(fā)展角度看待其更廣闊的應(yīng)用。筆者認(rèn)為,鋰離子電池動(dòng)力系統(tǒng)更多的是替代汽油機(jī),氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)更多的是替代柴油機(jī)。除了汽車之外,輪船、飛機(jī)、潛艇、火車、作業(yè)機(jī)械等都會(huì)采用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng),應(yīng)用范圍很廣。
2.氫的儲(chǔ)運(yùn)是大挑戰(zhàn)
關(guān)于氫能,我國現(xiàn)在面臨的主要挑戰(zhàn)并不是燃料電池,因?yàn)榧夹g(shù)終將成熟;氫源問題也不大,目前經(jīng)濟(jì)可行的氫源可以來自1000億度的棄風(fēng)、棄光、棄水,還有800萬噸的副產(chǎn)氫。筆者認(rèn)為,挑戰(zhàn)在于氫的儲(chǔ)運(yùn),包括車載儲(chǔ)存和車下的儲(chǔ)運(yùn),找到經(jīng)濟(jì)、、可行的儲(chǔ)運(yùn)模式,是發(fā)展的關(guān)鍵。目前,我國的氫能科技滯后于燃料電池,現(xiàn)在使用的氫能工藝基本都是50年前甚至100年前發(fā)明的,新的氫能科技還沒有*成為主流的、大規(guī)模推廣的應(yīng)用技術(shù)。雖然我國有很多新的基礎(chǔ)研究成果,如光催化制氫等,但還需進(jìn)一步工程化、實(shí)用化、商業(yè)化。
目前*的車載儲(chǔ)運(yùn)主流技術(shù)是從燃料電池轎車發(fā)展中優(yōu)選出來的高壓氣氫,就是70兆帕四型高壓儲(chǔ)氫瓶。相對于三型瓶,四型瓶成本可以下降30%,而且的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)都圍繞這個(gè)方向制定,但中國在這方面還沒有成熟產(chǎn)品和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。從中長期看,面向2030年,尤其是針對長途商用車,我國要發(fā)展液態(tài)儲(chǔ)氫或者中壓深冷氣氫。
至于車下的儲(chǔ)運(yùn),現(xiàn)在有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種。目前還沒有合適的主流固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)技術(shù);液態(tài)即氫液化是面向2030年我們要發(fā)展的,但近期很難大規(guī)模依賴;眼下主流的是氣態(tài),問題在于儲(chǔ)氫密度偏低,我國現(xiàn)在采用的是20兆帕儲(chǔ)氫瓶,國外已經(jīng)發(fā)展50兆帕、100兆帕儲(chǔ)氫瓶,尤其是100兆帕儲(chǔ)氫瓶到加氫站可直接往70兆帕氫瓶加注,但國內(nèi)還不具備這一技術(shù),因?yàn)樗鼘?biāo)準(zhǔn)、安全等各方面提出了很高要求。之所以我國遲遲沒有頒布四型瓶的標(biāo)準(zhǔn),一是沒有成熟產(chǎn)品,二是對安全的檢測評估還不到位。在這方面,我國需要開放創(chuàng)新,整合資源,建立中國相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈,這樣才有可能解決我國氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的一個(gè)中間瓶頸。
以點(diǎn)帶面整合資源打造氫能示范基地
目前,張家口作為中國惟一的可再生能源*區(qū),是我國發(fā)展氫能燃料電池的重要地區(qū),在鋰離子電池儲(chǔ)能、光伏等方面都有發(fā)展優(yōu)勢。之所以選擇張家口為氫能燃料電池示范推廣基地,一是因?yàn)閺埣铱谑?022年冬奧會(huì)舉辦地之一,我國將在冬奧會(huì)期間加速應(yīng)用燃料電池客車,這是樹立張家口氫能與可再生能源品牌的良機(jī);二是北方地區(qū)冬季溫度低,更適合推廣燃料電池汽車,供暖也可用燃料電池廢熱;三是考慮產(chǎn)業(yè)鏈整合和科技資源的整合。氫能燃料電池發(fā)展需要?dú)淠芸萍嫉耐黄?,需要法?guī)標(biāo)準(zhǔn)的支撐以及復(fù)雜的檢測手段,這些都離不開大規(guī)模的設(shè)備投入,張家口提供了一個(gè)良好的測試、研究、制定國家標(biāo)準(zhǔn)的基地。從國家角度看,需要有這樣的基地,氫能如果遍地開花,很容易出事。當(dāng)前國內(nèi)三型瓶的壽命和充放氫的循環(huán)次數(shù)7500~12000次不等,高壓容器檢測很復(fù)雜,必須進(jìn)行生產(chǎn)一致性評價(jià)。
此外,我們也希望把儲(chǔ)能電池測試、光伏測試、風(fēng)機(jī)測試等放在一起研究。這是借鑒了美國的做法,如美國有一個(gè)可再生能源與國家檢測基地,涵蓋了所有的相關(guān)內(nèi)容,因?yàn)橄嗷ブg需要耦合,如電動(dòng)汽車、鋰離子電池、光伏本身就構(gòu)成一個(gè)大系統(tǒng)。就像特斯拉,既銷售電動(dòng)汽車,也出售房頂?shù)墓夥?、鋰離子儲(chǔ)能墻、超級充電樁,這些都是成套的,所以我們要把試驗(yàn)基地合起來建設(shè)。
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