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黄其励:可再生能源与新能源汽车应携手共进

黄其励 中国工程院院士

图 | 黄其励 中国工程院院士

2020年1月10-12日,新能源汽车产业年度盛会——中国电动汽车百人会论坛(2020)将在钓鱼台国宾馆举办。会前,百人会组织了系列嘉宾交流活动,中国工程院院士黄其励先生接受了媒体采访。黄院士将在百人会论坛(2020)中围绕电动汽车能源技术及应用趋势发表演讲。下面是他的访谈。

能源转型与新能源汽车发展相辅相成

新能源汽车发展和电力发展密不可分、互相依存,电动汽车规模化发展将促进新能源消纳,以新能源替代传统化石能源的能源转型又将进一步支撑电动汽车发展。过去,电力发展主要根据负荷的需求装机。现在要根据我国可再生能源的禀赋和积极消纳,制定能源转型的目标和实施路径,确保不弃风、不弃光的发展新能源来保证电力转型发展。

首先新能源汽车发展和规划有关。2016年,我国弃风、弃光100亿千瓦时,所以调整了光电、风电的发展布局,可是我们不仅要关注风、光电力,还要关注风、光能源。搞文学的有这么一句话,一个人不可能两次趟过同一条河,就是再次过河就不是原来的水了,能量浪费了。

将来电动车要大发展,煤电还要减少,就要大量规划发展可再生能源,包括“三北”地区集中的风场、太阳能和东部地区分散的太阳能、海上风电。根据电动车发展需要来制定电力发展规划,这个电力规划不仅是电力装机规划,还有储能等灵活电源的规划。国外发达国家在快速发展时期,储能等灵活电源的比重要占总装机容量的10%以上,我们国家才2-3%左右。电动车需要充电,同时又可放电,是“双向”负荷,所以要充分考虑经济发展、社会用电量、新能源电力的发展和电动汽车的发展,进行综合规划。

第二,新能源汽车发展和配电网关系。电动车大部分都在城区小区,是中低电压的配电网。过去,这个配电网管电灯、电视、冰箱、洗衣机、电饭煲就够了,现在还要管迅速发展起来的电动汽车。很多小区,特别是老小区,电力线路比较老,将来要根据电动车布局多少来规划当地的配电网发展,缺了就补,薄弱的就补,新建小区一步到位。整体而言,私人乘用车为主的电动汽车充电集中在电网末端,充电负荷问题需要结合配电网规划统筹考虑。

第三,新能源汽车发展和电力市场有关。电动车和很多市场都有关系,“双向”负荷也好,整个社会的共融共同发展也好,都和市场规律有关系。电动汽车既是用电设备、也是储电设备、还是交通设备,它的多属性注定了它像一条纲绳,纲举目张,它的发展带动很多事情适应它,不跟它发展配合肯定要出毛病。

电动汽车应该使用清洁的电

从宏观来说,国家经济从高速度增长转向高质量增长,能源转型是一个很大的题目,归纳起来有三个关键:一是一次能源清洁化。就是尽量少用煤炭、多用可再生能源。二是二次能源电气化。就是尽量多用电、少用其他能源。三是全民节能。电动车在三个环节中占据着拉手的地位,发展电动车跟三个环节都有关系,1+1大于2,既有利于能源清洁化、又有利于二次能源的电气化、还有利于全民的节能化。

现在,我们国家煤电环保做得非常好,除二氧化碳以外,在粉尘、二氧化硫、氧化氮处理方面都是世界上最干净的,标准分别是10、30、50毫克/立方米。今后的重点工作是解决二氧化碳问题。但即使我们用的是世界上最干净的煤电,还是要少烧煤。因为煤是大自然几亿年形成的,属于全人类,不仅仅属于我们这代人,我们没有理由把化石能源用光让子孙后代埋怨我们。我们可以让煤炭发挥更多的用处,但是不能用光了,所以节煤是主要的。

高效也是要解决的问题,我们国家的发电效率还存在高低不等问题,最好的达到每发一度电用256克标准煤,还有发一度电用300多克煤的。再就是煤电灵活性的发展。煤电要给可再生能源保驾护航,可再生能源发电需要有光、有风,发出的电是波动的,和用户的需求不一致。用户需要电的时候可能没风了、没光了,所以风光电波动时需要煤电支撑。因此煤电的灵活性是今后一段时期内的发展方向。

我一直的观点是电动车应该使用清洁电,而不是去用已经很干净的煤电,煤电再怎么干净还是有排放的,还有二氧化碳排放。能源供应干净,电动车又没有排放,所以整个过程也干净了。

我们国家以煤电为主,到现在为止,虽然煤的装机量减少了很多,但是还在60%以上,而煤的发电量占得更多,理论上达5500小时,现在减到5000小时、4000小时,但是还比风电、光伏多,风电是2000小时,光伏1900小时,我说的是平均数。

怎么保证电动车用的电是清洁电呢?这要靠电网解决。举例说明,现在大家都在淘宝、京东上买东西,网上有好几百种产品,你选择其中一种,选中以后通过它的运输系统送到需求地给你。供电侧也是一个道理,有煤电、水电、核电,都混在一起,像一个水库混在一起,经过运输系统——电网送到业务需求侧就是一种产品。去年,华北用车联网平台向甘肃购买光伏扶贫电力,通过电网送到北京用于电动汽车充电。大概使用了7000万千瓦时,数量不多,但是从无到有、从零到一,这个技术一突破,往下推广就容易了,今年准备逐渐在全国各地推广。

电动车电力要用新能源的清洁电,不能把目标集中在使用洁净煤电上,因为煤电是要减少的、新能源汽车是增加的。随着新能源汽车的发展,新能源电力也在同步发展,新能源电力发展比新能源汽车快多了,我们在装机量上,风电、太阳能都是世界第一了,将来还要大发展。

截止到去年11月,我国新能源汽车385万辆,这个数占全国汽车2.6亿辆保有量的比例很小,所以还要发展,以风电、太阳能为代表的可再生能源也要更快地发展。

我国陆地和近海的风资源可以装机42亿千瓦,2018年底风电装机1.84亿千瓦;太阳能资源量可以装55亿千瓦左右,2018年底装了1.74亿千瓦,发展潜力都很大。所以新能源电力的来源大家不用愁,在可能情况下放开膀子发展电动车,动力不会有问题。

应该给电动汽车更宽容的环境

2019年,电动车发生了很多安全问题,对这些问题大家都很关注,但我们看统计数字,电动汽车发生事故的比例并不比燃油车高。从理论上讲,能量越密集、能量越集中,危险性越大。以这种观点看,电池的能量密度现在约200瓦时/千克,而汽油的能量密度可能比它高两个数量级。从某种意义上说,油箱里面装满汽油之后比电池还危险。但为什么大家更关注电动汽车的安全事故呢?因为它是个新生事物,大家的关注一方面有利于它的进步、有利于电动汽车的发展,另一方面,还应该给它宽容的环境让它发展。

鼓励充换电方式多元发展

充电、换电方式有各自的优势,应根据具体应用场景采用最经济可靠、满足要求的充换电方式,鼓励多元发展。我参观过一个巴士换电站,6分钟用机械手把电池抽出来换进去,所以我初期很支持换电。后来我向很多人请教这个问题。我发现换电方式有些问题没有解决:

第一,换电接头要反复插拔,假设一天两天拔一次、充一次,一年插拔100多次,接口可能松动,产生接触电阻,从而可能发热、产生火花,这个问题需要解决。

第二,现在电池规格太多,充电站、换电站怎么准备,怎么换?汽油有97、95、93号的,车到哪儿都可以加油,电池统一规格问题没解决。

第三,电池的新旧程度问题没解决。怎么判断你这是新电池、他那是旧电池,或者旧电池换一个新电池。我曾经向汽车制造公司的老总提过建议:电池归车企,不要用户买,让用户租,一年给你多少租金,你保证用户电池用。车企老总对我的建议没有反应,就是不支持,因为他也不是搞电池的,电池是第三方的,这个事谁来负责呢?如果我这个建议能行的话,电池的规格一样,电池由汽车厂家或者电池厂家负责,用户租电池,很多问题也许能够解决。

我坐出租车时了解过充电换电模式,从技术上讲,目前换电肯定比充电快。如果将来大功率充电实现,把充电时间缩短,也许情况会发生变化。大家应该像赛跑一样,你超过我了我再把你超过去,现在看换电快,但是大功率充电可能更快,如果无线充电也可以了,就没有充电问题了。有苗不愁长,小孩不愁长大,只要能保证安全,满足各种各类车主的需求,经济、合适,那就是成功,因此,我不排斥各种充换电方式。

要考虑电池寿命终了后的循环再利用

电动汽车还有一个问题,电池到寿命终点了怎么办?这个问题是必须想的问题,任何事情包括人都有生老病死,如核电发展快一个世纪了,但核废物资源化处理问题还在攻关中。家电到寿命了能一扔了之吗?不能。家电里有很多银、铜等贵金属,我参观过一家台湾公司,回收所有家电的重金属,建厂两年以后就自负盈亏然后盈利。这是一个概念,废物可以回收。

第二,循环经济。铅酸电池现在百分之百回收了,电动车的锂电池现在也开始回收了。国家去年发布了两份文件,一个是《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》,一个是《新能源汽车动力蓄电池回收利用溯源管理暂行规定》。锂,还有钴、镍、锰,都是贵金属,都需要回收,符合条件的先开展梯次利用,实在不能实物利用的可资源化,这都是可以做到的。

过去,每个火力发电厂都要修灰库,储存20年的粉煤灰,到处修灰库,成为污染源了,现在灰库已经越来越少了,粉煤灰利用起来了。如果电动车的开头用了新能源的电,末尾又解决了电池循环利用问题,不会对社会产生不利影响,全生命周期就没有问题了。

燃油车肯定要转型

燃料电池汽车还属于培育期,电动车属于成长期,油车属于转型期。我认为在现在的认识水平上,这样定义三种车型比较合理。氢经济在国际上兴起是最近的事,但要从两方面看:第一,从交通工具来看,汽车是烧油的,纯电动车是烧电的,氢燃料电池车是烧氢的。三种车有不同的能源来源,三种车总的来讲市场很大,可以发挥自己的特长,谁有本事谁就发挥,谁能够做到技术攻关、做到经济合理就冲上前去,事先规定一个路线是可以的,但是就看大家的创新能力和最后取得的效果。

可以预想的是,油车肯定要转型,因为我们国家石油的对外依存度72%,这是2018年底的情况,72%的油从哪儿来?从天天打仗的中东国家来,要经过马六甲海峡。日本的国家小,没有能源,它的“油断”是危险的最高级,当油断的时候,这个国家只能生存一个月。

所以我们未来能靠它吗?不可能的。油也是几亿年形成的,我们这辈子用完是不应该的,每当发现一个新油田的时候,一般人很高兴,我心情很复杂,对今天是高兴,对未来是不高兴,把子孙后代的油用光了就不高兴。所以油车必须转型,要减少油耗,还要减少污染。

将来还可以有其他的发展方式,飞机都可以用太阳能飞一两个月,汽车怎么不行?如果车身所有地方都做成柔性太阳能发电,汽车就是个发电设备,走到哪儿发电到哪儿。

当前,电动车还处于发展阶段,理论上没有什么缺点,但是有很多需要解决的问题。我们就是为了解决问题存在的,电动车要在发展中提高、创新中发展。如何提高续航能力?如何解决发生火灾和爆炸的问题?还有用户使用方便的问题都要解决。我了解有些用户手里有20多个充电APP,到这儿充电用一个APP、到那儿充电用一个APP,哪有这么用的?管理不加强能行吗?

氢能产业不应一哄而上

氢的问题看起来挺简单。用电解水制氢、氢给燃料电池、燃料电池发电驱动车,从水来又回到水,好像什么污染都没有。但是怎么制氢呢?我国人均水资源排世界第84位,属于贫水国家,能用水制氢吗?用海水制氢,腐蚀怎么办?氢制完怎么办?我国花很大力气建西气东输,曾经有一种说法,西气东输管道里可以掺10%—10%几的氢气,但送到目的地怎么分离呢?分离不开怎么叫氢气?氢气怎么储存?

光靠加压储存,有压力就是个炸弹,一个大瓶子放在汽车后面就是隐患。用金属储存氢气,要有很多的金属载体,把它放到车上又加重了汽车的负担,增加了耗氢量。所以,燃料电池汽车是很有希望、很有前途的一种运输方式,但现在还处于攻关期、成长期,现在有大概2000多辆氢燃料车试点,要把制氢、输氢、储氢这些问题解决,试点是可以的,一定别一哄而上,还是要稳扎稳打。

矿产资源不可再生 但可以循环利用

化石能源和矿产资源都是不可再生的,但是是可以循环利用的。以二氧化碳为例,烧煤产生二氧化碳,但是二氧化碳可不可以循环利用呢?现在人们在研究人工光合,二氧化碳在太阳光照射下、在某种催化剂的作用下可以把碳和氧之间的化学链打断,把它再生循环为可利用的燃料。当前还只是在实验室里做,没有应用。我举这个例子是想说明,对不可再生的物质,第一要节约使用、第二要循环使用、第三是梯级使用。

循环使用就是能够回收再利用。比如飞机翅膀到寿命期了怎么办?现在青海大学和美国波音公司合作,利用太阳能光热技术回收航空航天飞机中碳纤维材料。钴也是一样的道理,首先必须有,当到报废的时候回收再利用。现在我们认为三元的钴、镍、锰是很好的电池,很好但不一定是最好,在技术进步下还会有新东西来替代它,不然人类社会就不能前进了。

因此我们不能简单地用钴存量多少、每辆车用多少钴、可以用于多少电池,来决定电动车发展多少辆。将来肯定还有密度更大、效率更高的电池产生。门捷列夫发明的元素周期表有一百多位元素呢,我们用的不多。

用泛在电力物联网将电网和车联网连接起来

建国70年来,我国电网发展成世界最大、最强、也是最安全的物理网,再往前怎么发展?就是和信息技术结合起来。

泛在电力物联网中“泛在”的意思是无所不在,或者说有人的地方都有在,包括边寨山村。2015年,青海最后一个村子--果茫村通电以后,我国就没有没电的村了。但是在信息结合上还没有解决,如果将电力网比喻成人的坚强骨骼的话,信息泛在电力物联就像大脑一样,泛在于电力发、输、配、用以及集中式、分布式等方面。

电力有很多创新的内容,还有一个是物联网。物本质上是没有生命的,但是有信息之后就可以把它变成生命,把任何设备装上传感器,就可以把这个设备的任何信息发到需要到的地方。泛在电力物联网就是通过无所不在的目标、通过电力和信息手段把万物互联,达到智慧用电、科学用电、合理用电和高效用电的目的。比如电动车什么时间充电好、什么时间充电不好?现在是车主回家就充上,上班就开走,这样做在初始阶段是合理的,因为车少,无所谓。

但发展到一定程度就不合理了,大家都需要电的时候你充电,都不需要电的时候你不充电,这不是增加电网和社会用电负担嘛?我们的行话叫增加了电网的峰谷差。峰谷差除加大了调节难度外,要满足峰的要求,要增加投资、要建电厂。为了满足峰的要求把电厂建起来,到谷的时候电厂就不需要了,所以应该压小峰谷差,峰谷差越低,资源利用就越好、资金利用越好、效率越高。

现在的电动车充电是V0G,无序充电,我需要充就充,什么也不考虑。未来要发展到V1G,这一阶段就是有序充电。去年国网华北分部牵头组织电动汽车和储能参与电网的泛在调控试点,在用户同意的情况下插上电以后,什么时候充电由电网去控制。

电网怎么控制呢,是根据什么时候有风、什么时候有太阳、什么时候没风、什么时候没有太阳来定,大家都在看足球赛时就别充电、大家都睡觉了再让它充电。例如本来充电功率是30千瓦的,但电网可以充5千瓦、6千瓦、也可以充30千瓦。如何充和电网的峰谷电有关,反正在上班前给你充满就可以了。

另外,把车、网(指车的网和电的网),甚至和发电侧,风电、太阳能、水电,通过物联网连起来,把314万辆电动车,甚至到未来发展到上亿辆的车连起来,通过泛在电力物联网满足用户需求、满足电网需求、也满足国家能源转型的需求。 

再往下发展就是车网互动V2G,因为电动车和冰箱电视不一样,冰箱、电视只是用电,而电动车可以用电、可以放电,是个移动蓄电池。它除了用电以外可以在电网需要的时候卖电,这叫V2G,就是既可以充电也可以放电,既可以买电也可以卖电,这由泛在电力物联网来控制。将来到车网一体VGI,全社会都可以这样做,只有泛在电力物联网能做到。

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