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    歐陽明高:新能源革命的高潮正在到來

    發布日期:2021-08-04

    核心提示:能源革命是推動工業革命和人類社會發展的重要力量。第一次能源革命實現了從柴薪到煤炭的跨越,動力是蒸汽機,交通工具是火車;第
     能源革命是推動工業革命和人類社會發展的重要力量。第一次能源革命實現了從柴薪到煤炭的跨越,動力是蒸汽機,交通工具是火車;第二次能源革命實現了從煤炭到油氣的跨越,動力是內燃機,交通工具是汽車。當前,全球正在經歷第三次能源革命,第三次能源革命將實現人類社會走向可再生能源時代,動力是電池,能源載體是電和氫,交通工具是電動車。未來可預見的第四次工業革命將是以可再生能源為基礎的綠色化和以數字網絡為基礎的智能化發展。
    3月15日,習近平總書記在主持召開中央財經委員會第九次會議時發表重要講話指出:實現碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革,并提出構建以新能源為主體的新型電力系統。要實現碳中和,最重要的是實現新能源革命。推進新能源革命有五大重點:從傳統化石能源向可再生能源轉型,尤其是光伏與風電的大規模應用;能源集中式發展轉向分布式,推動建筑成為微型發電廠;利用氫氣和電池等技術存儲間歇式能源;發展能源互聯網,以及電動汽車將成為用能和儲存能源的終端。
     
    當前新能源革命面臨的問題是光伏、風電本身的發電成本很低,但利用成本仍然較高,這其中儲能是瓶頸,需要靠電池、氫能、電動汽車等來解決,儲能和新能源汽車大規模發展,將推動新能源革命的實現,只有實現新能源革命,才能順利邁向碳中和目標。
     
     
     
    新能源動力系統:電池和氫能技術突破是重要推力
     
    過去幾年,能源領域出現的最重大的突破,是汽車動力系統從油電混合動力汽車向純電動車,乃至氫能燃料電池汽車的邁進,中國新能源產業從此進入了快速發展的階段。
     
    這其中最重要的推動力量是電池技術的突破。過去十年,動力電池比能量從100瓦時/千克提升到300瓦時/千克,成本從4元/瓦時以上降低到1元/瓦時以內,這是革命性的飛躍。我國的動力電池產業鏈是全球最完整的,產品供應全球市場。隨著動力電池技術的進步,電動汽車的續航里程不斷提升,目前續航能力已普遍達到500千米以上,正向著1000千米邁進??梢哉f,不管是磷酸鐵鋰電池還是三元鋰電池,電池技術的發展已大大超出了人們的預期,并且持續進步和發展的潛力仍然很大,鋰離子電池現在達到的能量密度遠遠低于它所能達到的理論能量密度,至少還有30%~40%的空間可以挖掘。
     
    另一個重要的推動力量是氫能。2020年,我國燃料電池車大約為8000~10000輛,預計2025年燃料電池車約為5~10萬輛,2030~2035年大約是80~100萬輛,因此,我國急需建設加氫站,在2025年,我國加氫站的數量將超過1000座,這是一個保守預測的數據,最近,中國石化宣布在“十四五”期間擬規劃布局1000座加氫站;在2030~2035年,我國的氫氣需求量約為200~400萬噸/年,加氫站數量將超過5000座。同時,新能源汽車進入家庭的速度大大加快,目前已經接近市場占有率的10%。預計今年新能源汽車市場保有量將超過200萬輛,比去年提升近一倍,根據中國汽車工程學會《節能與新能源技術路線圖》最新預測:2030年,新能源汽車銷量將達到汽車總銷量的40%~50%;2035年將達到50%以上,保有量為1.6億輛。有些企業家的預測更加樂觀——考慮到自動駕駛技術的應用將給客戶帶來更大的激情,一些企業家認為2030年電動汽車市場占有率會達到90%。
     
     
     
    新能源電力系統:“源網荷儲”互動調控
     
    新能源動力系統與新能源電力系統非常相似。負荷、電源、儲能和網絡協同互動,共同構成新能源電力系統。在新能源電力系統中,光伏、風電成本持續下降,預計2035年,風光發電將占80%以上的裝機容量和40%以上的發電量,光伏發電成本可降至0.1元/千瓦時,風電成本可降至0.2元/千瓦時,占比快速升高的可再生能源發電給電力系統帶來了一系列挑戰。
     
    首先是電網技術轉型的挑戰,高比例可再生能源+高比例電力電子化的“雙高”特征給傳統電力系統帶來了顛覆性變化。傳統的電力系統具有“源隨荷動”的特征,新能源電力系統則具有“源網荷儲”互動調控的特征,這與新能源汽車車載直流微網動力系統類似。
     
    另一個巨大挑戰是能量平衡,這包括日內平衡和年內平衡,也包括區域能量平衡。從日內能量平衡來看,當煤電發電總量占比降至40%~50%,全社會日內負荷平移的總需求可達約1400億瓦時,峰值功率為300億瓦。從年內能量平衡來看,按照2020年風、光發電特性來推演,到2060年季節性能量不平衡更為顯著;3~5月風光過剩,7~9月發電量不足,至少面臨約6500億千瓦時的季節能量轉移缺口。從區域能量平衡來看,2020年跨省電力流達到2.5億千瓦,能源-消費區域不均衡性強,可再生能源的分布將加劇這一特點,預計2035年達到5.5億千瓦,2050年達7.4億千瓦,這對電力系統的靈活性提出了很高的要求。低碳轉型的先行者德國在沒有太多儲能的情況下,依靠煤電機組已經實現了高比例可再生能源,相當于傳統和新型電力系統并存,但也遇到了一系列挑戰,電價幾乎上漲了一倍。因此,我國實現碳中和進程中的重點是解決儲能的技術瓶頸。
     
    在多種技術路線之中,儲能電池和氫能將成為未來主流的儲能技術。儲能電池和氫能各有特點,兩者互補性強。
     
    儲能電池是分布式、小規模、短周期儲能的最佳選擇。目前全球電池產業規模已達到1億千瓦時,未來最終可能會接近50~100億千瓦時。我國的電池廠商不斷宣稱2025年電池產業會進入T瓦時代,也就是年產10億千瓦時,這會是一個具有百倍成長空間的巨大產業。如果2040年,3億輛中國乘用車全部都改為電動轎車,每輛車平均儲能容量65千瓦時,則車載儲能總容量約200億千瓦時,與中國每天消費總電量基本相當??紤]到基礎設施建設情況,2030~2035可能有10%~20%的車輛配備雙向充電樁接入V2G市場,調節潛力將超過22億千瓦。
     
    氫能是可再生能源集中式、大規模、長周期存儲的最佳選擇。張家口氫能示范表明當可再生能源發電成本低于0.15元/千瓦時,其能源利用全鏈條技術經濟性將凸顯。首先,從能源利用充分性來看,大容量、長時間儲能模式對可再生電力的利用更充分;其次,從規模儲能經濟性來看,固定式規?;瘍浔入姵貎﹄姷某杀镜椭辽僖粋€數量級;第三,從與電池放電互補性來看,大容量、長周期靈活能源用于燃料電池、燃氣輪機,可與電池放電互補;第四,從制運儲方式來看,可以通過長管拖車、管道輸氫、摻氫、長途輸電-當地制氫等靈活方式來實現。
     
    如果2035年,我國的氫能可達到歐洲2030年的目標,即綠氫1000萬噸,儲能會達到3300億千瓦時。電解水制氫成本為20元/千克(電價0.3元/千瓦時),如果這一成本可降低到10元/千克以內,那么制氫成本完全取決于電價,電價將占氫生產費用的80%左右,風光發電成本的降低會使制氫儲能優勢凸顯。
     
    目前,電化學儲能度電成本仍高達0.6~0.9元/千瓦時,距離抽水蓄能的成本還有一定的差距,中國電化學儲能85%的裝機量為鋰離子電池,鋰離子電池儲能中約67%為電池成本。
     
    為什么動力電池會成為主流?因為車用電池是競爭性的消費品,規模極大,具備成本持續降低的條件。在最近的10年里,鋰離子電池系統成本下降了85%,2020年電池系統成本降至0.6~0.9元/瓦時。預計到2025年,三元電池成本降至0.6元/瓦時,磷酸鐵鋰成本降至0.4元/瓦時,三元電池循環壽命將超過1500次,磷酸鐵鋰電池循環壽命將在5000~10000次,但實際上,一輛私人轎車的電池循環壽命達到一千次就已足夠,這大幅降低了單次儲能成本。
     
    車用電池的成本相對專用的電化學儲能更有優勢。車用電池無安裝費用,儲能的同時可以車用,甚至80%的時間都是儲能。以2025年的儲能預測成本來計算,2025年電動汽車總電量為18億千瓦時,三元儲能成本為0.55元/千瓦時,鐵鋰儲能成本0.25元/千瓦時,這一價格已經與抽水蓄能相當,電動汽車用于分布式儲能的成本大幅優于專用電化學儲能。
     
    從制氫成本來看,未來電解水制氫的成本將主要取決于材料成本及電價,風光發電成本快速下降帶來氫氣成本快速下降,最終氫氣成本可能會降到1美元/千克,電解水制氫會形成一個巨大的產業。目前來看,堿性制氫在中國的優勢是成本極低的同時技術潛力很大,改進的空間極大。
     
    從氫能儲運成本來看,對上千公里的運輸而言,特高壓輸電線路是我國綠氫輸送的優勢通道。綠氫已經被電網視為靈活負荷,可在谷段利用特高壓通道長途輸電,不進入配電網,直接制氫。當可再生能源發電為0.12元/千瓦時,過網費為8分時,通過特高壓上千公里輸電(輸氫)通道,在用戶側制氫(谷段約8小時/天)加氫(>3噸/)實現加氫槍出口價格在30~40元/千克,比柴油具有競爭力。
     
     
     
    智慧新能源系統:形成車網互動的智慧生態
     
    電網和負荷波動性的挑戰孕育出以電動車為主體的移動能源互聯網,單車數十至上百千瓦充電,對電網穩定性帶來了較大挑戰;碳中和背景下電網波動性增加,需要靈活電源參與能量互動。
     
    新能源電力與新能源汽車的接口就是充電設施。截至2021年2月,全國充電基礎設施累計數量為175.8萬臺。車樁比已達2.8∶1,在有些區域已經接近1∶1。二者的互動需要從無序充電到有序充電,再到車網互動,在未來,充電樁與車會一直連接,并非充電時才插入,這將形成一個龐大的能源互聯網。
     
    未來車載交流充電器將逐步取消,交流充電樁將由具有V2G功能的直流慢充取代,慢充的充電樁還有很大的潛力沒有開發出來。對于私家乘用車,可以平時在家或者單位慢充(或車網互動),在高速公路長途跋涉時采用超快補電。2020年中電聯公布了大功率快充新標準——“超級充電”,預計2025年可以全面提供超充服務。
     
    將來的能源互聯網里,慢充將占據80%的電量,快充占據15%~20%的電量,快充是補電,而非充滿。北京城管委2019年對8萬輛電動乘用車統計表明:自由充電樁慢充總電量占比已達75%,公共充電中,快充占比已達85%,符合發展預期。另外,對于快充,現在正在研發5分鐘充200公里的快充速度,對一輛續航里程為600公里的車,目前是可以做到安全地快速充電。
     
    光儲氫充換多能互補微網系統中,快充與快換一體化,我們主張轎車快充,卡車快換,因為換電站有很多備用電池,我們不是直接快充從網上取電,而是快充快換的備用電池給快充的車充電,快充和快換形成互補,不僅更安全,同時也減少對電網的容量需求。
     
    電動汽車與電力系統的互動,可以從單向有序充電到主動參與負荷調節,在配網容量不足時,主動控制充電功率,調整充電負荷,減少充電負荷峰值,提高波谷用電,負荷時域移動促進源荷匹配。
     
    雙向車網能源互動中,電動汽車可以作為高靈活性電源,提供削峰填谷、電網調頻、虛擬慣量等電網所需的輔助服務,并滿足新能源電力系統的可靠性要求。國家電網公司在北京人濟大廈設置的雙向充放電互動樁,是國內首個納入調峰輔助服務結算的項目。谷充峰放模式下,車主每度電能賺將近0.4元。
     
    電動汽車參與虛擬電廠。在國外,澳大利亞VPP項目中特斯拉與電商聯合推廣Power Plant,已經聚合1000多個家庭,降低20%多的電價,并計劃聚合5萬個家庭。國家電網在冀北實施虛擬電廠的示范項目已于2020年2月6日正式投入商業運營,4月底總收益為160.4萬元,日最高收益近9萬元。通過虛擬電廠聚合,電動汽車通過V2G樁參與電力市場交易,負荷聚能,共降成本。
     
    電動汽車區塊鏈將成為未來移動能源互聯網的核心支撐技術。能源互聯網小范圍、高頻率、大信息量、多共識機制的交易十分適合區塊鏈的應用,區塊鏈去中心化、不可篡改、可追溯的特點,可以用于電動汽車充換電服務、V2G服務、電池管理和信息安全服務。
     
    綜上,車網互動的新能源系統在發電側可以實現調峰調頻,提高電網的靈活性;在輸配電側可降低電網投資,提高電網利用率;在用戶側可減少電費,促進分布式資源消納,提高可靠性。新能源電力系統靈活調節總體方案分為短周期、小規模和長周期、大規模兩種。短周期、小規模采用電動汽車儲能,加上集中式換電站,用于調頻、日內調峰、應急備用、緩解阻塞、提高電能質量等;長周期、大規模使用氫能,制氫儲氫用于季節性調峰、多能互補等。
     
    電動汽車入網特征包括單體容量小、總體數量多,時空靈活性高,響應速度快,可預測性高,具有能量自消納能力。未來十年我國將形成車網互動的智慧新能源生態。其中黃金組合是分布式光伏+電池+電動汽車+物聯網+區塊鏈,即分布式光-儲-充一體化智慧能源系統;白銀組合是集中式風電與光伏+氫能+燃料電池汽車+物聯網+區塊鏈,即集中式風-光-氫一體化智慧能源系統。新能源革命的高潮正在到來,讓我們共同迎接這激動人心的時代強音,為碳中和愿景擘畫宏偉藍圖。
     
    人物介紹:
     
     
    歐陽明高:新能源動力系統與交通電動化專家,中國科學院院士。深度參與了我國新能源汽車研發示范與產業化全過程,為我國新能源汽車躋身世界先進行列作出了重要貢獻?,F任清華大學車輛與運載學院教授、校學術委員會副主任。

     
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