面向碳中和的汽车技术路线探讨

2023年7月28日,在宁波前湾新区管委会联合浙江吉利控股集团主办、浙江省绿色智能汽车及零部件技术创新中心及盖世汽车承办的第三届前湾汽车产业创新高端论坛上,国际知名的能源科学家、南方科技大学讲席教授、澳大利亚国家工程院外籍院士刘科表示,不能依赖电池解决碳中和的储能问题,要有长期储能的新思路。人类当初选择燃油车,一是因为液体是最佳的能源载体,二是因为机械制造流水线成本低。电动车原材料价格随电动车数量增加,供需关系失衡而飞涨,近期的原材料价格上涨让电动车已没有利润。

他还表示,现实中通过氢能实现碳中和的优选路径是基于可再生能源的绿色甲醇技术。中国绿氢的生产成本在急剧下降,绿色甲醇是绿氢最好的储运载体。绿色甲醇混合动力方案可解决电动车里程焦虑、过冬及快充站建设等痛点。绿色甲醇将解决电动车及燃料电池汽车基础设施问题。分布式能源热电联供可降低碳排放约80%,是交通领域最低成本实现碳中和的路径。

 

面向碳中和的汽车技术路线探讨

 

刘科 | 能源科学家、南方科技大学讲席教授、澳大利亚国家工程院外籍院士

以下为演讲内容整理:

能源转型中的历史选择与困境突破

目前社会各界对碳中和都极为关注,碳中和核心要解决的是能源转型的问题,主要聚焦于风能、太阳能、电动车和氢能四个领域。风能与太阳能价格是较低的。华为在沙特建设1.3GWh的太阳能电站,因其日照时间长与成本较低的双重因素,所以让电的价格更呈下降趋势。

国家能源集团北京低碳清洁能源研究院聘请了一批全球顶级能源专家,此前并没有预测到中国太阳能的价格走势。光电价格虽具优势,却也受到时间间断的限制,比如风能、太阳能和天然气的数量庞大,照常理(新能源便宜了)油价、煤价应该呈现下跌的趋势,但目前还未出现这样的趋势变化。所以新能源虽然价格较低,但储能问题不得到解决,依然会面临困境。

电池研究了上百年,但100年前就有受地理位置限制的抽水储电及利用岩洞的压缩空气储能,这也是目前两个大规模、低成本的储电路径。碳中和实现的核心:一是储能;二是将短期储能技术变为长期的。太阳能、风能总量虽多,但如何长期存储才是未来的发展战略,所谓的长期存储就是把太阳能和风能转化成甲醇这样的液体进行存储。

一百年前纽约、伦敦、巴黎街道上的电动车都是电动车,因为铅酸电池比内燃机早发明20多年。但自1920年之后,燃油车一直在碾压电动车,这其中有两个原因。

一是能量密度。汽车、轮船等交通工具的重要参数并非质量能量密度,而是体积能量密度。铅酸电池于1859年发明,此后投入了上万亿的研发经费,到今天最好的电池,每公斤大概0.4kWh,每立方米超不过600kWh。液体的甲醇的体积能量密度是4300kWh/m3,汽油是8600kWh/m3,所以选择汽油并非偶然,而是因其体积能量密度大。

 

面向碳中和的汽车技术路线探讨

 

图源:演讲嘉宾材料

二是常温常压下的液体,在陆地和海上分别可以进行管路和跨海的输送,并且成本较低。比如从全世界上任何一个码头,将液体运输到另一个码头,每升运费不超过7分钱,而且能量密度较大,可以进行长期储存,但氢和电不能存放较长时间。所以人类选择液体作为能源载体绝非偶然,是由以上特征来决定的。

未来太阳能和风能可以转化成液体,用可再生能源的液体与电的结合来完成碳中和的路径。1913年,福特发明了世界上第一条流水线。内燃机造一辆车的成本较高,但流水线的形成可以极大降低每台车的成本,所以自福特发明流水线之后,当时的汽车价格从4700美金降到了360美金,这是价格下降的根本原因。

流水线虽然会使成本下降,但锂、钴、镍等造电动车所需的原材料成本会不断增长。此前我预测如果电动车的增速不断加快,必然会导致各种金属价格的暴涨,金属价格昂贵,是因其供应受限,锂、钴、镍等资源的稀缺程度较高,导致供需关系失衡而价格飞涨。在原材料价格暴涨而电动车售价不涨反降的情况下,电动车厂的利润就受到了影响,所以原材料价格的不断攀升,成为了新能源汽车发展的掣肘。

电动车在较为平坦暖和的区域必将有序发展,同时也要做到四个同步:一是电动车发展与电网的清洁化同步,如果电网69.5%是使用煤来发电,会导致电动车实质上在消耗煤炭;二是汽车产量要和原材料的供应相协调和同步,否则产量快速增长会导致原材料价格的暴涨;三是电动车发展与电池回收技术发展同步,电池的回收技术至关重要,否则一些巨毒化学品将会造成污染;四是电动车发展与基础设施的建设同步。

氢能的优势与绿色甲醇技术

从2003年受邀担任任国际氢能协会的理事,我一直在研究氢能。氢能具有哪些优势呢?氢能是首次人类不依靠燃烧来产生动力,氢气在80摄氏度条件下和空气中的氧通过电化学来进行发电,这样的发电效率是内燃机的2~3倍,发电效率高是其最大的优势。燃料电池金属回收技术较为成熟,也使得贵金属的使用成本明显下降,这也是氢能的优势之一。

从能源载体理论来看,液体是最好的能源载体,氢气则不适合直接做能源的载体,因为能源载体需要足够大的体积能量密度。但氢气的体积能量密度是最小的,这导致储氢运氢的成本较高。氢气是最小的分子,这也意味着氢气极易泄露,如果是露天场所不会存在较大的安全隐患问题,但氢气在封闭空间中爆炸极限最宽的气体(4~74%),在这个范围内任何一点火花都可能会产生瞬燃瞬爆的结果。据炼油厂的统计,绝大部分的事故都是因为氢气的泄露造成的,这也是氢气的本质特性所决定的。另外,加氢站占地面积大,基础设施投资费用也较为高昂。所以氢能虽好,但只能局限于露天场所和人员稀少的区域,在人口密集的城市不能使用。

碳中和政策出台之前已有呼声要将甲醇取代汽油。国内外大力推动碳中和行动之后,会发现煤制的甲醇很便宜,但一吨甲醇要排放3.5吨的二氧化碳,基于可再生能源大幅度降低煤制甲醇厂的碳排放量,是我们团队倡导的技术方向。在甲醇厂中最贵的是氢气和氧气,氢气基本集中于西部,运输需要通过管线,比如从宁波修一条管线,运输过来的氢气必须在一个小时内用完,因其体积较大,所以是较为复杂的系统工程。没有管线时会采取卡车运输氢气的方式,但路途上耗费的油量将大于运输氢的能量,所以在当地或者周围产氢与用氢较为合理。

甲醇和燃料电池的结合也是未来的发展方向,而且甲醇厂的氧气是最宝贵的东西,3.5吨二氧化碳中的2.1吨都是为了制纯氧所排出去的。电解水制氢时必然产生氧气,将纯氧和绿氢有效利用,可以把生物质、城市垃圾等全部变成氢气、一氧化碳和少量的二氧化碳。

造甲醇需要氢气、一氧化碳和二氧化碳,我们提出了绿色甲醇合成新工艺。通过实验和模拟数据计算,比如现在产出的绿色甲醇成本,比70美金一桶的进口石油所产生的汽油要更为便宜。

使用生物质为碳源,产品甲醇中的绿色能源占比可达100%。使用煤炭为碳源,产品甲醇中的绿色能源占比可达75%。如果在石油和煤炭上能够减碳75%,剩下这25%的碳是碳中和允许排放的碳,也就是让放出去的碳与吸收回来的碳产生平衡,那么就解决国家和行业碳中和的需要了。

如果今天的技术能够做到减碳75%,那么人类基本可以实现碳中和,并且拥有了绿色的液体,不仅可以用在车上也可以进行发电。这一原理是把风能和太阳能转化成液体储存起来,这样几十万亿的液体基础设施就会被重新利用起来。

最近我们团队在推几大基地合作,开展生物质气化与盐碱地治理。专门规模化种植的巨菌草在不缺水的情况下可以亩产30~50吨,相当于巨型的二氧化碳吸收器,将其生物质原料气化以后可以制成绿色甲醇,并且这种技术可以达到100%的燃料绿色化,实现对煤炭、天然气的绿色燃料替代。

甲醇助力贵阳市构建了绿色低碳交通体系。此前有言论称甲醇有毒,不能做燃料,其实汽油中甲苯也还有毒,但贵阳将近2万辆车,在近10余年中并没有因为甲醇毒性发生公共安全事故,下图的数据也反映了吉利远程M100甲醇重卡的贡献。

 

面向碳中和的汽车技术路线探讨

 

图源:演讲嘉宾材料

我认为较为平缓的道路可以使用电动重卡,但在山区和矿区的地形中较为困难,因为电动重卡爬坡需要的电流是平时的5~8倍,会导致续航里程受限,所以电动重卡未来会朝着甲醇的道路去发展。

碳中和目标下能源发展将驶向何方?

从2020年开始,绿氢的成本呈现不断下降的趋势。电动车适合在道路平坦和气候温暖的区域使用,比如重庆虽然温度可以但地形问题会加重电池的负担,而哈尔滨等冬季寒冷的区域也存在电池的问题。我认为电动车和甲醇都有各自的市场,将其匹配到合适的市场中才是最为科学的态度。

低耗能是混合动力或者插电式混合动力汽车未来的发展趋势。车辆正常上下班做到200公里的里程就足够了,但车上可以安装5升甲醇的小型发电机,这样的好处是可以实现慢充,降低电的费用。快充对电网增加了不确定性,还需要集中管理,成本的增加会导致在老旧小区等场景中无法应用,而且电网的基础设施也不允许大规模更新。

在车上配备甲醇,其余热可以在冬季保证车与电池维持在最佳温度。全世界70%的区域存在冬季,混合动力可以解决气候所带来的问题,比如贵阳的加油站近五年来逐步愿意将其站内的两个加油枪换成了加注甲醇,可能再过几年加醇枪的数量会不断增加,这样就不会像加氢站和快充站那样长期存在矛盾。

如果未来燃料电池的技术有革命性的突破,在露天场所下可将甲醇用到加氢站制氢供氢,在地下车库等封闭空间中可在车上装甲醇及甲醇制氢装置实现在线制氢。绿色甲醇是绿氢最好的储运载体,这也将是未来汽车最理想的燃料。

我认为电与甲醇应该“各司其职”,混合动力未来将依托绿色甲醇的基础设施,用于三代汽车使用。插电式绿色甲醇混合动力可以提升电动车续航能力,解决电动车充电过冬问题。绿色甲醇为燃料电池车提供更为安全、加注便捷的氢源,而且其效率也比内燃机要高。

电动车在加速或启动时都需要依靠电池,所以电池的研发永远是汽车的核心环节之一。网联化与电动化之间不存在必然的联系,未来也将是电与液体进行混合的状态。绿氨在露天对气味不敏感的场景中,是很好的氢的载体,比如矿场、码头、工业等露天场景均可以使用,但氨泄露具有强烈的气味且有毒,会对人体造成伤害,所以不适合人口密集和对气味敏感的地方。

碳中和时代的最终目标是减排,而减排就是利用可再生能源将其存储,太阳能、风能等是未来碳中和的发展方向,汽车行业也会朝着这个方向前行,而且绿色甲醇不仅用于提供发电、汽车行驶等,还可以保障人类的能源供应。

(以上内容来自能源科学家、南方科技大学讲席教授、澳大利亚国家工程院外籍院士刘科于2023年7月28日,在宁波前湾新区管委会联合浙江吉利控股集团主办、浙江省绿色智能汽车及零部件技术创新中心及盖世汽车承办的第三届前湾汽车产业创新高端论坛上发表的《面向碳中和的汽车技术路线探讨》主题演讲。)

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