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刘科:镇静透视电动车、氢能和吾们的异日

作者:admin    文章来源:未知    点击数:    更新时间:2021-06-15 17:48

· 这是第3963篇原创首发文章  字数 6k+ ·

· 刘科 | 文  关注秦朔朋友圈  ID:qspyq2015 ·

编者按:本文作者刘科是全球著名能源行家、澳大利亚国家工程院外籍院士。他曾带领UTC、尼桑、壳牌石油三家公司的工程师团队,耗资上亿美金研发了全球第一辆“车载汽油制氢的燃料电池汽车”。曾不息三届担任美国氢能与燃料电池峰会主席。

本文是其在网易异日公开课上的演讲实录,在秦朔朋友圈刊发前经本人修改审定。

行家益,吾是刘科,南方科技大学创新创业学院和南科大整洁能源钻研院的院长。今天吾给行家分享的主题是《电动车和氢能的历史与异日》。

为什么要发展电动车、氢能这栽新能源汽车?主要是解决两个题目:第一是吾们国家的石油不足。吾十年前回国的时候,中国的石油总消耗量只有4亿吨,但十年之内由4亿吨增补到7亿吨。吾们前20年勉强还能生产2亿吨,到2017年2亿吨都维持不了,只有1.91亿吨,2018年降到1.89亿吨。吾们现在将近73%的石油靠进口。第二就是行家都能望到雾霾和空气污浊题目。

为晓畅决这两个题目,就必要开发更整洁的汽车和能源,因此电动车和氢能天然就被推上历史的舞台。

为什么100多年前电动车多过燃油车,后来燃油车占了总揽地位?

| 100多年前纽约大街上的电动车

电动车并不新。1912年,纽约、伦敦、巴黎,还有洛杉矶的大街上,跑的电动车远远多于燃油车。为什么?由于铅酸电池早于内燃机发明20多年。100多年前,以喜欢迪生为首的一批科学家就在赌电动车。

吾回国前在GE(通用电气)做事,喜欢迪生就是GE的创首人。那时以福专程代外的汽车公司赌的是燃油车。到了20世纪30年代以后电动车就几乎鸣金收兵了,今天燃油车照样占据绝对总揽地位。

为什么是云云的格局?吾来谈几点历史因为。

第一点,吾们钻研汽车或者钻研交通运输燃料的时候,有一个很主要的概念,叫体积能量密度。对汽车来讲,重量重一点无所谓,但油箱不及无穷大。倘若吾们的油箱都是1立方米,每栽能源蕴含的能量密度大幼,也就决定了汽车能跑的距离远近。

100多年前就发明的铅酸电池的能量密度是90千瓦时/立方米,人类花了将近上千亿美金和100多年的探索,电池能量密度到现在只从90千瓦时/立方米挑高到260千瓦时/立方米。现在特斯拉的电池、比亚迪的刀片电池,也许就是260千瓦时/立方米。而汽油的能量密度是8600千瓦时/立方米,柴油是9600千瓦时/立方米。稍后即将挑到的甲醇液体是4300千瓦时/立方米。

总而言之,人类花了100多年时间的研发,电池的能量密度并异国得到革命性的根本的转折。

| 各类能源的能量密度

第二点,液体能源有个专门益的特点,陆上能够管路输送,海上能够专门益处地跨海输送。2016年吾到深圳做事不久,邀请了时任美国能源部部长、诺贝尔奖获得者朱棣文老师,还有那时中国工程院主管能源的副院长谢克昌院士,以及中国科学院主管能源的副院长李静海院士为南科大整洁能源钻研院举办成立揭牌仪式。

那时在一个能源钻研会上,吾问行家一个题目,说很长一段时间在深圳开车添油是7块钱一升,倘若这个汽油是从息斯敦炼油厂用船拉到深圳盐田港,这一升的运费是多少钱?吾让益多搞能源的朋友猜,有人猜是3块5,甚至有人猜5块,也有人猜1块的,吾说真实的答案是7分钱不到。

吾说7分钱的时候行家没人坚信,但一算就清新了。现在一条大船能够拉30万吨,也许是4亿升。液体的益处在于,行使泵和管道就能装船,不必要人造。到了深圳的码头,管道连接益后,行使泵就能打到罐里,也不要人造。路上消耗的就是船的油钱和折旧费,4亿升,倘若一升一毛钱就是4000万元,但跑一趟船根本用不了这么多油钱。这就是为什么世界上产石油的只有那么几个地方,但任何一个角落都能够很方便地添油开车。因此,液体在运输上有许多益处,而且能够永久蓄积。茅台酒存50年没题目,但电亲善都不及永久蓄积。

| 百年前的福特量产汽车的流水线

第三点,为什么人类的第一条流水线是福特的流水线?内燃发动机是死板的东西,造一台很贵,但当一条流水线造出100万台的时候,每台的成本会极大降矮。1913年,福特的流水线一上去量产,就让美国的汽车从4700美元降到380美元,让蓝领工人都能够买得首汽车。

然而电动车分歧,每个电池都必要必定量的镍、钴、锂,车上还有铜等各栽金属。产能膨胀后每台成本会有所降落,但是降落不多,不像死板不锈钢,要多少,产多少,造得越多,成本越矮,材料成本很少。电动车的材料成本占大头,添工成本并不是主流,因此你能够采用流水线,能够降矮一点,但不及有根本的降矮。

中国的电动车从2016岁暮的51.7万辆增补到2018年第一个季度的79.4万辆,添量为28万辆,相对于那时整个汽车市场一年2900万辆的产量,是很少的,但同期追踪全世界的钴的价格和锂的价格,别离翻了四倍和一倍。这栽情况通知吾们,倘若技术不突破,不把钴和锂的用量降下来,造得越多材料越贵。当钴的价格翻了四倍,锂价格翻了一倍的时候,全世界异国一家公司声称经由过程回收电池里的钴和锂能实现盈利,这逆过来通知吾们,电池的回收技术还有待突破。

倘若电网67%照样煤电,电动车的增补照样在增补碳排放

今天的电动汽车用了5到7年,把退伍动力电池用作储能电源,比如放到5G基站底下做储能,能够还能再延宕一二十年。但是储能电池也是有寿命的,里边有许多对天然有害的化学物质,不能够无穷期行使。一二十年后照样必要回收。倘若不回收,当几百万个甚至异日上千万个电池分布在中国大地,倘若任其泄露,那是环境的不幸。

现在的电动车里也许有600到800公斤的电池,不是手拎就能够回收的。异日谁去回收?国家倘若要回收,钱谁来出?卖车的时候已经补贴了这么多,异日回收电池是否还要补贴,什么时候是底?

这些环境的题目都要考虑,因此吾现在频繁呼吁要强化电池回收技术的研发,把这个体系工程做益。否则光考虑发展电动车,不考虑回收的题目,异日吾们每幼我都会为之支付代价。

| 环境污浊对生态造成的损坏

当然另外一点的实际因素是,中国67%的电都靠煤炭来发。倘若能源组织不转折,倘若电网67%的照样煤电,那电动车的增补照样在增补碳排放,而不是缩短碳排放。只有能源结议和电网里大片面是可新生能源组成的时候,电动车才能算得上整洁能源。

现阶段针对电池投入大量研发专门主要,不管是电动车、燃油车照样氢燃料电池车都必要电池。高档燃油车里的电池周围已经到5kW甚至10kW了,氢能汽车里有100升旁边的电池。汽车电子、限制体系以及蓄电池等都必要电池,因此电池的研发怎么强调也不太甚。电池的技术必定要有突破,倘若异国突破,一味地、盲现在地去寻求电动车是一个很危险的战略。遗憾的是,尽管电池技术100年来有些挺进,但照样异国内心的飞跃,这是一个专门厉峻的挑衅。

| 2018年国务院领导人考察丰田氢燃料电池车

氢气不那么益储,更没想象中那么益用

2018年,国内突然掀首一股氢能炎。氢能有它的益处,发电效果高,能降矮对石油的倚赖,排放为水蒸气,而且大周围量产燃料电池后成本能下来。尽管燃料电池也要用贵金属,但是它的贵金属回收技术相对来讲比较成熟。并且这些年的研发使得贵金属用料量在降矮,这都是它的益处。

其实燃料电池也不新,这已经是第四轮了。吾2000年旁边见证了美国上一轮氢能与燃料电池炎。上世纪90年代末不息到2005、2006年,这个期间美国花了上百亿美金在燃料电池上的研发。

吾记得幼布什总统在他的国情咨文演讲时说,今晚他会宣布一个计划,美国能源部花多少亿美金开发氢燃料电池汽车,15年后每一个美国人开的车后边排放的都是水蒸气。

现在,已经是2021年了,达到了异国?异国。全世界的燃料电池(车)能够添首来也就是3万多辆,美国不到1万辆。

燃料电池汽车,也就是吾们说的氢能汽车,异国产业化的最根本的因为是氢气不正当于行为大多你吾共有的能源载体。为什么?

第一点刚才讲了,它的体积能量密度是最幼的,为了增补体积能量密度,只益把压力增补。现在望到一切的氢燃料电池车里的储氢罐,都是350和700公斤大气压,储氢罐倘若拿不锈钢设计必须做得专门厚,由于压力太高。学过理工的人都清新,700公斤压力的高压设备,不是那么容易生产制造的。

雷火品牌 "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif;line-height: 2em;background-image: none;background-size: auto;text-align: left;background-color: rgb(255, 255, 255);background-position: 0% 0%;background-repeat: repeat;overflow-wrap: break-word !important;">第二点,氢气高压会有一个题目,氢气是元素周期外中最幼的分子,最幼的分子就意味着最容易泄露。

第三点,氢气在露天异国题目,吾们在20多年前在美国做过这个实验,一个添氢车,它的储氢罐为了坦然清淡都放在末了,清淡步枪一枪是打不透的。打完以后,由于氢气在露天没题目,它很轻,就像氢气球相通,一条火龙冲上天,驾驶室的温度一会儿升不了那么高,人有有余时间逃逸。

但是,在封闭的空间里,氢气就会有重大的题目。氢气是爆炸周围最宽的气体,4%到74%,幼于4%是坦然的,大于74%只着火不爆炸,但是在4%到74%这个很宽的周围内,遇火星就爆。

当北上广深这些城市,尤其深圳90%以上的车是停到地下车库这一封闭空间里的。大量氢能汽车进到地下车库,若有一辆车泄露,就会产生重大的危险。尽管这个是幼概率事件,但是行使多多的时候,总有部件老化等题目发生,哪怕储氢罐是坦然的,阀门、管路等也有必定幼概率老化,或者开车不仔细发生了撞击。一旦泄露遇火星爆炸,引首其他车爆炸,一个大楼都有能够毁失踪。因此在封闭的空间里,行使氢气要专门仔细。

| 氢燃料电池车在露天情况下的坦然实验

吾在90年代初曾添入全世界最大的石油公司埃克森美孚,记得添时兴,不管多高位置进去,前一个礼拜什么也不干,只进走坦然培训。尽管炼油厂专门偏重坦然培训,但这100年来,总是有幼概率事故发生,炼油厂发生的事故无数是由于氢气的泄露而造成的。因此吾们在石油化工走业里,有句话叫“Hydrogen is the devil in the refinery”(氢气是炼油厂的魔鬼),它泄露的时候,无色无聊,甚至着的火都是没颜色的。因此电不益储,氢气也不那么益储,更没想象中的那么益用。

甲醇能够是最益的储氢的载体

怎么解决这些题目?怎么让电动车、燃料电池汽车更益地发展呢?吾挑出要用液体的氢气的载体来做,异日能够会有其他更益的液体,现在吾们的方案是:甲醇能够是最益的储氢的载体。为什么?

| 甲醇能够从煤和天然气制,也能从太阳能、风能制

甲醇能够从煤、天然气来制,异日能够用太阳能催化二氧化碳和水来制甲醇,就变成绿色的甲醇。中国现在甲醇产能全世界最高,也许8000多万吨,按吨位来讲挨近汽油1/4的量。

另外页岩气革命让世界发现了将近200年用不完的天然气。有200年用不完的天然气,就有200年用不完的甲醇。天然气是甲醇的质料,天然气这儿供气,那里就能够生产甲醇装船,是专门成熟的技术。气体跨海不幸运,但是一旦转成液体,全世界任何一个港口都能运输,每吨的运费也许也就50块钱旁边,很益处。

在异日,吾们能够做太阳能制甲醇。一年多前,中国科学院大连化学物理钻研所70周年所庆,吾的主题演讲也讲了这个不都雅点。大连化物所的李灿院士已经成功地在甘肃做了示范,用太阳能催化二氧化碳和水转成甲醇,只是今天的成本比煤制甲醇也许每吨要贵出500~700块钱,但是给异日探清新倾向。异日行使太阳能制甲醇,生产的甲醇就十足是绿色甲醇了,这是第一点。

| 甲醇是专门益的液体储氢、运氢载体

第二点,倘若在车上装甲醇,其实装的是甲醇和水的摩尔比1:1,重量比是64%的甲醇36%的水,就相等于64度的酒。甲醇跟乙醇都是酒精的性质,只是不及喝,其他性能都差不多。装在车上,甲醇和水逆答能够制氢,1升甲醇能够放出143克的气,也就是1升甲醇能够储2升液氢,氢气推动燃料电池给车挑供电能。燃料电池是在80度发电,吾们学过炎力学的人就清新卡诺定理,它的效果更高。

今天来望,吾们认为甲醇能够是最益的储氢的载体。氢气随产随用。甲醇在常温常压下是液体,矿泉水瓶子就能够装。那么吾上面讲的液体能源的一切益处都有了,它的能量密度4300千瓦时/立方米,是现在电动汽车电池的挨近20倍的样子。

因此吾们认为,异日氢燃料电池和电动车都有前途,但储能的载体要考虑益。甲醇常温常压下是液体,有了液体能源,人类现在已经投资几万亿美金建成的液体基础设施就不必废失踪了,能够改造后行使。对于清淡的添油站,近年能够是6个罐,前期替换成1个甲醇罐、5个汽柴油罐,再过十年,替换成2个甲醇罐,4个汽油罐。云云整个能源转型就不必要再花多少万亿去建添氢站和充电桩了。

| 甲醇制氢与燃料电池集成给5G基站供电的示范

甲醇供氢永久能够在汽车上用。短期之内,吾们已经用甲醇的分布式能源解决5G基站山顶上的5G基站、边防哨所和孤岛的供电,由于现在这栽远距离的供电经由过程电网成本很高,要实现不中止供电唯一的技术选择是柴油机。

但是柴油机行使柴油每百万大卡的成本比甲醇高一倍,贵;柴油污浊大、噪音大;另外在前不着村后不着店的地方放着柴油的话,夜晚有些人连柴油带柴油机一首偷走了。倘若添设人力维护和安防,成本就会上升。

行使甲醇供氢即便偷走也必要特定的技术才能行使,吾们在广州山顶的一个基站给5G基站已经供电多年,只必要一套装配外添地下埋了500升甲醇和水的罐,甲醇和水制氢气发电,经由过程预警装配,发生偷窃会自动报废或锁定。

柴油死板不能够自动报废,即便报废照样容易缮治,但甲醇制氢发电别人偷走也没用。全世界现在有100万个坏电基站,正本都是竖立柴油机发电,行使这个技术能够把它们救活。那么这个技术足够发展以后,边防哨所、孤岛都能行使,异日缩微后就能够上车,能够解决许多基础设施的题目。

| 大量充电桩行使率不高,杂草丛生

除了吾上面讲的,现在电动车、氢燃料电池车还有一个很大的题目,就是基础设施的题目。氢气的坦然、蓄积都请求必定的占地面积。现在像北上广市中央的地方,每亩土地价值过亿。异日仅占地成本就难以承受。调研表现,现在有些中国已建的充电桩的行使率不到4%,北京、上海这些地方行使率不到1.5%,由于地价题目很难明决。

| 多处报导电动车在北方冬天的“趴窝”

另外一点电动车还有一个题目——冬天的趴窝。信息频繁一到冬天就报道,哈尔滨、北京等地的电动车趴窝。北京前几年最先推广电动车,吾上车后发现司机大冬天穿着军大衣、棉靴子,不敢开暖气。吾说把暖气掀开,司机说他不敢。由于不开暖气,只能跑100多公里,倘若开了暖气,马上就没电了。

请记住,全世界80%的经济产出是北纬25度以上的城市带来的,纽约、伦敦、巴黎、莫斯科、东京、北京、多伦多这些地方,都是有冬天的地方。倘若一个电动车你只能够夏季用,冬天不及用,也会影响它的发展。那么怎么解决这些题目呢?

| 足够行使地下停车场

吾们挑出的方案是插电式醇氢同化动力。不必去建什么充电站,也不要去建添氢站,就在家里地下车库放个几百块钱的慢充的站,夜晚睡眠的时候插上充电。但是车上永久装50升的甲醇。倘若不装这50升的甲醇,比如吾现在在深圳,买一个电动车去广州都不敢跑,由于跑到那就回不来,找到充电桩充几个幼时很延宕事。

但倘若吾车上有了50升甲醇,甲醇制氢发电,能够给电池充电,吾们做一个相等于电动车的“充电宝”。一旦异国电的时候或者冬天冷的时候,装50升甲醇相通装50升汽油相通,甲醇和水逆答的温度是200多度,用余炎就把车能够添炎,也能够把电池保持到最佳温度。基础设施就能够解决电动车“鸡和蛋”的题目。因此吾们实际上经由过程新的技术给电动车和氢燃料电池赋能。

说到近来很炎的碳中和,许多人认为,碳中和主要寄期待于风能和太阳能这些可新生能源,但风能和太阳能最大的题目是担心详,一年8760个幼时,太阳能的发电时间,中国平均在1700幼时,因此许多人说太阳能比火电都益处了,这个话只对了1/7。在1/7时间里成立,但是其他6/7的时间的成本照样火电的益几倍。

中国的风能、太阳能发展了40年,有很大挺进,但现在的发电量也许就是2亿吨标准煤的发电量。而中国的统统发电量是22亿吨标准煤。而且这些风能、太阳能在发展的时候,舍风、舍电也专门主要。为什么呢?由于电网只能原谅15%的非安详电源。风能、太阳能发出来的电,电网没法通盘承受。倘若不息增补风能、太阳能的同时,大周围储能题目解决不了,只能废舍更多。

那么怎么办?吾们挑出来就像把太阳能和风能转成一个液体,相通甲醇云云常温常压是液体的物质,用它来储氢,那么今天液体能源的一切新的概念都能够行使了。

| 甲醇是在行使端连接太阳能和氢能的载体

正如南方科技大私塾长、原清华大学副校长薛其坤院士跟埃隆·马斯克对话挑到的,异日技术的推翻式创新在于太阳能和氢能的可不息循环。吾认为大周围行使的手段是把风能、太阳能的储能以液体的形势蓄积。今天是甲醇,异日也能够是其他更益的液体。把风能、太阳能以液体形势储下来,再行使人类用几万亿美元建的液体基础设施,就能够做到碳中和,而且也能够让电动车和燃料电池有更大的发展。

「 图片 | 视觉中国 」

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