同濟(jì)大學(xué)魏學(xué)哲：能源視角下的電動(dòng)汽車電源關(guān)鍵技術(shù)分析
圖為同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心主任魏學(xué)哲發(fā)表主題演講
5月22日，“2018第一屆新能源汽車及動(dòng)力電池(CIBF深圳)國(guó)際交流會(huì)”在深圳會(huì)展中心舉行。同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心主任魏學(xué)哲在“新能源汽車專場(chǎng)——識(shí)·新政策下車電攜手的變革之路”主題論壇上發(fā)表演講。以下是演講內(nèi)容。
同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心主任魏學(xué)哲：
今天我主要從幾個(gè)方面與大家分享：汽車能源網(wǎng)絡(luò)切換的必要性、電動(dòng)車輛的電源技術(shù)進(jìn)步、汽車能源網(wǎng)絡(luò)切換的可能性、能源網(wǎng)絡(luò)切換的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題、普遍能源支持下的可持續(xù)自由移動(dòng)。
汽車能源網(wǎng)絡(luò)切換的必要性
人類對(duì)自由移動(dòng)是普遍的需求，汽車是速度和自由度的結(jié)合體，對(duì)于很多人來(lái)講要靠公共交通出行，截至2015年，全球共有12.82億輛車。1886年卡爾·本茨獲得汽車專利，之后汽油成為最主要石油產(chǎn)品，汽車與工業(yè)是相互促進(jìn)發(fā)展起來(lái)的，汽車工業(yè)是在石油工業(yè)基礎(chǔ)上的能源體系。
二戰(zhàn)以后石油產(chǎn)量每十年翻一番，先是美國(guó)發(fā)展汽車工業(yè)，之后在歐洲和日本建立了兩大汽車中心。1954-2001年，世界五百?gòu)?qiáng)第一名要么是汽車公司，要么是石油公司，到后來(lái)其他的金融行業(yè)，IT行業(yè)開始崛起。不管怎么樣，汽車工業(yè)和石油工業(yè)在整個(gè)工業(yè)體系里還是占了非常舉足輕重的地位。
過(guò)去汽車污染占1/3，煤改氣以后煤減少了，汽車超過(guò)一半，風(fēng)險(xiǎn)又進(jìn)一步增加，因此在中國(guó)以及歐洲，很多國(guó)家都提出，要把汽車能源切換掉。
過(guò)去一百年，汽車工業(yè)和石油工業(yè)是相互促進(jìn)、相互發(fā)展的狀態(tài)。汽車出行的自由度在增加，保有量持續(xù)增加，但中國(guó)2030年碳排放不能再增加了，這是中國(guó)對(duì)全世界的承諾。污染物的排放要求日益提高，化石能源不可再生，從這樣的角度來(lái)理解，汽車和石化百年聯(lián)姻將面臨解體。在百年的時(shí)間尺度下，放在環(huán)境和能源大格局里，自由移動(dòng)是普遍的需求，這里面需要我們提出來(lái)答案。
電動(dòng)車輛的電源技術(shù)進(jìn)步
汽車從“十五”開始，我們有“三縱三橫”的技術(shù)路線。據(jù)國(guó)際能源署(IEA)2017年發(fā)布數(shù)據(jù)：全球電動(dòng)汽車保有量達(dá)到200萬(wàn)輛;中國(guó)電動(dòng)汽車保有量達(dá)到100萬(wàn)輛，成為全球最大的電動(dòng)汽車市場(chǎng);上海電動(dòng)汽車保有量超過(guò)10萬(wàn)輛，成為全球保有量最大城市。
大家知道現(xiàn)在電池性能不斷提升，價(jià)格不斷降低，不管是鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、三元，從監(jiān)測(cè)到管理技術(shù)都在不斷提升。
現(xiàn)在，以鋰電池為基礎(chǔ)的電動(dòng)汽車不斷進(jìn)步。2016年豐田發(fā)布Mirai，燃料電池取得突破性的進(jìn)展，并且點(diǎn)燃了大家對(duì)燃料電池的信心，Mirai之后本田發(fā)布了Clarity。從中國(guó)的情況來(lái)看，估計(jì)一兩年內(nèi)我們也能達(dá)到這樣的水平。
通過(guò)對(duì)比燃料電池和鋰電池，我們會(huì)看到，在重型車上，不管是卡車還是商用車，燃料電池汽車完勝鋰離子汽車，大客車上也是一樣的結(jié)論。
我們可以這樣理解，燃料電池技術(shù)在大功率、長(zhǎng)距離的里程上應(yīng)用很嫻熟，小型車上目前還是以鋰電池占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。
汽車能源網(wǎng)絡(luò)切換的可能性
要切換到電動(dòng)汽車，電能、電網(wǎng)絡(luò)能不能做好支撐?2016年全球發(fā)電總量24.82萬(wàn)億千瓦時(shí)。從歷史上看，1875年巴黎北火車站建成世界第一座火電站，一百年的時(shí)間里電力工業(yè)經(jīng)過(guò)了瘋狂增長(zhǎng)，其瘋狂程度可能超過(guò)今天鋰電池。
我們換一組算法再來(lái)看，假設(shè)全球乘用車2015年是9.47億輛，每輛車一年跑2萬(wàn)公里，100公里耗電量是15度電，我們得到的結(jié)論是，全球乘用車全部電動(dòng)化后，年耗電量是2.84萬(wàn)億千瓦時(shí)，占當(dāng)年發(fā)電量11.7%。
普華永道給出的數(shù)據(jù)，2030年乘用車保有量是2.75萬(wàn)億輛，同樣如果按照一年2萬(wàn)公里，百公里15度電的話，全部電動(dòng)化之后耗電量是0.825萬(wàn)億千瓦時(shí)，按預(yù)計(jì)發(fā)電量的5.7%，即使把車輛全部切換到電網(wǎng)上來(lái)看，也不過(guò)就占全年發(fā)電量的10%左右，還是可以接受的數(shù)據(jù)，不是像有些人講的，會(huì)出現(xiàn)電不夠用的情況。
我們來(lái)算一下功率，功率能不能滿足?
拿上海市來(lái)算，2010年、2011年、2012年、2015年、2020年，平均復(fù)合功率是第二行里顯示的，10萬(wàn)輛電動(dòng)車是今天的情況，假設(shè)同時(shí)充電，20萬(wàn)輛同時(shí)充電，50萬(wàn)輛同時(shí)充電，我是按照慢充考慮，大家會(huì)看到50萬(wàn)輛車同時(shí)充電的情況下，根據(jù)2015年的數(shù)據(jù)，平均復(fù)合來(lái)算大概是9%，2020年是7%，可以得出一個(gè)結(jié)論，能量沒(méi)有問(wèn)題，功率也沒(méi)有問(wèn)題，我們講的還是總量，總量上沒(méi)有問(wèn)題，局部有沒(méi)有問(wèn)題?局部可能是有問(wèn)題的，局部的問(wèn)題要靠局部的優(yōu)化解決。
現(xiàn)在還有人在提，車輛電動(dòng)化之后還是增加排放了，無(wú)非是把排放轉(zhuǎn)到發(fā)電廠。我們按照這樣的能源結(jié)構(gòu)再算一下，燃油車1.1噸，發(fā)動(dòng)機(jī)1.5L的話，我算兩個(gè)數(shù)，一個(gè)是生產(chǎn)階段的碳排放，一個(gè)是使用階段的碳排放，按照10萬(wàn)、15萬(wàn)公里來(lái)算，一個(gè)是燃油車，一個(gè)是深度混合，另外是中續(xù)航里程。假設(shè)開200公里，或是再增加開300公里算，電動(dòng)車不管是200公里還是300公里，和傳統(tǒng)燃油車相比還是有明顯的碳排放改善，這個(gè)情況不如深度混合汽車。
現(xiàn)在火電、煤電的比例已經(jīng)降到49%，其他的可再生能源、天然氣會(huì)上升，假設(shè)站在這樣的角度，我們重新再算一次，傳統(tǒng)燃油車的比例從36.9噸下降到32.2噸，深度混合動(dòng)力降到24%，長(zhǎng)續(xù)航里程電動(dòng)車降到22.3%，這個(gè)時(shí)候我們會(huì)看到，即使對(duì)于混合動(dòng)力來(lái)講，電動(dòng)汽車也可以完勝。
發(fā)電效率的提高與電力結(jié)構(gòu)的調(diào)整，中國(guó)發(fā)一度電需要耗多少煤，原來(lái)700多克到現(xiàn)在300多克，也還是有很大的碳排放效率。另外電池能量密度的提升，現(xiàn)在大家都在談300瓦時(shí)/公斤，還是350瓦時(shí)/公斤，現(xiàn)在也不太好判斷。
隨著電壓的提高和新一代電子器件和整車的優(yōu)化，10度電100公里的概念，應(yīng)該是有可能完成的，綜合這些因素考慮電動(dòng)車的碳排放效果會(huì)有比較大的提升空間。
現(xiàn)在全球范圍內(nèi)充電基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模在快速增加，以慢充和私有樁為主，中國(guó)2017年已經(jīng)突破20萬(wàn)樁。
再來(lái)看一下氫。總的來(lái)講，中國(guó)氫能的總量非常大，2016年工業(yè)副產(chǎn)氫氣1189萬(wàn)噸，棄水棄風(fēng)棄光電可制氫196萬(wàn)噸，核電棄電可制氫146萬(wàn)噸。換算一下，假設(shè)一輛車每年用300天，每天用氫0.5公斤，差不多可以開50公里，這些既有資源可以分別供7900萬(wàn)、1300萬(wàn)、970萬(wàn)輛燃料電池車運(yùn)行。截止到2018年2月，中國(guó)大陸正在運(yùn)行的加氫站有12個(gè)，在建加氫站19個(gè)。
能源網(wǎng)絡(luò)切換的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題
所謂普遍能源網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)從石油網(wǎng)絡(luò)切換到基于電能和氫能的普通能源網(wǎng)絡(luò)，氫能可以使新能源發(fā)電的碎片化問(wèn)題得以解決，總的儲(chǔ)能量還是太少，我們?cè)诮鉀Q可再生能源的碎片化問(wèn)題上還是不可或缺的技術(shù)。
我們能夠想象出來(lái)，石油網(wǎng)絡(luò)切換到電網(wǎng)絡(luò)，車輛和過(guò)去石油網(wǎng)絡(luò)是弱耦合的關(guān)系，將來(lái)會(huì)變成強(qiáng)耦合的關(guān)系。能源補(bǔ)充系統(tǒng)會(huì)和信息的交互結(jié)合在一起，汽車工業(yè)的優(yōu)化問(wèn)題需要在更大范圍內(nèi)求解，從終端問(wèn)題升級(jí)為能源、交通兩個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題。
截止到今天，我也不認(rèn)為電動(dòng)汽車的性能會(huì)比燃油汽車好，也就是說(shuō)，如果僅僅從汽車來(lái)談，為什么要切換到電能上，其實(shí)做不出答案，沒(méi)有辦法說(shuō)服包括我在內(nèi)的很多做汽車的人，不認(rèn)可這個(gè)事情。但是我們要放到更大的范圍內(nèi)談這個(gè)事情。
普遍能源支持下的可持續(xù)自由移動(dòng)
人類自由移動(dòng)的普遍需求，需要建立在普遍能源基礎(chǔ)上，具有百年歷史的汽車將在普遍能源的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上持續(xù)發(fā)展。
這是我的報(bào)告，謝謝大家。
(根據(jù)嘉賓發(fā)言整理，未經(jīng)嘉賓審閱)
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