欧阳明高院士:新能源革命将发展出四个10万亿规模的大产业

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我汇总了欧阳明高院士 14 篇有关碳中和的深度思考,共 100 页,包含新能源汽车、氢能、动力电池等多方面内容,下文选自其中一篇,主要包括以下内容:

1、预计 2035 年左右,电动汽车市场将发展成为年销量 2500 万辆,全产业链产值近 10 万亿的大产业。

2、氢能汽车为先导,将带动绿色氢能全产业链发展,成为一个更大的战略性产业。

3、新能源智能汽车,既是智能终端也是智慧能源的储能方式,就像手机是移动的信息网一样,电动汽车将成为移动的能源互联网。

4、汽车行业的智能化技术变革,吸引了几乎所有的信息与互联网厂商介入智能汽车行业,这也是一个大的风口。

5、预计电动汽车的大规模普及,会带来基于车网互动的智慧能源生态,形成万亿级的智慧能源产业。

6、新能源汽车与新能源革命将带来工业革命与经济转型。

我之前发布了欧阳明高院士的另一份 PPT《以储能为核心的新能源革命技术路径探索(附视频解读)》,可点击查看。

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欧阳明高院士:新能源革命将发展出四个10万亿规模的大产业插图
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欧阳明高院士:新能源革命将发展出四个10万亿规模的大产业插图1
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01

碳中和与新能源革命的背景

我们面向“碳中和”的目标,要实现这个目标,必须推进新能源革命。大家知道,在历史上,全球已经经历过多次能源转型。第一次能源革命,动力是蒸汽机,能源是煤炭,交通工具是火车,它带动了第一次工业革命。第二次能源革命,动力是内燃机,能源是石油和天然气,燃料主体是汽柴油,交通工具就变成了汽车——这大概是在 100 多年前实现的。

我们现在正在经历的是第三次能源革命,这一次我们将以可再生能源为主体,以各种电池为主要动力,然后我们的能源载体将会是电和氢,新的交通工具是电动汽车。我们认为第四次工业革命将是在此基础上引发的,那就是以可再生能源为基础的绿色化和以数字网络为基础的智能化。

新能源革命的核心有四大要素。大家一定知道这本书叫《第三次工业革命》,它提到了五大支柱,新能源的五大支柱是:

第一,向可再生能源转型,尤其是光伏和风电。第二是集中和分布式结合的发电系统,让我们的建筑变成微型发电厂。第三是用氢气、电池等技术存储间接式能源。第四就是发展能源互联网,最后使电动汽车成为用能、储能并回馈能源的终端,这就是这本书给我们提出的新能源革命的五大支柱。

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它有四大要素,就是硅能、氢能、储能、智能。现在在我们中国,光伏、风电已经完全具备大规模推广条件,但是它的灵活性调节资源是瓶颈,因为风电光伏是靠天吃饭,是波动的,所以需要靠储能电池、绿色氢能、电动汽车、智慧能源来解决。因此我们新能源的主攻方向就是氢能、储能、智能。

新能源总体是两大系统——动力系统和电力系统,动力系统来自于新能源汽车;电力系统,就是我们现在要改造升级的能源电力系统。这两大新能源系统具有相似性,新能源动力系统和新能源电力系统的共性技术是相似的,共性的瓶颈都是储能技术。

同时我们两大新能源系统还有依从性。新能源汽车需要绿电和绿氢才能成为真正的新能源汽车。而新能源的发展又需要新能源汽车的电池和氢能技术,解决发电波动问题。现在新能源汽车已经发展起来了,大规模的产业化进入普通人的家庭,所以可以以新能源汽车来推动新能源革命。

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我在清华的课题组也是这样做的,我们以前是做新能源汽车的动力系统,现在也进入新能源技术领域来推动新能源革命。这就是我们现在的团队面向新能源革命的储能、氢能、智能三位一体的研发体系,我们不仅仅做研究,我们也有三个板块的产业化推广中心和创新创业的企业群。

下面我想就三个问题给大家介绍。这三个问题是纯电驱动汽车与电池储能、燃料电池汽车与绿色氢能、自动驾驶汽车与智慧能源。

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02

关于纯电驱动汽车与电池储能

大家知道我们国家在“十二五”选择了以纯电动作为新能源汽车产业化的突破口,这是根据中国交通体系的特色和交通电气化的优势来决定的。我们有电气化的高铁,我们有电气化的城市交通,比方地铁、新能源大客车等。

我们还有面向城镇和农村的,广大的农村大部分都采用的是电动自行车,我们有几亿辆,所以我们可以在这样一个电气化交通优势的基础上,发展新一代的个人轿车,就是小型电动轿车。因此在 2009 年,我们正式形成了纯电驱动的中国新能源汽车技术转型战略。这就是中国的纯电驱动跟以丰田为代表的国际模式的区别。

他们是从先进的燃油车到混合动力车,再到燃料电池车,而我们是以锂离子电池和纯电动汽车为平台,带动混合动力和燃料电池汽车的全面发展,这就是我们的战略。

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在 2014 年,我国确立了新能源汽车是中国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路,中国新能源汽车产业化从此进入了快速发展阶段。我们从 2011 年的年产 6000 辆,到今年要超过 600 万辆,十多年增长了 1000 倍。再往后看,我们还会快速增长。

比如我们今年大概会到 600 多万辆,增长速率 90%,明年可能增长速率会下来,但是基数变大了,到 2025 年就会达到 1200 万辆的年产量。所以预计 2035 年左右,电动汽车市场将发展成为年销量 2500 万辆,全产业链产值近 10 万亿的大产业。

新能源汽车在发展过程中,带动了我们动力电池上水平、上规模。比如大家熟悉的,电动汽车刚开始的续航里程 100 多公里,电池的比能量只有 100 多瓦时,现在我们的比能量已经不断提升到 300 瓦时、350 瓦时,续航里程也在不断提升,现在普遍达到 500 公里以上,甚至 1000 公里的续航也是可以做到的,只是成本偏高。

再下一步,电池的技术创新潜力巨大,新一代电池技术在不断取得突破。比如我们下一步是 350 瓦时 / 公斤普遍应用,再到 2030 年,400 瓦时 / 公斤的电池就会产业化,到 2035 年,500 瓦时 / 公斤的电池也会全方位产业化。这中间我们电池产业的规模也在不断扩大,比如今年上半年,我们锂离子电池全产业链的产量就超过了 280GWh,增长了 150%。

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全行业的收入突破了 4800 亿,预计全年将突破万亿。我们明年的电池产能规划已经大于 1000 个 GWh。2025 年我们国内电池需求量和出货量预计达到 1200GWh,就是 12 亿千瓦时。宁德时代的曾毓群董事长也预测,2030 年我们全球电动汽车装机就会达到 4800GWh,价值将近 5 万亿人民币。所以这是一个巨大的产业。

不仅是电动车要用,下一步储能也是一个重要方向。大家看我们新型的储能,这是传统储能抽水蓄能,新型的储能基本上都是磷酸铁锂电池。展望未来,整个电池产业的规模包括了储能将不断增长。当然大型的锂离子电池的储能电站的安全问题是一个挑战。

我们在清华大学建立了电池安全实验室,目前是全球在学术机构中规模最大的电池安全以及团队。经过十几年的研发我们已经形成电池安全整套技术与解决方案,并正在开展全球合作,为国内外企业进行电池安全技术的研发和产业化。

现在,我们逐步从电池安全的研究发展到安全电池的开发与产业化。比如全固态电池、安全电池系统和下一代智能电池,我们也培育一些电池方面的创新创业企业。

03

燃料电池汽车与绿色氢能

大家要知道,中国的燃料电池汽车也具备国际竞争力。根据 2021 年的全球燃料电池汽车的出货量统计,其中商用车基本上是在中国推广,所以燃料电池商用车是中国的特色和优势,跟 10 年前的纯电动轿车类似,正在引领国际潮流。中国发起成立了国际氢能燃料电池协会来推动全球的氢能产业的国际合作。其中国外的会员单位占了我们协会的一半还多一点。

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燃料电池汽车的产业化也带动了氢能基础设施的发展。随着燃料电池汽车逐步的产业化成长,制氢、储氢、加氢等等都会得到大的发展,会带动整个氢能产业的发展。也就是以氢能汽车为先导,带动绿色氢能全产业链发展,而氢能产业就是一个更大的战略性的产业。

全球氢能的产量,预计到 2050 年会达到 6.6 亿吨。它不仅用在交通,还会用在电力、建筑、工业原料等等。氢能产业链是一个非常长的产业链,有一个大的产业集群,也是一个具备 10 万亿规模潜力的产业集群。其中电力应用就是氢储能,它是中国绿色氢能应用的下一个战略方向。

什么叫氢储能?就是在风电光伏富余的时候,用电解水的方式把它制成氢储起来,当风电光伏不够的时候,我们再把它用于发电补上去,这就是氢储能。

大家知道我国有大量的火电厂、调峰电厂,我们需要氢这样一种新的燃料来逐步取代煤。氢储能在未来会是季节性储能方式的主体。我们中国有十几亿千瓦的煤电厂,它的燃料升级需要氢燃料发电。这是一个庞大的系统工程。

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我在清华的研发团队对绿色氢能和燃料电池进行了大量的研究,经过近 20 年的研发,掌握了氢燃料电池的成套技术,也培育了中国氢能的第一股亿华通科技公司。现在亿华通已经是一个企业集团,它具有 10 家公司,进行了氢能全产业链布局。

另外,我们面向中远期的应用,也在开展电解水制氢装备的研发,包括了固体氧化物、质子交换膜和碱性电解,其中正在产业化的是碱性电解系统。基于发电和制氢技术,可以推动氢储能在火电厂的应用。我们在北方能源基地正在规划氢储能示范项目,分析发现集中式光伏基地与氢能有一个存储和消耗的年周期循环,这样就可以通过氢储能实现太阳能的季节性能量转移。

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我们还在推动包括包头、张家口、北京在内的氢走廊建设,其中把张家口作为总部基地和综合示范基地,建设氢制备、氢储运、氢功能、氢动力。现在在张家口已经有 500 辆燃料电池公交车,9 个加氢站,万吨的风电制氢厂,还有万台级的燃料电池发动机基地。在包头主要是进行商业示范。在北京主要是进行国际合作和研发,在联合国工业开发署和北京市政府支持下,已经建成北京国际氢能中心。

04

自动驾驶汽车与智慧能源

新能源电动汽车进一步发展就是智能化的新能源电动汽车。我们新能源的智能汽车,既是智能终端也是智慧能源的储能方式,而且我们的电动车辆,它也需要智能制造。

所以它会引领智能化革命,包括智能制造、自动驾驶、智慧能源。现在电动汽车智能化座舱,还有车联网来辅助驾驶等等功能,正在使电动汽车逐步自动化,以后还会有自动驾驶,甚至将来可能的无人驾驶。同时就像手机是移动的信息网一样,电动汽车将来是移动的能源互联网。因为每辆电动汽车上的电池都能够用于储能,进行车网互动,大量的汽车储能链接起来就是移动的能源互联网和分布式虚拟电厂。

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在这个过程中,汽车行业的自动化技术变革吸引了几乎所有的信息与互联网厂商介入智能汽车行业,这也是一个大的风口。我要重点强调的是,随着电动车保有量的增长,我们城市的配电网将会不堪重负,如果大家都是无序充电,晚上回家充电,电网会受不了。所以必须要开发电动汽车车网互动功能。

首先要有序充电,即自动调整充电时间,也就是电力负荷比较低的时候,比如后半夜充电。进一步的可以车跟车充,也可以把车作为家庭的一个储能装置,如果屋顶有光伏,可以把光伏的电存在车上的“电厂”里,车作为储能电源给家里供电。

还比如车上电池与建筑楼宇车网互动,可以给写字楼供电。当然也可以与园区的微电网互动来储能和供电,既可以从网上取电,也可以给网上放电。甚至我们还可以跟配电网进行能量交换,这就是我们所谓的多功能车网互动 V2X,使电动汽车真正成为一个智能能源终端。

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当然,一辆车的能量是很有限的,车网互动需要聚合,聚合就有巨大的潜力。比如 2040 年,中国电动车保有量会到 3 亿辆,如果每辆车平均 65 度电,我们车上就可以装 200 亿度电,这个就是中国现在每天消费的总电量,就可以存这么多。那么它有多大的功率?到时新能源汽车对电网的功率支撑能力可以达到 30 亿千瓦左右,基本上相当于未来 2040 年全国电网非化石装机功率的一半,这是非常大的。

所以我们预计电动汽车的大规模普及,会带来基于车网互动的智慧能源生态。首先未来 10 年,有可能形成产业的黄金组合,就是“分布式光伏 + 电池储能 + 电动汽车车网互动 + 物联网 + 区块链”。随着我国的光伏总装机进入 10 亿千瓦时代,电池进入百亿千瓦时时代和电动汽车进入亿辆时代,我们就可以形成万亿级的智慧能源产业。

面向 2060 年碳中和目标,会形成另外又一个更大的黄金组合,就是用户侧分布式光伏会进入 20 亿千瓦规模,电动汽车会达到 4 亿辆的规模、电动汽车车网互动会形成百亿千瓦时储能的规模,这个电池容量就更大了,会超过 250 亿千瓦时,所以这个黄金组合的大生态会形成一个更大的 10 万亿级的产业。

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总之,电动汽车会形成一个巨大的电力系统用户侧的能源互联网,通过汽车把我们的停车场、智慧楼宇、园区,还有公路快充快换站的能量流链接起来,汇集起来。我们清华团队基于车网互动的这些场景开发了一系列技术,相关的示范和产业化项目正在京津冀、港珠澳两大城市圈落地,并跟很多企业形成了合作关系。

以其中的快充快换场景为例,我们开发 350 千瓦快充技术,5 分钟可以充 200 公里,正在产业化。我们开发的快换技术 5 分钟可以把重卡的电池换掉,形成重卡的电动化。而且这两者结合起来,我们还构建了光 - 储 - 充 - 换一体化的互补型智慧能源系统。

所谓互补型,就是我们用重卡换电站的备用电池给轿车超级快充,因为大功率充电一般都要用储能电池,不能直接从电网取电。在站上再建设光伏,这就是所谓的光伏充换一体化互补型智慧能源系统。我们把它称作电动汽车时代的加油站。

整个互补型智慧能源系统还可以与电网互动进行调峰和调频,其中调频就用我们给电池快充加热使用的大功率双向脉冲技术。我们在冬奥会期间已经建立了全球首个光储充换一体化的综合示范平台,这是跟国际壳牌公司合作的。

05

总结与展望

新能源汽车与新能源革命将带来工业革命与经济转型。未来二三十年,汽车产业、信息产业、交通装备产业和能源化工相关产业将发生百年未有之大变局。这就是 100 年前汽车替代马车的过程,跟我们今天很相似,它也是在二三十年期间就基本完成了转换。我们很期待未来二三十年的大变局。

我总结一下,第一,新能源汽车正在进入大规模产业化的新阶段,预计未来 10~15 年左右发展成为一个 10 万亿规模的大产业;

第二,纯电驱动汽车将带动交通全面电动化和电池与储能产业的大发展,预计 10 年到 15 年左右也能发展成为 10 万亿规模的大产业;

第三,燃料电池汽车将推动绿色氢能战略性产业集群的大发展,预计 15 年到 20 年左右发展成 10 万亿规模的大产业;

第四,智能电动汽车产业化将带动下一代信息产业以及车网互动和分布式光伏这一黄金组合的大发展,预计 20 年左右,发展成 10 万亿规模的大产业。

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正文完
 
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