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欧阳明高:新能源革命的高潮正在到来

2021-08-07 13:36
【新能源汽车网】

能源革命是推动工业革命和人类社会发展的重要力量。第一次能源革命实现了从柴薪到煤炭的跨越,动力是蒸汽机,交通工具是火车;第二次能源革命实现了从煤炭到油气的跨越,动力是内燃机,交通工具是汽车。当前,全球正在经历第三次能源革命,第三次能源革命将实现人类社会走向可再生能源时代,动力是电池,能源载体是电和氢,交通工具是电动车。未来可预见的第四次工业革命将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发展。

3月15日,习近平总书记在主持召开中央财经委员会第九次会议时发表重要讲话指出:实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,并提出构建以新能源为主体的新型电力系统。要实现碳中和,最重要的是实现新能源革命。推进新能源革命有五大重点:从传统化石能源向可再生能源转型,尤其是光伏与风电的大规模应用;能源集中式发展转向分布式,推动建筑成为微型发电厂;利用氢气和电池等技术存储间歇式能源;发展能源互联网,以及电动汽车将成为用能和储存能源的终端。

当前新能源革命面临的问题是光伏、风电本身的发电成本很低,但利用成本仍然较高,这其中储能是瓶颈,需要靠电池、氢能、电动汽车等来解决,储能和新能源汽车大规模发展,将推动新能源革命的实现,只有实现新能源革命,才能顺利迈向碳中和目标。

新能源动力系统

电池和氢能技术突破是重要推力

过去几年,能源领域出现的最重大的突破,是汽车动力系统从油电混合动力汽车向纯电动车,乃至氢能燃料电池汽车的迈进,中国新能源产业从此进入了快速发展的阶段。

这其中最重要的推动力量是电池技术的突破。过去十年,动力电池比能量从100瓦时/千克提升到300瓦时/千克,成本从4元/瓦时以上降低到1元/瓦时以内,这是革命性的飞跃。我国的动力电池产业链是全球最完整的,产品供应全球市场。随着动力电池技术的进步,电动汽车的续航里程不断提升,目前续航能力已普遍达到500千米以上,正向着1000千米迈进。可以说,不管是磷酸铁锂电池还是三元锂电池,电池技术的发展已大大超出了人们的预期,并且持续进步和发展的潜力仍然很大,锂离子电池现在达到的能量密度远远低于它所能达到的理论能量密度,至少还有30%~40%的空间可以挖掘。

另一个重要的推动力量是氢能。2020年,我国燃料电池车大约为8000~10000辆,预计2025年燃料电池车约为5~10万辆,2030~2035年大约是80~100万辆,因此,我国急需建设加氢站,在2025年,我国加氢站的数量将超过1000座,这是一个保守预测的数据,最近,中国石化宣布在“十四五”期间拟规划布局1000座加氢站;在2030~2035年,我国的氢气需求量约为200~400万吨/年,加氢站数量将超过5000座。

同时,新能源汽车进入家庭的速度大大加快,目前已经接近市场占有率的10%。预计今年新能源汽车市场保有量将超过200万辆,比去年提升近一倍,根据中国汽车工程学会《节能与新能源技术路线图》最新预测:2030年,新能源汽车销量将达到汽车总销量的40%~50%;2035年将达到50%以上,保有量为1.6亿辆。有些企业家的预测更加乐观——考虑到自动驾驶技术的应用将给客户带来更大的激情,一些企业家认为2030年电动汽车市场占有率会达到90%。

新能源电力系统

“源网荷储”互动调控

新能源动力系统与新能源电力系统非常相似。负荷、电源、储能和网络协同互动,共同构成新能源电力系统。在新能源电力系统中,光伏、风电成本持续下降,预计2035年,风光发电将占80%以上的装机容量和40%以上的发电量,光伏发电成本可降至0.1元/千瓦时,风电成本可降至0.2元/千瓦时,占比快速升高的可再生能源发电给电力系统带来了一系列挑战。

首先是电网技术转型的挑战,高比例可再生能源 高比例电力电子化的“双高”特征给传统电力系统带来了颠覆性变化。传统的电力系统具有“源随荷动”的特征,新能源电力系统则具有“源网荷储”互动调控的特征,这与新能源汽车车载直流微网动力系统类似。

另一个巨大挑战是能量平衡,这包括日内平衡和年内平衡,也包括区域能量平衡。从日内能量平衡来看,当煤电发电总量占比降至40%~50%,全社会日内负荷平移的总需求可达约1400亿瓦时,峰值功率为300亿瓦。从年内能量平衡来看,按照2020年风、光发电特性来推演,到2060年季节性能量不平衡更为显著;3~5月风光过剩,7~9月发电量不足,至少面临约6500亿千瓦时的季节能量转移缺口。从区域能量平衡来看,2020年跨省电力流达到2.5亿千瓦,能源-消费区域不均衡性强,可再生能源的分布将加剧这一特点,预计2035年达到5.5亿千瓦,2050年达7.4亿千瓦,这对电力系统的灵活性提出了很高的要求。低碳转型的先行者德国在没有太多储能的情况下,依靠煤电机组已经实现了高比例可再生能源,相当于传统和新型电力系统并存,但也遇到了一系列挑战,电价几乎上涨了一倍。因此,我国实现碳中和进程中的重点是解决储能的技术瓶颈。

在多种技术路线之中,储能电池和氢能将成为未来主流的储能技术。储能电池和氢能各有特点,两者互补性强。

储能电池是分布式、小规模、短周期储能的最佳选择。目前全球电池产业规模已达到1亿千瓦时,未来最终可能会接近50~100亿千瓦时。我国的电池厂商不断宣称2025年电池产业会进入T瓦时代,也就是年产10亿千瓦时,这会是一个具有百倍成长空间的巨大产业。如果2040年,3亿辆中国乘用车全部都改为电动轿车,每辆车平均储能容量65千瓦时,则车载储能总容量约200亿千瓦时,与中国每天消费总电量基本相当。考虑到基础设施建设情况,2030~2035可能有10%~20%的车辆配备双向充电桩接入V2G市场,调节潜力将超过22亿千瓦。

氢能是可再生能源集中式、大规模、长周期存储的最佳选择。张家口氢能示范表明当可再生能源发电成本低于0.15元/千瓦时,其能源利用全链条技术经济性将凸显。首先,从能源利用充分性来看,大容量、长时间储能模式对可再生电力的利用更充分;其次,从规模储能经济性来看,固定式规模化储氢比电池储电的成本低至少一个数量级;第三,从与电池放电互补性来看,大容量、长周期灵活能源用于燃料电池、燃气轮机,可与电池放电互补;第四,从制运储方式来看,可以通过长管拖车、管道输氢、掺氢、长途输电-当地制氢等灵活方式来实现。

如果2035年,我国的氢能可达到欧洲2030年的目标,即绿氢1000万吨,储能会达到3300亿千瓦时。电解水制氢成本为20元/千克(电价0.3元/千瓦时),如果这一成本可降低到10元/千克以内,那么制氢成本完全取决于电价,电价将占氢生产费用的80%左右,风光发电成本的降低会使制氢储能优势凸显。

目前,电化学储能度电成本仍高达0.6~0.9元/千瓦时,距离抽水蓄能的成本还有一定的差距,中国电化学储能85%的装机量为锂离子电池,锂离子电池储能中约67%为电池成本。

为什么动力电池会成为主流?因为车用电池是竞争性的消费品,规模极大,具备成本持续降低的条件。在最近的10年里,锂离子电池系统成本下降了85%,2020年电池系统成本降至0.6~0.9元/瓦时。预计到2025年,三元电池成本降至0.6元/瓦时,磷酸铁锂成本降至0.4元/瓦时,三元电池循环寿命将超过1500次,磷酸铁锂电池循环寿命将在5000~10000次,但实际上,一辆私人轿车的电池循环寿命达到一千次就已足够,这大幅降低了单次储能成本。

车用电池的成本相对专用的电化学储能更有优势。车用电池无安装费用,储能的同时可以车用,甚至80%的时间都是储能。以2025年的储能预测成本来计算,2025年电动汽车总电量为18亿千瓦时,三元储能成本为0.55元/千瓦时,铁锂储能成本0.25元/千瓦时,这一价格已经与抽水蓄能相当,电动汽车用于分布式储能的成本大幅优于专用电化学储能。

从制氢成本来看,未来电解水制氢的成本将主要取决于材料成本及电价,风光发电成本快速下降带来氢气成本快速下降,最终氢气成本可能会降到1美元/千克,电解水制氢会形成一个巨大的产业。目前来看,碱性制氢在中国的优势是成本极低的同时技术潜力很大,改进的空间极大。

从氢能储运成本来看,对上千公里的运输而言,特高压输电线路是我国绿氢输送的优势通道。绿氢已经被电网视为灵活负荷,可在谷段利用特高压通道长途输电,不进入配电网,直接制氢。当可再生能源发电为0.12元/千瓦时,过网费为8分时,通过特高压上千公里输电(输氢)通道,在用户侧制氢(谷段约8小时/天)加氢(>3吨/)实现加氢枪出口价格在30~40元/千克,比柴油具有竞争力。

智慧新能源系统

形成车网互动的智慧生态

电网和负荷波动性的挑战孕育出以电动车为主体的移动能源互联网,单车数十至上百千瓦充电,对电网稳定性带来了较大挑战;碳中和背景下电网波动性增加,需要灵活电源参与能量互动。

新能源电力与新能源汽车的接口就是充电设施。截至2021年2月,全国充电基础设施累计数量为175.8万台。车桩比已达2.8∶1,在有些区域已经接近1∶1。二者的互动需要从无序充电到有序充电,再到车网互动,在未来,充电桩与车会一直连接,并非充电时才插入,这将形成一个庞大的能源互联网。

未来车载交流充电器将逐步取消,交流充电桩将由具有V2G功能的直流慢充取代,慢充的充电桩还有很大的潜力没有开发出来。对于私家乘用车,可以平时在家或者单位慢充(或车网互动),在高速公路长途跋涉时采用超快补电。2020年中电联公布了大功率快充新标准——“超级充电”,预计2025年可以全面提供超充服务。

将来的能源互联网里,慢充将占据80%的电量,快充占据15%~20%的电量,快充是补电,而非充满。北京城管委2019年对8万辆电动乘用车统计表明:自由充电桩慢充总电量占比已达75%,公共充电中,快充占比已达85%,符合发展预期。另外,对于快充,现在正在研发5分钟充200公里的快充速度,对一辆续航里程为600公里的车,目前是可以做到安全地快速充电。

光储氢充换多能互补微网系统中,快充与快换一体化,我们主张轿车快充,卡车快换,因为换电站有很多备用电池,我们不是直接快充从网上取电,而是快充快换的备用电池给快充的车充电,快充和快换形成互补,不仅更安全,同时也减少对电网的容量需求。

电动汽车与电力系统的互动,可以从单向有序充电到主动参与负荷调节,在配网容量不足时,主动控制充电功率,调整充电负荷,减少充电负荷峰值,提高波谷用电,负荷时域移动促进源荷匹配。

双向车网能源互动中,电动汽车可以作为高灵活性电源,提供削峰填谷、电网调频、虚拟惯量等电网所需的辅助服务,并满足新能源电力系统的可靠性要求。国家电网公司在北京人济大厦设置的双向充放电互动桩,是国内首个纳入调峰辅助服务结算的项目。谷充峰放模式下,车主每度电能赚将近0.4元。

电动汽车参与虚拟电厂。在国外,澳大利亚VPP项目中特斯拉与电商联合推广PowerPlant,已经聚合1000多个家庭,降低20%多的电价,并计划聚合5万个家庭。国家电网在冀北实施虚拟电厂的示范项目已于2020年2月6日正式投入商业运营,4月底总收益为160.4万元,日最高收益近9万元。通过虚拟电厂聚合,电动汽车通过V2G桩参与电力市场交易,负荷聚能,共降成本。

电动汽车区块链将成为未来移动能源互联网的核心支撑技术。能源互联网小范围、高频率、大信息量、多共识机制的交易十分适合区块链的应用,区块链去中心化、不可篡改、可追溯的特点,可以用于电动汽车充换电服务、V2G服务、电池管理和信息安全服务。

综上,车网互动的新能源系统在发电侧可以实现调峰调频,提高电网的灵活性;在输配电侧可降低电网投资,提高电网利用率;在用户侧可减少电费,促进分布式资源消纳,提高可靠性。新能源电力系统灵活调节总体方案分为短周期、小规模和长周期、大规模两种。短周期、小规模采用电动汽车储能,加上集中式换电站,用于调频、日内调峰、应急备用、缓解阻塞、提高电能质量等;长周期、大规模使用氢能,制氢储氢用于季节性调峰、多能互补等。

电动汽车入网特征包括单体容量小、总体数量多,时空灵活性高,响应速度快,可预测性高,具有能量自消纳能力。未来十年我国将形成车网互动的智慧新能源生态。其中黄金组合是分布式光伏 电池 电动汽车 物联网 区块链,即分布式光-储-充一体化智慧能源系统;白银组合是集中式风电与光伏 氢能 燃料电池汽车 物联网 区块链,即集中式风-光-氢一体化智慧能源系统。新能源革命的高潮正在到来,让我们共同迎接这激动人心的时代强音,为碳中和愿景擘画宏伟蓝图。

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