菲龙网编辑部7 发表于 2021-12-17 17:51

陈忠伟:我们预测40年后,新能源汽车销量会占到汽车市场80%以上

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  12月17日-18日,2021网易未来大会盛大举行。为期两天的大会,将在原力觉醒、未来之城、国潮、灵感无界、和文化、元宇宙六大论坛里,分享更多的智慧和灵感。大会上,加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士陈忠伟 ,发表了《新能源电池的突破和创新》主题演讲,就全球现阶段能源结构的转型大趋势,以及我国碳达峰、碳中和战略推出,向观众介绍了新能源革命到来之际,新能源汽车发展历程与现阶段的重要意义,以及未来发展趋势。陈忠伟谈到,发展新的电池基础,在碳达峰、碳中和国家战略工作中,有着极其重要的作用。

  事实上,回顾世界能源革命和工业革命,汽车的电动化已经是大势所趋。此外,电动汽车将对改善全球环境生态有重大贡献。回顾电动汽车历史,现阶段新能源汽车的市场规模发展迅速。以特斯拉为例,其发展的轨迹与市值增长,正是电动汽车蓬勃发展的绝佳缩影。另一方面,氢燃料电池也成为另一个追逐的热点,比如近年来nikola热度不退,其尚未正式量产,但可反映出市场对氢燃料电池电动车的强烈期待。
  陈忠伟认为,氢燃料电池与电池电动在储存、转化,尤其是电池能量密度有很大不同,各有长短。在能量利用效率,电池电动能量利用率能达到70%以上,远高于氢燃料电池的20-30%。不过,氢燃料电池能量密度更高,燃料更为灵活,有更高的续航能力,重量和体积上相比锂电池更有优势。对此,陈忠伟提出,两个电池代表的两个方向,各有市场。未来,氢燃料电池应会聚焦于商用车。未来电池电动,将会向更高能量密度方向发展。其中关键在于,燃料电池需要解决的最大问题在于成本,在于核心材料的国产化,包括催化剂、储氢系统等。但毋庸置疑的是,展望未来,新能源汽车将成为汽车市场的主流。



  以下为陈忠伟演讲实录:
  今天和大家共同探讨新能源汽车的未来。电池和燃料电池,过去20年来我一直从事电化学能源,对普通人来说,为什么电池又要放个燃料电池,确实有区别。我希望根据我20年的经验跟大家一起共同探讨一下这个话题,希望大家通过这次探讨有深的认识。
  前面几位嘉宾已经分享过碳达峰碳中和的重要使命,其实碳达峰碳中和在大的背景下,PPT上的三个国家和地区,中国、美国、欧盟,这是人类主要排放的三个国家和地区。中国,2030年碳排放达到顶峰,60年实现碳中和,美国2030年二氧化碳减半,欧盟,2030年二氧化碳下降55%,这三个国家和地区做出承诺以后,意味着整个二氧化碳的减排进入实质性阶段。
  要达到二氧化碳的减排,中国领导人也提出了一个明确的目标,包括十九大提出“三个方式”的转变,第二个方式的转变是能源系统的转型,对整个新能源的利用进入了新的阶段,要推动新能源的发展,发展新的电车技术显得非常关键。
  历史上到现在,人类已经有两次能源革命,第一次能源革命,从木材到煤炭的转型,第一次能源革命伴随着蒸汽机的广泛应用,在交通工具上体现在火车。第一次能源革命很有意思,也伴随着整个工业体系的革命,包括钢铁行业,各方面的行业,伴随着英国超越了荷兰的过程;第二次能源革命,从煤炭转向油气,媒介是内燃机,内燃机的应用伴随着汽车工业革命性的变化,第二次能源革命也伴随着美国超越英国,成为世界第一强国;随着双碳目标的推进,新能源革命已经开始了,第三次能源革命是新能源革命,新能源革命意味着使用电和氢能,电和氢能的应用伴随着电池和燃料电池的应用,在交通工具上体现在电动车上。伴随着新能源革命的工业革命已经再新能源汽车行业开始了。
  电动车的发展,许多国家和地区已经提出非常明确的目标,欧盟2035年提出新能源汽车排放降至零,意味着2035年之后,欧盟的内燃机发动机要退出市场;中国可以预测到2030年新能源汽车将主导国内的市场,比如今年中国的新能源汽车已经超过了300万辆,这是从量变到质变的过程,非常重要的里程碑,估计明年有更大量的增长。
  美国计划是2030年40%的汽车销量是电动车,加拿大2035年就计划氢型汽车实现零排放,内燃机汽车退出市场,这是大的全球背景。
  在全球大的背景下,电动汽车的应用跟二氧化碳减排或者污染物的减排密切相关,假如我们还是用传统的内燃机,如果用传统化石燃料,二氧化碳的量一直增长,如果用电动汽车,采用新能源发的电,可以减少60%的二氧化碳排放,如果用氢燃料电池汽车,氢能也是从新能源产生,整个二氧化碳的减排会下降80%,这是一个很大的贡献。
  电动汽车的发展历程,其实比较简单,电动汽车在1899年已经出现过,那个时候的电动车是实验性的,没有真正的商业化,但是它当时跑起来的性能还不错,由于内燃机的快速发展,因为性能各方面的指标远远落后于内燃机,就被市场所淘汰了。电动汽车的电池技术又回到汽车市场,从1997年混合动力,丰田的混合动力采用了一块小电池,这个时候电动车小的概念回来了。商业意义上的电动车回到市场是2008年特斯拉的Roadster,第一代真正商业意义上的电动车,氢燃料电池汽车,商业意义上是2014年丰田Toyoty Mirai,Mirai是未来的意思,这是氢燃料电池汽车。
  我们看一下整个汽车市场,在过去几年中,全球的汽车销量基本上比较稳定,稳定在7800万辆左右,2020年,因为疫情的影响,销量有所下降,但是整个市场还是比较稳定的,在汽车市场比较稳定的情况下,我们看一下右边这个图,整个电动汽车销量的增长,从十年前开始,十年前这个销量基本上忽略不计,在过去十年中,每年基本上有百分之几十乃至成倍的增长,2020年电动汽车占汽车销售市场的4.2%,整个规模非常庞大了。今年这个市场规模又有了进一步的扩大。
  根据我们的预测,到2060年,40年之后,基本上整个新能源汽车销量会占到汽车市场的80%以上,传统的的内燃机汽车产业慢慢将退出历史舞台。
  电动汽车的发展从特斯拉从股市上来看,很有意思。今年11月份的市值达到1.1万亿美元,丰田代表的是传统汽车生产厂家,以前是市值最高的传统汽车车企,今年市值2600亿美元,现在特斯拉的市值是丰田的四倍以上,2019年丰田汽车销量超过一千万台,特斯拉2019年40万台都不到,市值跟汽车的产能完全反过来,这意味着所有的投资者、消费者,对整个特斯拉为代表的新能源汽车未来发展前景的认可。
  特斯拉的发展历程我们可以看一下,非常年轻的公司,2003年成立,马斯克是2004年加入的,原来的创始人是两个人,他是2008年开始担任CEO,第一辆商业意义的电动车投放市场。还有一个重要的节点,特斯拉是2010年开始上市IPO,那时候市值不高,只有几亿美元,随着技术的快速发展,2015年非常重要,他的Model X和智能驾驶系统开始采用,2019年,上海的超级工厂动工,意味着特斯拉的生产能力有了急剧的增长,2020年特斯拉在中国生产的Model3正式投放市场。2010年IPO的时候17美元一股,发行了1330万股,市值比较小,几亿美元。真正的市值开始上升,跟产能的扩大很有关系,2017年4月份,特斯拉超越了福特汽车,5月份超越了通用,2020年1月份,超越大众,2020年6月10号,中国工厂的投工生产,特斯拉市值超越了丰田,到今年,一年之后,市值又翻了四倍,意味着整个电动汽车的市场已经完全进入了快速发展的通道。
  我们今天讨论的主题还有氢燃料电池,可以看一下美国的一个新上市的公司,Nikola,他主要的目的是要提供生产氢燃料电池重型卡车,在美国高速公路上布上加氢站,把这个租给卡车司机使用,保证租金比传统柴油便宜,通过运营平台的概念,就上市了,2019年到现在为止一辆汽车还没生产,当时上市的时候市值150亿美元,这非常像十几年前整个电动汽车发展的阶段。
  未来的电动汽车有三类型,中间是混合动力,还不是真正的零排放,左边和右边的氢燃料电池电动是未来真正意义上的零排放的汽车,这三种汽车在整个市场长期存在,最终我们希望用电池电动或者氢燃料电池电动,这两种技术到底有什么区别?
  首先看一下能量利用效率,加入用电池电动,从发电到电的传输,再到充电,到电池里,再到推动汽车电机的运行,整个流程比较简单,这样简单的流程有一个非常大的好处,整个系统下来,能量利用率非常高,可以达到70%-90%,对比一下下面,假如用氢燃料电池,整个氢能系统,比如我们从发电开始,再到电解水制氢,再到氢气的压缩液化、氢气的输送,推动加氢站电池的运行和发电,燃料电池会给电池充电,再推动电机的运行,整个流程下来,相对比较复杂,比较长,这个长的后果就是能量利用效率会降低,只有25%-35%,从能量利用效率来说,电池的整个系统确实占了很大的优势。比如传统的能量利用效率,传统的更低,整个链条下来,只有13%左右,新能源的话,不管是氢能源还是电动汽车,整个效率比传统的高,但是能效对比来说,电池电动汽车系统确实是最高,马斯克说的是对的。
  但是,锂电可以充电和放电,是能量储存,电化学储能系统,氢燃料电池,氢气进去之后,通过电化学反应来放电,是电化学能源的转换系统,他们的共同之处,他们中间是电解液系统,左边负极右边正极,都是电化学反应,一个是电化学能量储存,一个是电化学能量的转化,他们还有一个更大的区别,左边的锂电池是密封系统,意味着所有的活性物质在制备过程中放到电池里,放了多少活性物质就决定了有多少电能能够储存在里面,能量密度是固定下来了。我们看一下右边的氢燃料电池,从系统反应里可以看到,最右边,氧气是从空气里免费输送进去的,氢燃料电池工作的过程中不需要携带氧气,从这个角度能量密度比较高,还有一个氢燃料电池的优点,从左边氢气进去,从氢气罐进去,就像燃油汽车,汽油从油箱里进去一样,氢燃料电池有一个特点,燃料比较灵活,比如我加5公斤氢气跑500公里,再多加两个氢气罐可以跑一千公里,中间的燃料电池像发动机一样,不需要变化,但是锂电不行,因为它的能量密度是固定的,假如从500公里跑一千公里,意味着要多放一倍以上的电池,成本增加,重量和体积成倍的增长,从能量密度角度,燃料电池有很大的优势,右边加氢,氢气罐,加氢跟加油一样方便,快,只要三分钟就搞定了,跟锂电对比,手机充电,电动车充电,还有一个比较长的时间,要几个小时,对消费者使用情况,氢燃料电池有很大的优势,不用改变普通消费者的使用习惯,没有里程焦虑,从这个角度来说,我们可以看一下现有的电动汽车,左边的电动汽车是特斯拉的Model3,成本已经降到了25万左右,快接近燃油汽车了,适配60千万时的电池,最佳状态可以跑500公里,如果是在极端气候的情况下,跑的里程数就比较短了。我们可以看一下氢燃料电池,2021年的一款,加5.6公斤氢气可以跑650公里,据说今年的测试,如果把储氢罐提到6.8公斤,可以跑一千公里以上。还有混合动力,现在的性价比最好,从长远来看,为了零排放,中间这个早晚要去掉。
  对比一下,电池系统和氢燃料电池系统,各有各的优缺点,效率和使用成本来说,电池电动有优势,续航里程或者消费者的使用习惯,包括加氢的快捷程度,氢燃料电池有很大的优势。
  综合起来,我们认为各有各的市场,根据优缺点的不同,就现阶段来说,个人消费者,电池电动非常有优势,这也是为什么特斯拉、比亚迪为首的新能源汽车卖的非常好。氢燃料电池主要的市场会在商用车上,重型卡车、物流车和公共汽车,因为我们重型汽车用的都是柴油机,柴油机的污染非常大,中国来说,整个商用车占了整个汽车市场的12%,就这12%的汽车,排放占了整个汽车的80%以上,从这个角度来说,氢燃料电池在未来几年的发展,在商用车上非常巨大,因为他对减排的意义非常大,特别是对城市污染的减少贡献非常大,在各有优缺点的情况下,就电池技术来说,未来会朝着高能量密度,长寿命低成本高安全性发展,燃料电池,我们会朝着低成本高耐久性的方向发展。
  包括我们自己研究团队短中长期的发展,短期集中在现有的锂离子电池,下一代锂电,包括硅碳负极,低成本的正极材料,储能市场快速扩展,下一代钠离子电池技术也会在未来几年进入市场,包括再下一代的锂硫电池和固态电池,还有氢燃料电池,氢燃料主要是降低成本上。氢燃料电池对整个材料的要求比锂电池的要求还会更高,从电化学反应的机理来说,现有的锂电电解质是液体,电极是固态,固液两项反应;氢燃料是气固液,涉及到气体、固体、液体,三项平衡,要求非常高,也是最难掌握的,这样对整个材料提出更高的要求,材料的要求占成本的一半以上,整个成本非常高,整个燃料电池的成本到现在为止,核心材料,像中国70%以上都是进口的,有的核心材料,像离子交换膜和碳子90%以上都是进口的,所以要发展第一个要降低成本,能不能把核心材料国产化,大规模生产,整个成本的发展,特别像这个核心材料,燃料电池催化剂,未来要降低贵重金属的用量,用非贵重技术,这是大的发展方向,减少用量,这是美国能源部的目标,降低白金用量,包括发展非铂催化剂,还有一个非常重要的双极板,涉及到气固液双向平衡,还有核心的离子交换膜,基本上像美国、日本、加拿大、德国生产的,是不是能进行国产化,这就尤为重要。
  还有一个关键材料,碳子,涉及到碳纤维,通过造纸工艺变成碳子,这个也是进口的。
  氢燃料电池的发展有一个非常关键,制氢成本非常低,但是氢的产业链条,氢气储存运输占了大头,为了降低成本,能不能把储氢技术进一步发展,降低储氢运氢的成本,对整个产业链成本下降尤为重要,这也涉及到储氢材料发展,也非常关键。
  包括电动汽车,固态电池,为了提高安全性,提高能量密度,降低成本,我们认为复合固态电解质未来的发展非常有前途,因为它成本低,容易制备,界面之间的融合性非常好,这是非常重要的发展方向,包括我们团队做的固态电池的一些东西。
  因为时间关系我就讨论到这儿,谢谢大家!

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