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    未来公开课|刘科:电池技术没突破,一味追求发展电动车会很危险

    | 超级管理员    阅读: 发稿时间:2021/6/15 11:29:36

    未来公开课|刘科:电池技术没突破,一味追求发展电动车会很危险

    网易科技 4天前

    “如果电网里67%的电力还是火电(靠烧煤发电),电动车不能称之为清洁能源”、“光顾发展电动车不考虑电池回收的问题,每个人会付出代价”、“电不好储,储氢也不那么简单”。

     

    刘科,全球知名能源专家、澳大利亚国家工程院外籍院士、南方科技大学清洁能源研究院院长,在美国工作了20余年,曾带领UTC、尼桑、壳牌石油三大跨国公司的工程师团队,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”,并作为首席科学家承担美国能源部项目,研发一系列技术用于加氢站建设,连续三届担任美国氢能与燃料电池峰会主席。
    当前造车新势力纷纷入局,新能源汽车赛道一片火热,在网易新闻携手中国移动重磅打造的全新演讲IP“未来公开课”上”,刘科院士说,如果电池技术没有取得突破,一味盲目地追求电动车的发展是危险的事情,一百年前,电动车已经被发明,但并没有竞争过燃油车。
    电动车之所以在百年前没能赢过燃油车,刘科在网易未来公开课现场为我们详解了其中的各种原由。
    继而,氢能热兴起。人们发现氢能是一种很好的动力燃料,洁净无污染,量产成本低、发电效率高,但同时,它也是一朵带刺的“花”,不好储存和运输,容易爆炸,存在安全隐患,并且占地面积大、基建成本高。这都制约了氢燃料电动车的发展。
    刘科院士团队研究发现,如果用甲醇作为载体来制氢,是比较理想的一种办法,而且储运也方便,能够避免氢能的上述痛点。
    刘科认为,不需要绕开已经很成熟的加油站系统,另外投入巨资兴建充电站或加氢站。出于降低建设成本的考虑,完全可以通过对已有的加油站进行改造,使加油、加氢(或充电)并行,就可以使当前电动车的里程焦虑、冬天电池不耐用等问题成为可解项。
    “一般加油站地底下有6个罐,前十年,可以改成1个甲醇罐,5个汽油罐。再过十年,可以进一步改成2个甲醇罐,4个汽油罐,这样就不需要花多少万亿另建充电桩和加氢站。”

     

    “未来公开课”定位于青年人认知进化第一演讲品牌,以“看见自己、看见未来”为Slogan,探究科技未知、分享青年成长,旨在打造“中国版TED”

    以下是刘科院士演讲实录(删节版):
    大家好,我是刘科,南方科技大学创新创业学院(和南科大清洁能源研究院)的院长。
    今天我给大家分享《电动车和氢能的历史与未来》。为什么要发展电动车,氢能这种新能源汽车?
    主要解决两个问题:第一是我们国家的石油不够。我记得我十年前回国的时候,中国的石油总耗量只有4亿吨,但是短短的十年之内,由4亿吨增加到7亿吨石油。我们前20年我们勉强还能产两亿吨我们中国,但是到了2017年两亿吨都维持不了,只有到1.91亿吨。到了20181.91亿吨都没法维持,降到了1.89亿吨,那么我们现在将近73%的石油靠进口。
    这是一个国家能源安全的问题。
    那么第二点就是大家都能看到雾霾和空气污染问题。
    因为要解决这两个问题,我们就要开发新的能源汽车新的更清洁的汽车,所以电动车和氢能自然就被推上历史的舞台。
    但是电动车并不新。其实一百年前在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?
    是因为铅酸电池早于内燃机发明20多年。
    那么在一百多年前,以爱迪生为首的一批科学家就在赌电动车。我是在GE回国的,爱迪生就是GE公司(通用电气)的创始人。那么以福特为代表的是赌的燃油车。但是到了30年代以后电动车就几乎销声匿迹了,那么到今天,全世界燃油车占着绝对的统治地位。
    第一个历史原因是什么?我们在搞汽车的人或者搞交通运输燃料的时候,很重要一个概念,叫能量密度。那么对于汽车来讲,重点(量)无所谓,但是我的油箱不能无穷大。那么这张图就告诉大家,假设我们的油箱都是1立方米,每种能源能跑多少公里,就是它的能量密度。
    那么铅酸电池是90千瓦时/立方米,这个一百多年前就发明了。人类花了将近上千亿美金,一百多年的探索,今天这个电池的能量密度,只从90提高到260,就特斯拉现在的这种电池,包括比亚迪最近的刀片电池,大概就是260千瓦时/立方米,而汽油是多少?8600。柴油多少?9600。我一会儿提到的甲醇的液体多少?4300
    所以其实人类花了一百多年历史(研究),电池的能量密度并没有得到革命性的根本的改变。
    那么第二点,液体能源它有个非常好的特点,路上可以管路输送,海上可以非常便宜地跨海输送。
    我记得2016年我到深圳不久,当时我请美国能源部部长、诺贝尔奖获得者朱棣文先生,还有当时我们中国工程院主管能源的副院长谢克昌院士,还有当时中国科学院主管能源的副院长李静海院士,现在是我们国家自然基金委主任,三位朋友专门到深圳去,我们成立当时南科大清洁能源研究院,我当院长,一个揭牌仪式,我请了三位朋友到深圳。
    在一个能源研讨会上,我问了大家一个问题。我说当时很长一段时间深圳开车加油是7块钱一升,我说假设这个汽油是从休斯敦炼油厂拿船拉到我们深圳的盐田港,你加油站是7块钱一升,这个运费从休斯敦运到深圳的运费,这一升是多少钱?我让大家好多在场的搞能源的朋友猜,有人猜是35,甚至有人猜5块,也有人猜1块的,但是我给大家讲真正的答案是这一升7分钱不到运费。
    我说7分钱的时候大家没人相信,但是你一算账你就明白了。因为现在大船一条船拉30万吨,30万吨大概是4亿升,记住液体有这个好处,装船的时候管子一接哗啦啦就流进去了,不要人工的。到了码头,管子一接,只要有个大罐,泵一打就流到罐里了,也不要人工了。路上耗的就是船的油钱和折旧费4亿升,一升一毛钱就是四千万,但是我跑一趟船的油钱根本用不了四千万。这就是为什么这个世界上产石油只有那么几个地方,但是世界上任何一个角落都可以开车的最根本的原因。这点历史我们必须明白。
    液体有它的好处,路上可以管路输送,海上可以跨海输送,而且长期储存。茅台酒存五十年没问题,但是电和气都不能够长期储存。
    为什么人类的第一条流水线是福特的流水线?是因为内燃机机械的东西,你造一台很贵,但是一条流水线造一百万台的时候,每台的成本,今天就2300美金。所以当时1913年,福特的这个流水线一上去以后,整个就让美国的汽车从当时价格4700美金降到380美金,而且可以量产,让美国任何一个蓝领工人都可以买得起汽车。
    而电动车有这么一个特点,每个电池需要这么多克镍、这么多克的钴,车上还有这么多克的铜,各种金属,你造一台、造一万台、造十万台,每台成本有所下降,但是下降不多,不像机械不锈钢,要多少产多少造得越多成本它的材料成本是很小的。而电动车它的材料成本占到主要,加工成本并不是主流,所以你可以流水线,可以降低一点,但是不能得到根本的降低。
    当中国的电动车从2016年底的51.7万辆增加到2018年第一个季度统计79.4万辆,这个小小的28万辆的增量(记住中国汽车的产量是2900万辆),这个同期我追踪全世界的钴价格,翻了四倍,锂价格翻了一倍,那么在这种情况告诉我们,就是如果你技术不突破,不把钴和锂的用量降下来,那造得越多材料会越贵,这是第一点。
    那么第二点,当钴价格翻了四倍,锂价格翻了一倍的时候,全世界没有一家公司说,我可以靠回收电池里边的钴和锂可以赚钱的。这个就反过来告诉我们,电池的回收技术还有待突破。
    今天我们都是汽车,比如用了五到七年下来,放到一个储能电源,一个5G基站底下做储能,做储能可能还能再延迟一二十年,但是电池里边有很多剧毒的化学品,它有寿命的,不可能无限期放在那,那么十年二十年以后,这个迟早得回收,因为如果不回收,当几百万个甚至将来上千万个剧毒的电池分布在全中国大地,如果任其泄露的话,那是环境的灾难。现在像比亚迪的这个电动车里边,大概600800公斤的电池,不是你手拎就可以回收的。那将来这个车谁去回收?那我现在呼吁一定要加强电池回收的研发,那国家如果要回收,这笔钱谁来出?我卖车的时候已经一辆车补贴了这么多,将来回收还要补贴,什么时候是底?
    所以这些环境的问题都要考虑,所以我现在一再呼吁,我们要加强电池回收技术的研发,把这个系统工程做好,否则你光顾发展电动车,不考虑回收的问题,今后我们每个人都会付出代价。
    当然另外一点,今天的现实是中国67%的电都靠煤炭来发,那如果你这个能源结构不改变的话,如果你的电网还是67%的煤,那电动车是增加碳排放,不是减少碳排放。只有能源结构,你电网里大部分是可再生能源的时候,电动车才能算得上清洁能源。
    如果电网67%像今天还是火电的话,电动车不能称之为清洁能源。
    电池的研发非常重要,不管你是电动车,还是今天的燃油车,越高档的燃油车里边的电池越大,已经到五千瓦到十千瓦了,因为电控、空调对吧,所以任何一个氢能汽车里边,都有一百升左右的电池。所以电池的研发怎么强调也不过分。因为电池的技术一定要有突破,没有突破,一味地去追求电动车也是一个很危险的战略。
    但是遗憾的是电池这块的技术有进展,但是一百多年来有些进展,但是没有革命性的本质的飞跃,只从90260,这是一个非常严峻的挑战。
    2018年,国内突然就掀起一股氢能热。氢能有它的好处,我都在这列出来了,发电效率高,能够降低对石油的依赖,排放为水蒸气,而且大规模量产燃料电池以后成本能够下来,那么燃料电池也要用贵金属,但是它的贵金属的回收技术相对来讲比较成熟。所以呢,这些年的研发使得贵金属用料(量)在降低,这都是它的优点。
    其实燃料电池也不新,这已经是第四轮了。我200020年前,我就做美国两届的全美氢能协会的峰会的主席。我是将近20年的国际氢能协会的理事。那么其实在90年代末和一直到2005年、2006年,这个期间之内美国花了上百亿美金在燃料电池上的研发。2000年的时候我记得小布什总统在他的一个国情咨文在国情咨文演讲的时候就说,今天晚上我宣布一个计划,美国能源部花多少多少亿美金开发氢燃料电池汽车,15年后也就是说2015年我们每一个美国人开的车,后边(排)放的都是水蒸气。但是今天已经2021年了,达到了没有?没有。
    全世界的燃料电池(车)其实可能加起来也就是三万多辆,美国也就超不过一万辆。那这个历史原因是什么?
    燃料电池汽车也就是我们说的氢能汽车,没有产业化的最根本的原因是因为氢气是不适合于做人类大众你我共有的能源载体的一个东西。为什么?第一我们讲了,它的体积能量密度是最小的,那么为了增加能量体积能量密度,只好把压力增加。那么我们现在传统的现在目前看到所有的氢燃料电池(车)里边的这个储氢罐,都是350大气压和700公斤大气压,那么这个罐,你如果拿不锈钢设计,不锈钢的后座这么厚,因为压力太高。做过理工的人知道,700公斤压力的高压设备,不是那么容易的。
    而高压的同时,同时有一个问题,氢气是这个世界元素周期表最小的分子,最小的分子就意味着最容易泄露的分子。那么第三点,氢气在露天没有问题,我们在20多年前在美国做过这个实验,一个加氢车它储氢罐一般为了安全都放在最后边,拿超强的步枪一枪打过去,普通步枪是打不透的,碳纤维的罐子。打完以后,因为氢气在露天没问题,它很轻,就像氢气球一样,一条火龙冲上天,驾驶室的温度一下子升不了那么高,人有足够的时间去逃逸。这是它的好(处),在露天。
    但是在封闭空间里边,氢气有个巨大的问题,氢气是爆炸范围最宽的气体,4%74%,小于4%是安全的,大于74%,只着火不爆炸,但是在4%74%这个很宽的范围内,遇火星嘣就爆了。那么当中国北上广深这些城市尤其深圳,90%以上车是停到地下车库,是封闭空间,你如果进到地下车库,有一辆车泄露,因为它这个东西是小概率事件,不是说都会,但是你众多用的时候,总有比如老化部件老化,你罐是安全的,阀门什么老化,或者大家开车不注意,咣叽怼到一个什么地方去,一旦一个泄露遇火星爆炸,引起其他车爆炸,一个大楼就会毁掉。所以在封闭的空间里边,使用氢气要非常注意。
    我原来在90年代初我就进入全世界最大的石油公司埃克森美孚,我记得我加入埃克森,不管多高位置人进去,前一个礼拜什么也不干,安全培训。尽管炼油厂非常重视安全的培训,但是这一百年来,它总是有小概率事故发生,一百年来,炼油厂发生的事故,绝大多数是由于氢气的泄露而造成的所以我们在石油化工行业里边有句话叫“Hydrogen is the devil in the refinery”氢气是炼油厂的魔鬼,它泄露的时候,无色无味,甚至着了火是没颜色的,所以电不好储,氢气也不那么好储,更不好用。
    所以怎么解决这个问题?要让电动车要让这个燃料电池汽车发展,我们要用其他更好的。我提出要液体的氢气的载体来做,那么我们提的方案是什么?就是在目前将来可能会有其他更好的液体,但是目前我们觉得甲醇可能是最好的储氢的载体。
    为什么?
    甲醇第一可以从煤来制,第二可以从天然气来制,那么未来我有了太阳能,我用太阳能可以催化,二氧化碳水来制甲醇,就变成绿色的甲醇。那么中国现在甲醇产能全世界最高,大概八千多万吨,按吨位来讲将近汽油的1/4的量。那么另外页岩气革命让这个世界发现了将近两百年用不完的天然气,有两百年用不完的天然气,就有两百年用不完的甲醇。为什么?天然气是甲醇,你知道有天然气这边装气,那边就可以甲醇就可以装船了,它是非常成熟的技术。
    因为气体跨海不好运,液体我刚才讲了,一旦转成液体,全世界任何一个港口,拉到任何一个港口,每吨的运费大概也就50块钱左右,很便宜,所以这是有天然气。
    那么在未来,我们可以做太阳能制甲醇。我记得一年多前,中国科学院大连化学物理研究所70周年所庆的时候,我作为两个外边邀请的院士(做)主题演讲,我也讲了这个观点。那么当时大连化物所的李灿院士他们已经做了示范,就是用太阳能可以催化,把二氧化碳和水转成甲醇,只是它今天的成本比煤制甲醇大概每吨要贵出五百到七百块钱,那么用太阳能制甲醇也是今后未来的一个方向,那就完全是绿色甲醇了,这是第一点。
    那么第二点,假如在车上,你装一升甲醇,其实我们装的是甲醇和水的摩尔比11,重量比要在64%的甲醇36%的水,就相当于64度的茅台酒,这么一个概念。因为甲醇跟乙醇是酒性质非常一样,只是不能喝,其他的性能都差不多,那么装在车上去甲醇和水反应可以制氢,那么这么一升甲醇可以放出143克的气,我一升甲醇可以储一升液体的两倍,那么车上甲醇和水反应制气,氢气马上推动燃料电池。为什么这样做了,因为燃料电池是在80度发电80度,我们学过热力学的人就知道,它对外空间散热是有限的,燃烧都是将近一千度了,那你很多热量散到大气中,这就是效率的问题。
    所以我们认为在今天来看甲醇可能是最好的一个储氢的载体。我氢气随产随用。那么为什么用甲醇?甲醇在常温常压下它是液体,矿泉水瓶子就可以装。那么我刚才讲的液体能源的所有的优点都有,它的能量密4300,电池是260,是电池的将近的接近20倍的样子,所以我们认为就是未来氢燃料电池和电动车都有前途,但是这个储能的载体要考虑好。
    那么为什么用甲醇?因为它是液体,那么有了液体能源,人类现在已经建成的几万亿美金的液体基础设施就不用废掉了,就可以用了,对吧。我这十年,可能一般的加油站底下,比如六个罐,我前十年是一个甲醇罐、五个汽油(罐),再过十年,可能两个甲醇,四个汽油。这样我整个就不需要再花多少万亿去建加氢站和充电桩了。
    那么另外在短期之内,长期可以在汽车上用。短期之内,我们已经用甲醇的分布式能源解决5G基站山顶上的5G基站供电、边防哨所的供电和孤岛的供电,因为目前这种远距离的供电电拉过去很贵的地方的,唯一的一个技术就是柴油机,但是柴油机,第一,柴油每百万大卡的成本,是我甲醇的一倍,贵。第二柴油机污染大,第三噪音大,第四还有一个问题就是在前不着村后不着店的地方,你放着柴油的话,晚上有些人连着这个柴油和柴油机一起给你偷走了。你要一加几个人去照顾的话,你的成本就上升了。
    那么甲醇现在偷出去他不知道怎么用,你柴油机,甲醇我现在,这是我们在广州山顶的一个基站,给5G基站已经供电,将近好几年的一套装置,地下埋了五百升的甲醇和水的罐,甲醇和水制氢气发电,为什么?这个你一动我就自动报废,柴油机械你(不)可以自动报废,谁都会修,但是这个东西你动了以后它就没用了,所以别人偷走也没用。
    全世界现在有一百万个坏电基站,原来都是设置靠柴油机发电,但是我们用这个技术可以把它救活。
    那么这个技术充分发挥以后,发展以后,边防哨所、孤岛(可用),将来把它缩微就可以上车,那么上了车以后,就可以解决很多基础设施的问题。
    因为今天电动车还有一个很大的问题,氢燃料电池的问题,除了我刚才讲的问题,就是基础设施的问题,再加上氢气的安全(储存需要),要求一定的占地面积。你占地面积现在像北上广市中心的地方,每亩地都是几个亿了对吧。你将来光这个占地成本你就受不了。那么现在比如有些地方我们做调研,中国现在已经建的充电桩的利用率不到4%,北京、上海这些地方利用率不到1.5%,因为地价问题很难解决。
    再另外一点电动车还有一个问题,冬天的趴窝。咱来看新闻,一到冬天哈尔滨、北京的地方,我在北京前几年我在北京我研究这个东西,我一上这个电动车的地方,司机大冬天穿着这个军大衣,棉靴子,不敢开暖气。我说你把暖气开着,他说不敢,我不开暖气,只能跑一百多公里,我开了暖气,我马上就没电了。那么记住全世界80%的经济(城市)是北纬25度以上,纽约、伦敦、巴黎、莫斯科、东京、北京,对吧,多伦多,都是有冬天的地方,如果一个电动车你只能够夏天用,冬天不能用,这个也会影响它的发展。那么怎么解决这些问题呢?其实我们提出的方案就是插电式充氢混合动力,什么意思?
    你也不要去建什么充电站了,也不要去建加氢站了,你就在你家里边的地下车库,你晚上反正得睡觉,车总得有地方停,停车的停车位边上放个几百块钱的一个小的慢充的站,就像玩手机,你插上,你反正睡觉的时候没事干,你也别那么着急充,因为快充对电池的危害还是比较大的。你把它充满。
    但是车上永远装5升的甲醇,为什么?你要不装这5升的甲醇,我现在在深圳,我买一个电动车,我(往)广州都不敢跑,因为跑到那就回不来。我到哪去充电,而且一充充几个小时,对吧?但是我车上有了5升甲醇,甲醇制氢发电,那么电可以给电池充电,我们做一个相当于电动车的充电宝。
    你一旦没有电的时候,或者冬天你如果冷的时候,那就像装5升甲醇相当于类似装5升汽油一样,你用甲醇和水反应的温度是200来度,用余热就把车可以加热,也可以把电池保持到最佳温度。而且基础设施就可以永远解决电动车鸡和蛋的问题。
    那氢能充电桩还便宜一点,加氢站就更贵了。我现在很难想象在短期的未来全世界现在所有的把加氢站建遍世界,像今天的加油站一样,一个是安全性,一个你北上广深中心城市地价问题怎么解决。
    所以我们实际上给电动车和氢燃料电池赋能。通过我们新的技术。
    为什么做碳中和,因为大家很多人在想碳中和主要寄希望于风能和太阳能这些可再生能源,那么风能和太阳能最大的问题,它不稳定,一年8760个小时,太阳能的发电时间,基本大概中国平均就是1700小时,所以很多人你们听到说是现在太阳能比火电都便宜了,这个话只对了1/7。在1/7的时间里边是的,但是其他6/7的时间,它的成本还是火电的好几倍。
    因为中国的风能、太阳能发展了40年,我们现在的发电量也大概就是两亿吨标准煤的发电量。而中国的总共发电量是22亿吨的煤。而且这两亿吨煤发展的时候,弃风、弃电效应也非常严重。为什么呢?是因为电网只能容纳15%的非稳定电源。你风能、太阳能发出来(电),我电网没法承受,也没法用,(所以)说今天的弃风弃电现象已经非常严重,你要再继续增加,储能问题解决不了的话,你只能弃得更多。
    那么怎么办?我们提出来就像把太阳能和风能转成一个液体,类似甲醇的液体的东西,用它来储氢,那么今天液体能源的所有的新的概念都可以应用。
    正如我们南科大的校长、原来清华大学副校长薛其坤院士跟埃隆•马斯克对话讲说,未来一个技术的突破就是怎么把太阳能和风能充分利用起来,但是我认为真正利用起来大规模(应用),是应该把风能、太阳能储成以液体的形式储存。今天是甲醇,未来也可能是其他更好的液体。把它(以)液体(形式)储下来,再利用人类几万亿美金建的液体基础设施,就可以做到碳中和,而且也可以让电动车和燃料电池有更大的发展。
    我的演讲就到此结束。
    谢谢各位。
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