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破除电动汽车迷思,发展中国新能源产业 精选

已有 5060 次阅读 2018-5-26 12:38 |个人分类:观点评述|系统分类:观点评述

 

作者按:《人民日报》海外版21日发表了记者贾平凡和王萌的文章,四问中国新能源汽车 你的未来不是梦,很多媒体转载时把题目变成了 “四问中国新能源汽车:污染转移还是排放趋零(下称“人民日报四问”)。本文作者认为,该文虽然引用了几个专家的言论,试图回答四个问题,但不仅问题浅显,回答也不明确。因此,特作此文把他们提出的四个问题(污染转移还是排放趋零;充电服务能否配套兼容;补贴退坡企业如何发展;换道先行可否塑造中国品牌)重新组合,以直接明白地回答该文的几个问题,也就是迷思。我们完全可以在现有技术条件下,无需任何担忧放心大胆地发展电动汽车和新能源产业,使电动汽车这一造福人类的技术广泛使用。

电动汽车是否有污染转移的迷思

    在人类的历史长河中,电动汽车(1881年)实际上是先于汽油(内燃机)汽车得到应用的。只是因为电池储存的能量不足以长途旅行,因此当汽油内燃机技术成熟后,因为可以走更远距离才取代了电池驱动技术。经过百余年的改良,汽油汽车目前的设计续航里程可以达到500~1000公里。

        电动汽车重回人类视野是因为人们发现,汽油车有排放,能够使车辆稠密地区(城市)的大气变得极糟,令人难以忍受。此外,城市地区夜间用电低谷,发出的电又不能很方便地储存,只好使发电机低功率运行来解决问题。发电厂低功率运行也使排放增加,即使建到城市边缘也使城市大气更加糟糕。电动汽车夜间不用,正好可以用于存储夜间过剩的电能,白天又可以无排放地参与交通,实在是一举两得的好事。

        因此可以说,电动汽车的开发和应用原本与新能源关系不大,主要是为了解决城市交通及其产生的大气污染问题,并顺便解决夜间电力过剩问题的。那么说,电动汽车是否有污染转移的问题?

我的回答是明确的:目前是,但未来会趋于零。不过,即使目前有污染转移的现实,对整个人类社会来说,这种转移仍毫无疑问是值得的。原因如下:

  1. 目前世界各国的能源构成中,虽然各有各的不同,但来自于火电和核电等一次能源的电力仍是主要的。火电烧煤、重油等等,核电则耗费放射性元素,它们都有污染的历史和现实,核电还有未来的污染风险。因此,电动汽车目前的确存在污染转移的现实。

  2. 从目前能源工业的发展趋势看来,来自于自然能的电力,如光电、风电、水电、潮汐电等等都在逐年增加。虽然制造这些设备的历史中,都包含有污染风险的过程,但是其应用期间却没有污染。因此,如果它们在能源组成中所占的份额逐渐增加,而且寿命足够长,则使其污染的劣迹(如果有的话)逐渐淡化并趋零。

  3. 所有不可持续的一次能源转化过程中,以及可持续的自然能源转化过程的之前产生的污染都是容易治理的,因为它们集中,成本也容易核算到销售价格中,因此污染治理不是技术问题而是管理问题;而汽油汽车产生的污染极其分散,能够采用的污染治理技术有限,效果也有限,因此几乎是不可治理的。因此,毫无疑问,电动汽车即使有污染转移的问题,也是值得发展的。

电动汽车的开发应用又产生了什么新的问题?我认为有如下几个问题:(1)续航里程多长为好?(2)电池充电速度多快为佳?(3)电池的能量密度多高为佳?(4)什么样的废旧电池的资源化途径最好?(5)电动汽车的机械和附属设备,哪些是必须的?(6)是否应该对电动汽车的发展给予补贴?表面上看来,电动汽车开发和应用产生的问题比解决的问题多。因为它解决的只有两个问题(虽然很重大),但产生的问题有6个之多。但这仅仅是视角的不同而已,这些问题仅仅是一些迷思,不是特别真的问题。

  电动汽车续航里程的迷思

        目前,各种媒体渲染最多的是恐怕是电动汽车续航里程问题。无论是社交媒体,还是政府团体官方口舌,都在说电动汽车的里程必须超过几百公里,速度要达到多少。不过在我看来,这根本不是问题。为什么?

因为前文已说过,电动汽车原本解决的是城市交通及其产生的大气污染问题,顺便解决的是城市夜间电力过剩问题。既然是城市内部交通问题,那么其最高速度不能太快,续航里程不必太长,车体也应该小一点。对于完全用于市内交通的电动汽车,只要满足城市区域最高限速(例如80 km/h)就好,续航里程在150 km左右(甚至更短)就好。

        需要注意的是,城市电力供应既方便又丰富,作为个人交通手段使用时间又比较集中,因此,完全可以把电动汽车看作一个偶尔用作交通手段的移动充电宝(如果这样考虑的话,电池的容量可以大一些),作为智慧电网的附属品。也就是说,具有大容量电池(指电池容量大于日常交通需求量)的电动汽车完全可以把过剩的电力回馈到电网中,成为一种赢利的手段。因此,人们完全可以依据自己的需要和城市基本建设情况来调整电池的需求量。

        如果有人希望把这些本用于市内交通的电动汽车用于城际交通,除了把最高车速提高以外,完全可以通过更换电池(机械化更换时间完全可以和燃油汽车加油时间相比拟)来产生长距离的续航。当然,更换电池又产生了一个新的问题,就是电池的所有权及其产生的附属权利问题。一般说来,没有人愿意把自己的质量可靠的电池更换为质量不太可靠或不确信的电池。

    我的建议是通过共享电池来解决续航里程问题。也就是说,购买电动汽车时,只买电动汽车中非电池的部分,电池只需租用。这样做还有一个明显的好处,即电动汽车的购买价格会大大降低,购买者还不用再担心电池的使用寿命问题。这实在是推进电动汽车发展的一大妙事,因为我们知道电动汽车价格构成中,电池占了1/3到一半以上的比例。

        电池的质量担忧可以通过各种保险措施来担保。保险公司通过监控电池生产线上的质量控制过程以保证它们的收益,电池使用过程中出现任何问题也可以有由保险公司的救助服务来解决。

 电动汽车电池充电的迷思

电池的充电问题严格说来不是问题,它早已有完整的解决方案。因为电池作为一个产品,首先必须解决充电问题。一般而言,充电过程是一种控制充电电流、电压的完全自动化过程,而控制协议完全可以由计算机自动修改。只要规定通用接口标准强制生产厂家遵守(如果没有则生产厂家必须提供转接口以保证它能接入智能电网)。这样一来,不同电池厂家生产的电池,完全可以通过标准的通讯协议自动改变充电机的设置来完成充放电。所以解决这个问题,我们需要的只是通用接口、电池管理系统与充电机交换信息的协议及执行方案。这在智能化的现在是非常容易实现的。因此,当一台车辆要求接入智能电网充电时,电池管理系统自动与充电机联系交换信息,使充电机改变充放电制度以匹配电池要求。

        真正的问题恐怕是充电速度到底应该多快。有很多厂家鼓吹它们的电池可以在几分钟内完成充电,但我的观点是,这统统是商业噱头,没有任何意义。为什么?

    电动汽车储电量是相当大的。按普通电动汽车耗电15 kWh/100km,设计续航里程200 km计算,汽车的储电量为30 kWh。如果电池在1小时内完成从0 ~ 100%的充电过程,恒功率充电的情况下则充电功率至少为30 kW;如果15分钟完成充电,则120 kW。要知道,恒功率充电通常是做不到的,因此,正常情况下充电过程的最高功率要远大于上述数值。另外,普通家庭的配电,最高功率也就是20~30 kW,因此对于电动汽车,特别是大量电动汽车同时充电的情况下,快充实际上会使电网承受很大的压力,因此不受电网的欢迎。另一方面,快充对电池的伤害也极大,会大大地缩减电池的寿命。第三,我们一再表明,电动汽车是为了解决城市交通大气污染和夜间电力过剩的,夜间很长,因此也没有必要实施快充;第四,使用换电方式增加续航里程的技术得到实现的话,电池实际上就是一个储电手段,完全可以在储能电站缓缓充电,仅在需要的时候(被装到汽车上)推动汽车运行。因此,无论从哪一方面讲,快充实际上都是不可能广泛应用的。

        而正常情况下的充电,也就是在数小时内完成充电,对任何电池技术都早已不是问题

  电池的能量密度问题

    电池的能量密度和功率密度与电池技术密切相关,它们共同决定了一辆车到底需要装多少重量或体积的电池。前已指出,自重1.5吨左右电动汽车需储存电能30 kWh。对于锂离子电池组,若能量密度为150 Wh/kg,则电池的质量为200 kg。同样地,若使用能量密度为35 Wh/kg的(最低水平)铅酸电池,则电池的质量为860 kg。可以看出,电池的能量密度对车重的影响巨大。

    人们常拿电动汽车的这一劣势与汽油车对比,说汽油的能量密度有多高,如何如何。但实际上,现在普通家用汽油车油耗大约是7/100km(约5 kg),按汽油的能量密度15 MJ/kg计算的能耗是75 MJ= 21 kWh,注意1 KWh = 36 MJ)。因此,汽油车的能耗比电动车的能耗高至少40%

    需要指出的是,汽油车的发动机、变速箱以及相关联的设施重量要比电动系统的重,这实际上也给电池的重量增加带来一定的平衡补偿。比较科学的方法,应该是把动力系统整个拿出来,计算系统的能量密度,而不是仅仅拿其中一部分,尤其是汽油发动机系统中重量占比很小的汽油和电动系统中重量占比很大的电池来比。全球电动车的标杆——特斯拉不是有两个行李箱吗?为什么?因为它没有汽油发动机,因此发动机舱也可被用作行李箱了。实际上,特斯拉Model S P85D总重2.1吨,跟同级别的汽油车重量差不多;其使用的电池能储电85 kWh(电池系统重近900 kg),续航里程500 km。与同重的玛莎拉蒂Levante相比,续航里程只是略短。最大的不同仅仅是,汽油的添加是快速的,但充电无论如何,也是慢速的。

        我们已经在前文指出,电动汽车的应用场所决定其配置,其预期续航里程决定使用多大容量的电池,消费者愿意一次性的投入决定了使用何种技术。如果使用考虑换电技术以增长续航里程的话,现有技术完全可以满足需求。因此,电池的能量密度也不是问题,虽然我们仍希望它有所提高,因为它完全可以再提高。至于电池的功率密度问题(如果它真有问题的话),完全可以使用不同技术的耦合,例如使用超级电容器与电池耦合来解决,也不是问题。我们的问题是,要解放思想,不要迷信高速度和高续航里程,一切够用就好。

    在这种情况下,低速老人代步车电动自行车、以及像smart一样的微型车等城市内短距离交通工具完全可以使用价廉物美的铅酸电池作电源;而长距离交通工具则应该考虑使用高能量密度的锂离子电池,甚至更高功率密度的电池(如还未成熟的锂硫电池)作为电源。

    现在有人大力鼓吹燃料电池技术,认为它是电动汽车的终极技术。对此我有不同的看法。理由如下:(1)使用燃料电池必有无规排放,即使它只是水(氢燃料电池)。水的排放就会产生雾,它与电动汽车运行时搅起的细微尘土结合时就会产生难以下沉的霾;(2)氢燃料电池使用的氢气怎么生产是一个问题,即使我们不考虑输送和储存的问题。可以完全确定的指出,除非使用化石燃料或可再生的生物质作为来源,使用电解水产生氢气在能源利用上极其不划算,因为其能量转换效率(指从电转化为氢,再转化为电的效率),即使使用目前最先进的技术仍低于50%,而二次电池技术基本上都接近90%。因此,如果二次电池的能量密度可以进一步提高,而且发展电池更换技术,燃料电池根本就没有竞争力。因为,从经济上它目前不如汽油车;在未来即使使用化石燃料和生物质制氢技术产生低价的氢,从能量转换效率和使用成本两方面看,它仍不如二次电池。

        这里以氢燃料电池车目前的标杆——丰田的Mirai为例说明。据报道,该车载氢5 kg,续航里程500 km。按目前的市场价格,氢气价格是50 ~ 70 元/kg,因此,运行500 km需花费250 ~ 350元。若汽油车的油耗为7 升每100 km,按油价92号油价7 元/升计算,需花费245元。可见氢燃料汽车燃料成本要高于汽油车。考虑到加氢不方便,而且车价极高,我相信很少有人会买这个车。未来若氢价格下降到20元/kg,则氢燃料电池车使用成本能降到20元/100 km,但它与二次电池车15 度电的价格只有8~15元相比,仍没有竞争力。特别需要注意的是,氢燃料电池有排放,尽管它是水。在梅雨季节或者少风季节,它是雾霾的元凶,必定不受欢迎。

  电动汽车废旧电池资源化的迷思

        虽然二次电池在使用时没有任何排放,但生产过程和废旧电池的资源化过程仍可能有排放。因此,必须设计合理高效的过程使排放最低。

    应该指出,那些认为废旧电池的资源化难以盈利根本是别有用心的胡说八道。因为生产锂离子电池的原料之一钴和其它有价金属如镍等在矿物中的的含量仅有千分之几,而在电池中的含量高达百分之几甚至十分之几。如果从千分之几的矿物中提炼都有利可图,在含量是10倍甚至100倍的元素组成极其清楚的电池中提炼却无利可图,说给谁都应该不能被相信。如果它的过程的确无利可图,那么它一定是使用了极其落后的技术!因此,我们可以毫无疑问地说,废旧电池的资源化一定是有利可图的。当然,不同的资源化途径利润是不同的,而且是极其不同的。

        在众多的废旧电池资源化方案中,基于电池组分物理分离的资源化方案最吸引人注意,因为其污染风险最小,材料的利用率也最高。这是因为物理分离只耗费能量,而化学处理既耗费能量也耗费物质还产生新的低价值难利用物质,造成高的污染风险。

    例如,本文作者曾经研究过的废旧锂离子电池的资源化方案如下:(1)温和拆解电池,使电池内芯(指仅含有电极片、电解液和隔膜的部分)和外壳及其附件相分离;(2)萃取分离电解液,使电解液和电极片、隔膜相分离;(3)切割不含电解液的电芯,然后用溶剂处理以除去粘结剂,使电极活性物质与集流体铜铝箔分离;(4)用酸处理电极活性物质,使所有的金属元素进入溶液,然后使用共沉淀法制备新的正极活性物质前驱体。前驱体经焙烧得到正极活性物质;不溶的部分是碳材料,可以降级使用或直接燃烧获取热能。这样,电池中每一种物质都得到了回收和使用,污染风险最低而且经济效益最好。

    对于铅酸电池,我们采用了类似的方案,只不过铅酸电池成分比较单一,除了铅(合金)就是硫酸水溶液。因此,我们采用了如下方案:(1)温和拆解电池,使电池外壳、铅膏、铅合金与硫酸分离;(2)熔炼铅合金,用它直接制造铅合金格栅;(3)化学处理铅膏得到具有电化学活性的硫酸铅和四碱基硫酸铅,把它们分别涂到铅合金格栅上制备铅酸电池负极片和正极片,进而组装成高性能高一致性的新电池。这样所有的铅酸电池成分都得到了合理的利用,避免了现有工业化技术使用高温冶金技术而产生的高污染风险问题。

    对于其它电池,我们都已建立了相应的技术,达到了同样的效果。因此,废旧电池的资源化问题有望全部解决,并能完全使用废旧电池制造新的电池。如上的技术已得到政府部门的推荐。例如,在工信部《国家鼓励发展的重大环保技术装备目录(2017 年版)》中,明确把上述两类技术装备列入;在科技部重大专项中,相应的技术研究也得到了明确的支持。

  电动汽车的机械和附属设备迷思

    电动汽车绝不是四个轮子+两个沙发,虽然这种说法很形象地描述了电动汽车的基本形象。当电动汽车的乘员要求适当的舒适性时,电动汽车必须建立于现有汽车技术的基础上,也就是说至少要保留现有汽油车的外壳、内饰和相应的附属设施。电动汽车可以是只用电动系统取代了内燃机驱动系统的汽车。当然,因为两个能源系统的差异会带来结构上的些许变化是不言而喻的。

    因此,说电动汽车可以“换道先行”跟“弯道超车”同样错误,除非我们说的是现在在中国已很有市场的低端低速交通车(所谓老年代步车)。Tesla的历史比国内很多电动车更早,技术更先进,但它走的是高端路线。如果我们仅仅走了低端路线,但又不是低端低速电动车,就谈不上“换道”,因为如果我们追求舒适性,那么在我们汽油车仍做得不太好的情况下,电动部分又不如人的情况下,何以“先行”?

        因此,我认为,中国电动汽车的发展必须符合中国的国情。在城市普通百姓私人交通仍主要依靠电动自行车的情况下,何不大力发展有驾驶室的低速两轮、三轮或四轮电动车?这才是真正的“换道先行”。

如果要追求适度的舒适性和较长的续航里程,那么电动汽车就应该借鉴汽油汽车的动力系统外所有其它机械和附属设备的经验和教训,使汽车的能耗进一步下降。在这方面,本人不是专家,不敢多说。

  政策迷思

        为了鼓励电动汽车的发展,世界各国大多都采用了鼓励措施。在中国,对电动器的补助从经济上和政策上两方面展开。因为财政补贴力度大,滋生了许多因为补贴而生存的车企,这实际上是不符合市场经济要求的,甚至是破坏市场经济的。可以说,好的电动汽车厂商是从不依赖政府补贴而赢利的,他们只把政府的补助作为助力者,使自己跑得更快。在这种情况下,政府又没有补贴,又有多重要呢?

        因此,作者认为,中国电动汽车的发展应该是以鼓励城市内个人交通的电动汽车技术发展为目的的,并以此为载体,推进基于自然能发电的新能源技术的发展。这种政策的推动应该不限于任何电池技术、任何电动车技术,只要它能被市场接受,并不产生任何不利于环境和交通的影响就行。因此,现在还存在的限制低速车发展、铅酸电池发展的政策应该及早废止。

 



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