为什么前一百年电动车未能战胜燃油车？ 电动车这个概念并不新，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。 图1 1912年，爱迪生跟他的电动车合影 电动车和燃油车之争不是今天刚刚开始。1912年，以爱迪生为首的一批科学家，就觉得将来电动车可以统领世界。以福特为代表的汽车公司走的是燃油车路线。到了20世纪30年代以后电动车就几乎销声匿迹了，今天燃油车仍然占有绝对统治地位。 为什么一百年前电动车多于燃油车？因为铅酸电池早于内燃机发明二十多年。有了铅酸电池，再接一个发动机，就是今天高尔夫球场开的车，上面再加一个棚子就是汽车了。今天高尔夫球场开的车就是一百年前爱迪生开的车，所以电动车不是什么新技术，它这么多年来创新的核心在电池和电控系统。 那么，为什么前一百年电动车没有竞争过燃油车？原因是什么？我只讲历史不预测未来。我跟大家解释几个原因。 第一个原因，我们做能源的人都有一个概念叫做体积能量密度。汽车有压舱钢板，轮船有压舱水，这个能源略微重一点对汽车、轮船的影响不大，但油箱不能无穷大。假设我们的油箱都是1立方米，每种能源蕴含的能量密度大小，也就决定了汽车能跑的距离远近。 100多年前就发明的铅酸电池的能量密度是90千瓦时/立方米，人类花了上千亿美元和100多年的探索，电池能量密度到现在特斯拉的电池、比亚迪的刀片电池，也就是260千瓦时/立方米。而汽油的能量密度是8600千瓦时/立方米，柴油是9600千瓦时/立方米。稍后即将提到的甲醇液体是4300千瓦时/立方米。 第二个原因，我认为液体可能是最好的储能的载体。液体能源有个非常好的特点，陆上可以管路输送，海上可以非常便宜地跨海输送。 2016年我到深圳工作不久，邀请了我的三个好朋友，有时任美国能源部部长、诺贝尔奖获得者朱棣文先生，还有当时中国工程院主管能源的副院长谢克昌院士，以及中国科学院主管能源的副院长李静海院士参加南科大清洁能源研究院成立的揭牌仪式。 当时在一个能源研讨会上，我问大家一个问题，说很长一段时间在深圳开车加油是7块钱一升，假设这个汽油是从休斯敦炼油厂用船拉到深圳盐田港再到加油站，这一升的运费是多少钱？我让好多搞能源的朋友猜，有人猜是3块5，甚至有人猜5块，也有人猜1块的，我说真正的答案是7分钱不到。 我说7分钱的时候大家没人相信，但一算就明白了。现在一条大船可以拉30万吨，大概是4亿升。液体的好处在于，使用泵和管道就能装船，不需要人工。到了深圳的码头，管道连接好后，使用泵就能打到罐里，也不要人工。路上耗费的就是船的油钱和折旧费，4亿升，如果一升一毛钱就是4000万元，但跑一趟船根本用不了这么多油钱。这就是为什么世界上产石油的只有那么几个地方，但任何一个角落都可以很方便地加油开车。所以，液体在运输上有很多好处，而且可以长期储存。高度酒（醇类）存50年没问题，但电和气都不能长期储存。 这些最基本的概念大家需要清楚，这也是为什么我冬天到加拿大那些靠近北极的镇子去看，那里没有电网、天然气网，只有一个加油站，一罐汽油、一罐柴油拉过来就可以生产了。在世界上再偏僻的角落，只要有公路的地方，拉过去就可以长期储存，拉一罐，一两个月就够了，但电和天然气管网没那么容易可以铺设到。这就是液体能源的优势。人类永远选择经济最优化的东西，不是谁喜欢什么，是什么东西最科学。 第三点，为什么人类的第一条流水线是福特的流水线？内燃发动机是机械的东西，造一台很贵，但当一条流水线造出100万台的时候，每台的成本会极大降低。1913年，福特的流水线一上去量产，就让美国的汽车从4700美元降到380美元，让蓝领工人都可以买得起汽车。 然而电动车不同，每个电池都需要一定量的镍、钴、锂，车上还有铜等各种金属。产能扩张后每台成本会有所下降，但是下降不多，不像机械不锈钢，要多少，产多少，造得越多，成本越低，材料成本很少。电动车的材料成本占大头，加工成本并不是主流，所以你可以采用流水线，可以降低一点，但不能有根本的降低。 中国的电动车从2016年底的51.7万辆增加到2018年第一个季度的79.4万辆，增量为28万辆，相对于当时整个汽车市场一年2900万辆的产量，是很少的，但同期追踪全世界的钴的价格和锂的价格，分别翻了四倍和一倍。这种情况告诉我们，如果技术不突破，不把钴和锂的用量降下来，造得越多材料越贵。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声称通过回收电池里的钴和锂能实现盈利，电池的回收技术还有待突破。 最近很多原材料涨价，一方面是因为量化宽松，另一方面就是这些金属原来的供需关系发生了变化。原来的供需关系是非常稳定的，因为工业上用到的钴、镍这些的量非常有限。现在突然来了这么多造车新势力，供需关系就变了。当供需关系变了以后价格绝对不会说是按比例增长，比如世界上100个人，但是只有99瓶矿泉水，最后1瓶的矿泉水一定不是涨到1.1倍，而是最后一个人买不起的价格。 就按今天的价格，我们电动车的成本其实每个人心里都有数。我列出来，每辆车需要铜53.2公斤，锂8.9公斤，镍39.9公斤，锰24.5公斤，钴13.3公斤，石墨66.3公斤，稀土0.5公斤，其他0.3公斤。最近，磷酸铁锂电池出来，钴的用量可以降下来，但是最大的问题是冬天温度一低它的性能不好了。所以，今天的这个价格，一辆最好的宝马、奔驰的内燃机成本在2300美元左右，特斯拉的电池成本则是在2万美元左右。一个工业要发展必须是可以大规模量产的时候，越大规模越便宜。这就是为什么人类的第一条流水线是福特的流水线。这都不是偶然的。这些问题我们大众不清楚，但是行业里面是清楚的。现在资本市场很热，但是一旦补贴政策停止了，能不能挣钱冷暖自知。 2018年网上疯炒氢能，炒作说电动车真正的未来是氢燃料电池汽车。氢能有它的好处，发电效率高，能降低对石油的依赖，排放的是水蒸气，而且大规模量产后成本能下来。尽管燃料电池也要用贵金属，但是它的贵金属回收技术相对来讲比较成熟。并且这些年的研发使得贵金属用料量在降低，这都是它的优点。 现在我们的电池是梯级利用，今天的电动汽车用了5到7年，把退役动力电池用作储能电源，比如放到5G基站底下做储能，可能还可以再延迟一二十年。但是储能电池是有寿命的，里边有很多对自然有害的化学物质，不可能无限期使用，一二十年后仍然需要回收。如果不回收，当几百万个甚至将来上千万个电池分布在中国大地，如果任其泄露，那是环境的灾难。 能源全生命周期分析概念很重要，我们曾经做过一百多条线的“油井到车轮子”或者是“矿井到车轮子”的分析，要知道中国的能源40%在新疆，怎么把能源输送过来，这是一个复杂的系统。 我在GE曾花了几百亿美元和很多博士一起做分析研究的模型，每一步的排碳是多少，效率是多少，最后用数字说话。于是，我花了很大的代价把这套方法论引进来，做了一个“能源的全生命周期的分析”。这种软课题在国内很难拿到，但是很重要，因为要用“数据决策”。中国工程院谢克昌院士正在致力于推动这一块短板的开发，因为真正的决策最后是要依靠数据的，要科研人员花大量的时间把数学模型一点点建起来，并不断地调整，最后能够跟现实的数据对上去，用这些模型的预测数字做未来的决策，这叫“数据决策”，这是我们要提倡的一种文化。就像碳中和，将来也要做好各种渠道的碳中和数据搜集，从油井、矿井、天然气井到车轮子、到电灯泡等等，每一步的全生命周期分析，分析完以后大家用数字说话。 电动车遇到这些问题，不是不可以发展，电池的研发永远是重要的。但是有一点我要讲，电动化和网联化没有必然的联系。内燃机驱动只要电池足够大，够我的手机用就行了。现在有人说要搞网联化、搞智能化，所以必须搞电能化，这句话只对了一半。今天一个手机的运算能力有多少？网联化可能需要十个手机的运算能力，那也就是几块电池的问题。但是如果因为需要十个手机的运算能力，就要把驱动改成电动吗？这是没有必要的。实际上，现在一辆比较好的奔驰车，只要有一块足够的电池，里面有电动机发电也可以做网联化、智能化。所以智能化、网联化、电动化没有必然的联系。 为什么氢能汽车没有产业化？ 氢能一点也不新，早在阿波罗登月的时候就是带着液氢液氧上天，发的电供仪器用，产生的水宇航员喝。 我曾经在UTC-壳牌合资公司工作，美国宇宙飞船的燃料电池就是联合技术公司生产的。20世纪90年代末一直到2005年、2006年，此期间美国花了上百亿美元在燃料电池的研发上。我记得2003年，小布什总统在他的国情咨文演讲时说，他会宣布一个计划，美国能源部花多少亿美元开发氢燃料电池汽车，15年后每一个美国人开的车后边排放的都是水蒸气。到现在，全世界的燃料电池（车）可能加起来也就是3万多辆，美国不到1万辆。去年全世界氢能源车只卖了1900多辆，丰田也没卖多少辆。 燃料电池汽车，也就是我们说的氢能汽车，为什么没有产业化？最根本的原因是氢气不适合于作为大众你我共有的能源载体。很多人在这块有一个误区，甚至媒体渲染说“氢气是人类的终极能源”，这句话是不严谨的。氢气不是一次能源，是一种二次能源，或者更确切地说是能源的载体。这个世界没有氢矿，我们有煤田、油田、天然气田，但没有氢田。氢和电以及甲醇一样，是通过别的能源制造的，但是作为载体，氢不具备液体能源在能量密度、管道输送、长期储存方面的优势。 氢气不适合于做大众能源载体，主要的原因在于有几个方面人类没法改变。第一，氢气是体积能量密度最小的东西，我们要求是越大越好。好多人犯了一个概念性的错误，说氢是能量密度最大的，这句话又是对了一半。如果论公斤，氢能量密度是最大的。但是对于汽车来说，应该论每立方米，论公斤是毫无意义的。如果转成同样的能源概念，它的体积能量密度是最小的（如图2）。为了增加体积能量密度，只好增加压力。目前看到所有的氢燃料电池车里的储氢罐，都是350公斤和700公斤大气压。储氢罐如果拿不锈钢设计必须做得非常厚，因为压力太高。学过理工的人都知道，700公斤压力的高压设备，不是那么容易生产制造的。 图2 各类能源的能量密度。 第二，氢气高压会有一个问题，氢气是元素周期表中最小的分子，最小的分子就意味着最容易泄露，长期储存是问题。 第三，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，它的储氢罐为了安全一般都放在最后，普通步枪一枪是打不透的。打完以后，因为它很轻，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，人有足够时间逃生。 但是，在封闭的空间里，氢气就会有巨大的问题。氢气是爆炸范围最宽的气体，可以从4%到74%。小于4%是安全的，大于74%只着火不爆炸。但是在4%到74%这个很宽的范围内，遇火星就爆。 现在北上广深这些城市，尤其在深圳，大量的车是停到地下车库这一封闭空间里的。当大量氢能汽车进到地下车库，若有一辆车泄露，就会产生巨大的危险。尽管这个是小概率事件，但是使用众多的时候，总有部件老化等问题发生，哪怕储氢罐是安全的，阀门、管路等也有一定小概率老化，或者开车不注意发生了撞击。一旦泄露遇火星爆炸，引起其他车爆炸，一个大楼都有可能毁掉。所以在封闭的空间里，使用氢气要非常注意。 因为氢气的爆炸性，现在都不让运输氢超过一定的范围的车辆过隧道，如果把隧道炸掉了怎么办？当然，将来是不是能够建氢管道是另外一个问题。 同样因为氢气的爆炸性，建设加氢站要特别小心，周围一定距离不能有居民。现在的北上广深到处都是加油站，到哪能找那么多地，重新建加氢站呢？ 因为这些问题，尽管氢能现在很热，但是要谨慎。氢气的这些问题决定了它不适合做能源载体。所以，当人们说“氢是人类能源的终极”时，很多的东西似是而非。 疫情前，科技部几位同志可能听说我做过几届全美氢能与燃料电池峰会主席，带了几个专家到深圳来调研，我们谈了一下，之后我把氢能的一些现状、问题以及解决途径写了一个简单的报告，没有想到他们就把它放进《科技日报》的头版头条。（图3） 图3 2019年7月3日，《科技日报》头版头条专访刘科院士 制氢容易，但储氢、运氢有难度。世界上氢气的使用很广泛，今天我们用的每一克的化肥都是氢造的。世界上有这么多的化肥厂、炼油厂都要大量的氢气，但是有一个化肥厂、炼油厂是靠太阳能、风能制氢、制化肥吗？没有。什么原因？太贵了，要是便宜的话他们早就改用太阳能、风能制氢了。 氢不是说现在没用，现在全世界每年几千万吨的氢市场，而且到炼油厂，氢是最贵的，每个炼油厂边上都有几个大的气体公司。用风能、太阳能制氢不是不可以做，只是缺乏经济性。如果说这是赚钱的，相信很多企业家早就开始拿风能和太阳能制氢去了。 E_mail: redchinacn@gmail.com 2010-2011http://redchinacn.net |
