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黄其励院士:碳中和远景下能源转型与电动汽车的融合发展

2021-02-01   世纪新能源网

1月17日,在第七届中国电动汽车百人会论坛-电动汽车基础设施论坛上,围绕“构建多元、智能、便捷的基础设施体系”论坛主题,中国工程院院士黄其励就“碳中和远景下能源转型与电动汽车融合发展的有关问题”发表了演讲,以下根据现场实录整理。

黄其励发言核心观点摘要:

◎ 我们的行动准则应该是提高战略定位,早行动、强规划、全加速、大力度,全社会来贯彻2030、2060年碳达峰和碳中和这样伟大的战略目标。

◎ 显著提高电能在交通用能的比例可以支持可再生能源的健康发展,可以这样说,大力发展低碳的、绿色的电力交通可以降低石油资源对外依存度,保证国家安全,助力可再生能源的发展,提高全社会电气化的比例。

◎ 发展电动汽车和保障国家能源石油的供应安全、提高全社会电气化比重、降低能源强度、以及支撑可再生能源健康发展息息相关,是能源转型的重要措施之一,秤砣虽小撑千斤,四轮低碳绿出行。

以下为黄其励发言整理:

去年9月22日,国家主席习近平在75届联合国大会上提出中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳争取2030年达到峰值,努力争取2060年达到碳中和。去年12月12日,国家主席习近平在气候峰会上表示,到2030年我国单位国民生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消费的比例达到25%左右,风电、

太阳能

发电总装机容量将达到12亿千瓦。

这是一个伟大的号召,也是一个伟大的战略目标,回头看现在我国碳排放的实际情况。

在2019年世界上主要碳排放国家的碳排放量中,中国98亿吨,占全世界排放量的27.2%,美国、印度、俄罗斯、日本、德国、伊朗、沙特、韩国、加拿大分别是第2位到第10位。可以看到,中国的排放量大于美国、印度、俄罗斯的总和,说明我们排放的基数很大。虽然有些国家,比如韩国提出了2050年要达到碳中和,但基数不一样。第二,我们今天要发展,包括要实现两个百年目标,有建党一百周年,还要建设强大的中国特色社会主义强国,能源消耗还要继续增加……因此在一个存量二氧化碳排放很大、增量又可能发展很快的情况下达到达峰和中和是一个非常不容易的战略任务。我认为这两个目标也是全人类的责任,是世纪大考,更给我们中国的每个企业单位、每个部门机构甚至每个个人都提出了考卷。

我们的行动准则应该是提高战略定位,早行动、强规划、全加速、大力度,全社会来贯彻2030、2060年碳达峰和碳中和这样伟大的战略目标。在此愿景下,我想谈谈对能源转型和电动汽车关系的认识。

我国能源转型主要有四个途径:

第一,一次能源的清洁低碳化。在供给侧利用可再生能源高比例来替代化石能源。

第二,二次能源的高度电气化。推动全社会电气化,提高电气在综合能源的比重,提高能源水平。因为电气化的比例每提高1%,单位GDP的能源强度将下降4个百分点。

第三,电网发展智能化。电网深度融合的信息技术、数字技术推动源、网、荷、储综合智慧能源协调发展,构成数字化的能源互联网。

第四,也是非常重要的,就是节约能源和资源的全面化、全社会化。强力执行“双控”,把用能的总量控制下来。

根据统计,我们国家现在单位GDP能源强度是日本的4倍、是德国的3倍,能源消耗不合理的地方还是很多的。因此大力开发可再生能源,形成以非化石能源为主的能源和电源结构,打造电力系统的智慧纽带与智能电网,是实现能源高效、清洁、绿色、低碳转型发展的必然需求。

电动车助推能源转型

在这里,电动车扮演了什么角色呢?我觉得电动汽车助推了能源转型。

第一,可助力可再生能源发展需要的资源调节。2019年,除了火电以外的清洁能源装机40%左右,但2035年将达到63%,发电量清洁能源达到31%,所以40~60这个增量就要由可再生能源完成。另外存量上也要进行替代,以后可再生能源发电的占比将更大地发展,调节资源就显得很不足。因为风电、太阳能等受气候的影响非常大,有不稳定性和波动性,为了满足用户的用电需求必须要有充分的调节资源。这里,电动汽车就扮演了很好的角色。

如果我们预测电动汽车发展1亿辆,每辆车配备100千瓦时的电池,按照7千瓦充电功率计算,理论上等效的储能功率达到7亿千瓦,理论充放电容量达到100亿千瓦时,电动汽车将成为电网一个重要双向的灵活电源。

第二,电动交通可为高度电气化的社会添砖加瓦。我国去年能源净进口量达到10亿吨标准煤,其中原油进口5亿吨,对外依存度达72.4%,其中60%来自中东和非洲等不安定地区,通道也非常单一(主要通过马六甲海峡和霍尔木兹海峡)。在能源里面交通用能情况怎样呢?2018年,我国交通用能比大约在5.3亿吨标准煤,占全社会用能的11.4%,其中石油占88.6%,天然气占6.6%,电力在交通用能的比例占3.8%,电力交通用能占全社会用能仅占0.4%,这个比例是非常小的。现在我们国家总的二次能源中电气化的比例是27%,2035年要达到35%,到2050年达到50%,因此在电力领域的电气化要快马加鞭赶上去。

按乘用车来考虑,假设每辆燃油车百公里耗油8升,每年行使1万公里。按2035年目标纯电动车发展1亿辆,那么每年将减少汽油0.6亿吨,也就是节省原油1亿吨,同时减少二氧化碳排放1.8亿吨。未来如果乘用车全部用电动来代替,发展到3亿辆及以上,每年将减少汽油消耗1.8亿吨,即减少原油消耗3亿吨,相当于2019年进口的60%,减排二氧化碳达到5.4亿吨。

同时,电动汽车的电量从哪儿来呢?应该从可再生能源的清洁低碳电力来,它的用电量可以达到4500亿千瓦时,2019年我们国家风、光发电量是6300亿千瓦时,如果电动车理论上全部替代乘用车,就可以耗用4500亿千瓦时,等于2019年风电、

光伏

全部发电的3/4左右。因此,显著提高电能在交通用能的比例可以支持可再生能源的健康发展,可以这样说,大力发展低碳的、绿色的电力交通可以降低石油资源对外依存度,保证国家安全,助力可再生能源的发展,提高全社会电气化的比例。

我们看看电动车助力能源转型发展的几个阶段。

在电动车和电网、充电设施之间的关系中,电网是一个纽带,是连接电源和电力负荷的纽带,充电设备就是一个接口,电动车就是一个重要的用户,因此电网、充电设备和车是上下游一体化的,这个一体化应该怎么发展呢?应该由原来的无序充电V0G只能充电是单向的功率不可调,发展到有序充电V1G是单向的功率可调,再进一步发展车网互动的V2G就是能量是双向的,可以充电、可以再放电。再进一步发展到车网一体的VGI,未来可以逐步做到电动车和电网友好协调、深层次互动的发展、一体化的集成。

电动车和充电设施的现状

我们说了电动车这么多的功能,现状怎么样呢?下面分析一下电动车和充电设施的现状。

电动车的发展在2020年的产销量超过了预期,虽然经过了影响很大的新冠疫情,2020年新能源汽车销量达到130万辆,到去年年底全国新能源汽车保有量492万辆,占汽车总数的1.75%,其中纯电动车400万辆,占新能源汽车总量的81.3%,也就是说电动汽车占汽车总量是很少的。

充电设施配合着电动车的发展也迅速增长,增长很快。到去年11月底,全国的充电桩有150多万个,其中公用桩将近70万个、私人桩80万个,而且直流充电的功率模块也全面国产化,近5年的成本下降了90%,高速公路的快充网络基本形成,居于世界首位,累计在42条高速公路上建成了2000多个充电站、9000多个充电桩,服务里程达到5万多公里,占全国高速公路的39%。

在这样快速发展的电动汽车以及充电设施的情况下还有一些问题需要特别关注和进一步解决。

第一个问题,就是在整体的安全上还有待进一步提高。目前电动汽车的电池着火事件偶有发生,有的充电以后在旁边停的时候就发生了着火的事情,这样对于产业和社会都产生一定影响,同时也积累了一些经验,为技术进步创造了一些条件,继续要提升电池的安全。第二,充电设备方面,在设备上有的时候运营不当或者用户操作不当,有些设备损坏甚至有人员触电,信息方面还有信息泄漏,身份证、车辆信息泄漏,安全方面包括设备安全、用电安全、信息安全还需要进一步提升。

第二个问题,公共充电设施规划的机制和发展还不平衡。一个是区域发展不平衡。现在全国的100多万个充电桩里面,京上广、江苏、浙江将近占了一半,其他的西南、西北地区充电桩很少,另外供需不匹配、综合利用率低。常常是有车无桩、有桩无车,它俩不匹配,因此造成了公共桩充电的利用率不到10%,高速公路上以京沪高速快充网为例,全年利用率仅2.2%。再就是规划保证机制不健全。国家有规划、有文件规定,新建的小区是怎么样预留充电设施和充电设备,但是有些地方政府的规划保障、认识并不充分,充电设施的用地和电力电网的规划衔接以及城市电网与城市的发展衔接不够,造成一些配套落实的政策得不到落实。

第三个问题,居民充电是比较难的。我们看到居民的私人车当中有30%—50%还没有固定的私人充电桩,这里问题一个是在存量上小区的固定车位不足,一些老的小区固定车位本来就不足,小区的部分物业还不一定支持,就没有实现车桩和位能够对应。第二,是建设模式急需改进。现在私人桩的建设比较随意,线路穿越墙体和路面,造成充电桩没有专业的维护,对设备的保质保量的安全运行有威胁。第三新建小区政策得不到落实,大部分新建小区没有严格落实国办(2015)73号文关于百分之百配置和预留充电桩安装条件等相关要求,包括和电网配合、城市规划发展,我们看到右面的图大概30%没有配充电桩,右面的小图就是说30%详细的原因这里都分析的很清楚了。第四,刚才谈到了电动汽车是个单体,但是和电网要互动。互动的应用体系尚没有建立,第一个是技术标准没有统一,V1G、V2G还缺少统一的标准,主机厂和充电商对于市场化的推广也没有达到一致意见,推广难度还比较困难。第二个就是没有政策支持,对用户的吸引力不足,特别是V2G,放电应用电力接入以及消防验收等政策都比较缺失。第三个是商业模式还缺乏完善,只靠峰谷差的盈利对用户的吸引力不大,全国范围内辅助市场还没有形成,还处在建设完善阶段。所以这些事情造成了具体的问题使得电动汽车的生态圈还没有很好的完成。

针对电动汽车肩负的历史重任、存在的问题提几点建议

第一,要根据碳达峰、碳中和的战略目标制定或修订电动汽车和充换电设备以及车网互动发展路线图,有的话要修订。建议政府有关部门牵头,组织有关企业单位加快研究制定、修订电动汽车和充换电设施及车网互动的发展路线图,到哪一年、发展到什么程度、需要解决什么样的关键技术问题以及需要什么样的政策保障。

第二,加快车网融合的技术创新,推动电动汽车纳入碳交易这个机制,促进电动汽车能够充绿色的、低碳的电。加快电力市场辅助服务机制的建设,在发展目标上要更高标准的修订,在关键技术上除了解决电池技术、电力驱动技术以及控制技术、整车技术以及能量管理系统等等,在充换电领域要进一步解决大功率充电、无线电充电等先进的充电技术,以及AI大数据等先进的信息技术和V2G、VGI等车网深度融合互动的这些技术。在政策保证方面,要出台相关的车网互动的一些政策支持,推动市场环境和价格机制,鼓励探索可持续的商业模式,也包括科学的、合理的维护机制。还要进一步加强安全保障,保障电动车充放电的安全和使用安全,加强电池单体特性一致的电池包的安全性能,提高电池安全管理能量安全水平,创新充电设施安全防护技术,加快修订安全标准,建立物理安全和信息安全相关的标准体系,加大安全监管力度,建议监管部门进一步规范行业的安全管理,建立企业主责、行业自律、政府监管的充放电安全监管机制。

第三,加强公用充电设施的科学布局管理。要和电动车的发展相匹配,要和大数据结合起来,通过大数据知道哪里有需要就往哪里发展,因而进一步优化选址和优化建设,并且要把充电设施纳入城市发展规划和城市发展的配电网建设、交通线的规划要统一衔接,这样就能够作为整体规划中的一部分有序的科学的顺利的进行。

第四,要加快破解居民区充电的难题。加强居民区充电桩的统筹统建,实行专业化的管理,新建小区要落实充电桩配建的要求,存量小区要改革发挥充电私人桩和公共桩相结合以及私人桩多用这种机制,推广有序充电、鼓励个人桩的共享以及电动汽车的充换电、充放电这样一个V2G的机制,使得电网里起到灵活的充电、放电机制。

下面我做一个小结:

第一,发展电动汽车和保障国家能源石油的供应安全、提高全社会电气化比重、降低能源强度、以及支撑可再生能源健康发展息息相关,是能源转型的重要措施之一,秤砣虽小撑千斤,四轮低碳绿出行。

第二,碳达峰和碳中和是一个伟大的时代大考,“达峰”、“中和”匹夫有责,要进一步优化电动汽车及其基础设施发展路线图,高认识、强规划、早行动、全加速、全参与、协调发展,努力建设绿色、低碳出行的生态圈,既让每个人尽到了能源转型的光荣责任,也能够享受到绿色、低碳方便出行的友好生态。