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刘科院士:长期储能是太阳能改变世界的关键

2024-08-29 03:32:09 太阳能离网供电

  6月28日下午,碳路中国—2023年粤港澳大湾区储能创新与投资论坛在深圳隆重举行。主旨演讲环节上,澳大利亚技术科学与工程院外籍院士、能源科学家、南方科技大学清洁能源研究院院长刘科发表了题为《双碳背景下的中国经济与能源转型》的主题演讲。

  首先用能源的数据解读一下中国经济,2020年,中国二氧化碳排放103亿吨,人均7.4吨,假如你是三口之家,人均就是22吨。我想在座的远远多于这个平均数,这在某种程度上预示着能源转型是一个巨大的行业。

  第二个数据,中国的煤耗从2001年的13亿吨增加到2014年约38亿吨,煤的耗量反映电的耗量,电的耗量代表了一个国家工业化的水平。2001年中国加入WTO,世界市场向中国开放,中国的企业家用勤劳、用高性价比产品迅速占领世界市场,在“大进大出”中,中国经济迎来了最好的20年。

  拉动经济稳步的增长的“三驾马车”是投资、出口、内需,当国际大循环受到阻力的时候,就要靠内需,内需的核心是两个:第一,增加老百姓今天的收入,他敢花今天的钱;第二,增加老百姓对未来的预期,他敢花信用卡的钱。当下,出口和内需都受到一些约束条件。

  投资再投房地产和基础设施,也已经不是那么容易了。中国14亿人口占世界人口的20%,建了全世界50%的房子,人均住房面积达到了发达国家的水平,同时人口又在下降。如果仅仅是为了刺激经济再建一堆空楼,对子孙后代是不负责任的,高楼大厦不是现代化。若无法用钢筋水泥刺激经济,我们要靠什么?我自己觉得未来很大的一个主题是碳中和和能源转型,只有这个才有足够的体量。

  我国的成本优势也在逐渐消失,中美制造业成本相比,除了工人工资是美国的1/8,中国的土地使用成本是美国的9倍,物流成本是2倍,银行贷款成本是2.2倍,税收成本是1.35倍,电价是3倍,天然气是4倍,清关成本也高,经济发展到今天,靠成本已经没办法竞争,我们只可以靠创新。

  今天我们一提创新就想到科学家,记住,科学家是“创知”的主体,南科大的理念是“创知、创新、创业”,创知是Create knowledge。科学家写文章,一旦发表出去,就变成人类共有的知识。真正的卡脖子技术是在创新的过程产生的,创新英文——Innovation,包含Turning knowledge into useful technology的意思,即:知识转化为有用的技术的过程。

  创新的主体是那些能把政、产、学、研链接到一起,既懂技术又懂管理的企业家,像马斯克,乔布斯、比尔·盖茨、任正非,马化腾等等。创新的主体是企业家,创知的主体是科学家,中国现在最缺的就是具有企业家精神的科学家,和具有科学素养的企业家。

  回到我们今天的主题——储能,碳中和的核心就是要用风电、太阳能这些非碳能源取代火电。中国这些年有个最大的变化,就是太阳能和风能都便宜了。

  2010年,为响应人才战略,我回国筹建国家能源集团北京低碳氢能研究院,当时我们请了几个跨国能源公司的CTO,35个发达国家的院士,包括4个诺贝尔奖得主,一年开两次会,探讨中国能源的未来发展。我可以很坦诚地对大家说,这批能源专家中,没有一个人能预测到在短短的十几年后,中国太阳能会这么便宜。

  国电投在四川甘孜发电达到了目前国内最低价——0.148元/度,还能给当地政府交3分钱资源税。华为计划在沙特建造1.3GW的太阳能电站,利用沙特的长时间日照和廉价的资本成本,电价可以低至0.07元/度。0.07元/度的太阳能能改变世界。

  按道理,太阳能、风能如此便宜的时候,煤价应该跌,但恰恰相反:前两年煤价翻了三倍。因为一年有8760小时,太阳能再便宜,珠三角每年的可利用日照时间也仅有1200小时左右,即使日照时间充足的包头一年也就1800小时左右。

  所以一定要发展储能技术,当前的储能技术通过电池为手机、电脑、电动车充电没问题,但是GW级的储电最便宜还是抽水储电。抽水储电在平原地区做不了,压缩空气只能在有岩洞的地方,而且能源只能储存几个小时。遇到三个礼拜连日阴雨怎么办?遇到2021年夏天整个北半球缺风怎么办?那会还要靠火电发电,碳中和永远不可能实现。所以不光要有短期储能技术,还要长期储能技术。

  110年前,电动车的数量远超于燃油车,因为铅酸电池比内燃机早发明20多年,以爱迪生为代表的一派声称电动车是未来,而以福特为代表的一派则认为燃油车是未来,到了1920年以后,爱迪生的电动车销声匿迹,直到今天燃油车还是主导,为什么历史会这样演变?第一,因为液体是最佳的能源载体。对汽车、轮船来讲,油箱不能无穷大。假设都是一立方米的油箱,不同能源能跑多少公里,就是单位体积内的包含的能量。氢气只有3.2千瓦时/立方米,天然气有10千瓦时/立方米,人类花了上百年的历史、上万亿的研发经费研究电池,到现在最好的刀片电池储能不过400多千瓦时/立方米,而甲醇有4300千瓦时/立方米,汽油达到了8600千瓦时/立方米,液体的体积能量密度最大。

  运载方面,液体陆上可以管路输送、海上可以非常便宜地跨海输送。假设深圳加油每升是7块钱,从休斯敦炼油厂运到深圳,运费7分钱不到,这就是地球产石油的就那么几个地方,但世界任何一个角落都可以开车的最最终的原因,人类选了液体能源,选了汽油,建那么多基础设施不是偶然的,是由液体的特性决定的。

  1913年,福特公司出现了世界上第一条流水线,图纸定型后,内燃机成本变得很便宜,今天中国的内燃机成本,每台不超过1万元人民币。

  电动车每个电池需要这么多克镍和钴,但钴、锂、镍不是想采多少就采多少,电动车产量上升,供需关系导致碳酸锂的价格从2018年的4万/吨最高涨到60万/吨,翻了15~20倍,原材料价格涨那么多倍,车不能不涨对吧?这也是怎么回事中国电动车砸了几万亿,但100多个电动车品牌只有几个是赚钱的,大部分是亏钱的。

  电动车是好技术,但是电动车发展一定得完成4个同步:第一,电动车的发展速度必须和电网的清洁化同步,如果你电网69.5%是火电的话,那用煤开车干净,还是用太阳能制成的液体开车干净?第二电动车的发展必须跟材料的供应程度同步,不能说电动车产量上去了,结果材料供应跟不上;第三,电动车的发展要和金属的回收技术同步;第四,电动车的发展要和基础设施充电桩同步。

  但是美国、日本、欧洲在氢燃料电池砸了几百亿美金了,为什么没有实现产业化?因为气体不适合于做人类的能源载体,氢气是元素周期表中最小的分子,这就从另一方面代表着它最容易泄露,只有靠压缩到700公斤压力才能提高到足够的体积单位体积内的包含的能量。氢气最害怕在封闭空间,它是爆炸范围最宽的气体,可以从4%到74%,且一旦达到这个浓度范围,一根针掉到钢板上产生的火花,可以把屋子瞬间引爆,燃烧的话,人是有时间跑的,但爆炸人是跑不了的。这100年来,炼油厂发生的事故多数是由于氢气的泄露而造成的。

  因此,要建加氢站,要跟居民楼有一定的安全距离,北上广深并没那么多地去建加氢站。而且,在封闭空间,尤其是深圳大部分车停在地下一层甚至三层,若有一辆车泄露,就会产生巨大的危险。

  我现在是吉利的顾问,李书福(吉利控股董事长)这么多年一直在做甲醇汽车,贵阳2万台甲醇车开了12年,没有一点问题,包括重卡。

  记住,任何重卡、轮船和飞机搞电动都是不科学的,卡车电池很重,一爬坡,就是平时耗电量的8倍,轮船就更用不了,飞机飞半个小时就没电了。电动车适用于啥地方呢?平坦和暖和的地方,像深圳挺好的,但不适合在山区和冬天太长的地方。我经常跟大家讲,不要用电去反对甲醇,也不要用甲醇反对电。

  我们做了甲醇插电式混动车型,这样电池就没必要做600公里(续航),做200公里(续航)就够了,车上装5升甲醇,我今天如果从深圳开车去韶关没问题,边开车边充电,那么晚上回到家里不需要快充了。而慢充几百块钱一个箱子,还可以再一次进行选择电价最便宜的时候充。到冬天问题也不大,甲醇发电的余热就可以把电池和汽车保持最佳温度,这样就能解决制热的问题。

  如果燃料电池技术进展到更进一步,车上装的绿色甲醇就是氢的液体载体,甲醇和水反应制氢,氢通过燃料电池到80度发电,将来就两种可能,如果车要进地下车库,那就把甲醇装在车上,如果车不需要进地下车库,将车拉到加氢站加氢就行了。

  那么最后我就做一个总结:太阳能便宜了,能上网的尽量上网,上不了网的以绿色液体的形式储存下来;甲醇储存20年都没问题,甲醇是一个长期储能战略;未来一套绿色甲醇基础设施,可以供未来的三代汽车内燃机使用,我不认为人类会把已经建成的几十万亿液体基础设施扔掉,建那么多的充电桩快充站,既不现实也不科学也不经济;欧洲的禁燃是禁止燃烧汽柴油等化石燃料的内燃机,如果由绿电制得的绿色液体燃料的内燃机既不需要禁也没必要禁,也禁不了。未来社会就是绿色液体和动力电池的混合,适合用电的用电,适合甲醇用甲醇,适合做混动就做混动,这才是科学态度。好,谢谢大家。

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