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数据解读碳达峰碳中和误区及其现实路径-2

2021-09-13 , 3210 , 101 , 111

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为什么前一百年电动车(汽车)未能战胜燃油车?

电动车这个概念并不新,100多年前如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)
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,上面再加一个车体就是汽车了。今天高尔夫球场开的车就是一百年前爱迪生开的车,所以电动车不是全新的技术,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?世界前100年选择了燃油车的根本原因是什么?我在这里不预测未来,只用数据来讲历史,跟大家解释几个原因。


爱迪生和电动汽车.webp

图1 1912年,爱迪生跟他的电动车合影。


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(锂离子)电池、比亚迪的(磷酸铁)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,远大于电池。
 
第二个原因,液体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,而且可以在常温常压下长期储存。
2016年我到深圳工作不久,在一个能源研讨会上,我向很多能源界、学术界的朋友提了一个问题,当时很长一段时间在深圳开车加油是7块钱左右一升,假设这个汽油是从休斯敦的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,有人猜是一半(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。
  现在的大油轮一条大船可以拉30万吨,折算汽油是约4亿升(折算原油约3.6亿升)。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(如苏格兰烈性伏特加、中国的二锅头、茅台等)存50年没问题,但电和气都不能长期储存。常见的高度酒也是一种醇类液体,举这个例子告诉大家,液体燃料的运输以及长期存储不存在任何问题。

UfqiLong

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,很多村镇只有一个加油站,一罐汽油、一罐柴油拉过来就可以满足日常生活了。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,而是什么东西最便宜,最方便。

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,但当设计一旦定型,在一条流水线每年造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,让每个蓝领工人都可以买得起汽车。

然而电动车的不同之处在于,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,所以采用流水线可以降低一些,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2900万辆的产量的1/1000,但同期追踪全世界的钴的价格和锂的价格,分别涨到了原来的四倍和两倍。

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。当钴的价格翻了四倍,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,这反过来告诉我们,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,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。
 

日本氢燃料内燃机.webp 
图2 2018年5月13日,李克强总理参观日本丰田氢燃料汽车。

UfqiLong

大家关心汽车的人可能都看过这张照片(图2)。借着2018年5月13日国家总理李克强访问丰田汽车公司,网上疯炒氢能,说电动车真正的未来是氢燃料电池汽车,不是电动车。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,怎么把能源输过来,这是一个复杂的系统。

我在GE曾花了几百万美元和很多博士一起做能源的全生命周期分析研究的模型,每一步的排碳是多少,效率是多少,最后用数字说话。回国后,我花了很大的代价把这套方法论引进来,专门在低碳所和美国的最大的EPC公司及国家实验室合作启动了   “能源的全生命周期的分析”的项目,从零开始培养这方面的人才。这种软课题在国内很难拿到大的经费支持,但是很重要,因为要用“数据决策”。
  原中国工程院副院长谢克昌院士领导的团队包括低碳所的田亚俊博士等正在致力于推动这方面的工作,补这一块的短板,是非常有意义、有价值的工作。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照,不断修正模型参数,最后用这些模型的预测数字做未来的决策,这叫“数据驱动决策data-driven decision making”,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,建立模型,用模型分析完以后大家用数字说话。
  

电动车遇到这些问题,并不意味着不去发展电动车和电池技术,电池技术的研发永远是重要的,不仅是工业界在推动研发各种先进电池技术,我们南方科技大学的赵予生教授、邓永红教授等团队在这方面一直努力创新研发,并且取得了领先的进展。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,够一台较好的计算机用就行了
  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。今天一个智能手机的运算能力有多少?网联化可能需要几十个手机的运算能力,那也就是几块电池的问题。
  但是如果因为需要这种运算能力,就一定要把驱动改成电动吗?

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、网联化和电动化没有必然的联系。
 

+电动车 +电池 +流水线 +燃油 +汽车

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