 劉科 | 文 編者按：本文作者劉科是全球知名能源專家、澳大利亞國家工程院外籍院士。他曾帶領UTC、尼桑、殼牌石油三家公司的工程師團隊，耗資上億美金研發了全球第一輛“車載汽油制氫的燃料電池汽車”。曾連續三屆擔任美國氫能與燃料電池峰會主席。 本文是其在網易未來公開課上的演講實錄，在秦朔朋友圈刊發前經本人修改審定。 大家好，我是劉科，南方科技大學創新創業學院和南科大清潔能源研究院的院長。今天我給大家分享的主題是《電動車和氫能的歷史與未來》。 為什么要發展電動車、氫能這種新能源汽車？主要是解決兩個問題：第一是我們國家的石油不夠。我十年前回國的時候，中國的石油總消耗量只有4億噸，但十年之內由4億噸增加到7億噸。我們前20年勉強還能生產2億噸，到2017年2億噸都維持不了，只有1.91億噸，2018年降到1.89億噸。我們現在將近73%的石油靠進口。第二就是大家都能看到霧霾和空氣污染問題。 為了解決這兩個問題，就需要開發更清潔的汽車和能源，所以電動車和氫能自然就被推上歷史的舞臺。 為什么100多年前電動車多過燃油車，后來燃油車占了統治地位？ 100多年前紐約大街上的電動車  電動車并不新。1912年，紐約、倫敦、巴黎，還有洛杉磯的大街上，跑的電動車遠遠多于燃油車。為什么？因為鉛酸電池早于內燃機發明20多年。100多年前，以愛迪生為首的一批科學家就在賭電動車。 我回國前在GE（通用電氣）工作，愛迪生就是GE的創始人。當時以福特為代表的汽車公司賭的是燃油車。到了20世紀30年代以后電動車就幾乎銷聲匿跡了，今天燃油車仍然占有絕對統治地位。 為什么是這樣的格局？我來談幾點歷史原因。 第一點，我們研究汽車或者研究交通運輸燃料的時候，有一個很重要的概念，叫體積能量密度。對汽車來講，重量重一點無所謂，但油箱不能無窮大。假設我們的油箱都是1立方米，每種能源蘊含的能量密度大小，也就決定了汽車能跑的距離遠近。 100多年前就發明的鉛酸電池的能量密度是90千瓦時/立方米，人類花了將近上千億美金和100多年的探索，電池能量密度到如今只從90千瓦時/立方米提高到260千瓦時/立方米。現在特斯拉的電池、比亞迪的刀片電池，大概就是260千瓦時/立方米。而汽油的能量密度是8600千瓦時/立方米，柴油是9600千瓦時/立方米。稍后即將提到的甲醇液體是4300千瓦時/立方米。 總而言之，人類花了100多年時間的研發，電池的能量密度并沒有得到革命性的根本的改變。 各類能源的能量密度  第二點，液體能源有個非常好的特點，陸上可以管路輸送，海上可以非常便宜地跨海輸送。2016年我到深圳工作不久，邀請了時任美國能源部部長、諾貝爾獎獲得者朱棣文先生，還有當時中國工程院主管能源的副院長謝克昌院士，以及中國科學院主管能源的副院長李靜海院士為南科大清潔能源研究院舉辦成立揭牌儀式。 當時在一個能源研討會上，我問大家一個問題，說很長一段時間在深圳開車加油是7塊錢一升，假設這個汽油是從休斯敦煉油廠用船拉到深圳鹽田港，這一升的運費是多少錢？我讓好多搞能源的朋友猜，有人猜是3塊5，甚至有人猜5塊，也有人猜1塊的，我說真正的答案是7分錢不到。 我說7分錢的時候大家沒人相信，但一算就明白了。現在一條大船可以拉30萬噸，大概是4億升。液體的好處在于，使用泵和管道就能裝船，不需要人工。到了深圳的碼頭，管道連接好后，使用泵就能打到罐里，也不要人工。路上耗費的就是船的油錢和折舊費，4億升，如果一升一毛錢就是4000萬元，但跑一趟船根本用不了這么多油錢。這就是為什么世界上產石油的只有那么幾個地方，但任何一個角落都可以很方便地加油開車。所以，液體在運輸上有很多好處，而且可以長期儲存。茅臺酒存50年沒問題，但電和氣都不能長期儲存。 百年前的福特量產汽車的流水線  第三點，為什么人類的第一條流水線是福特的流水線？內燃發動機是機械的東西，造一臺很貴，但當一條流水線造出100萬臺的時候，每臺的成本會極大降低。1913年，福特的流水線一上去量產，就讓美國的汽車從4700美元降到380美元，讓藍領工人都可以買得起汽車。 然而電動車不同，每個電池都需要一定量的鎳、鈷、鋰，車上還有銅等各種金屬。產能擴張后每臺成本會有所下降，但是下降不多，不像機械不銹鋼，要多少，產多少，造得越多，成本越低，材料成本很少。電動車的材料成本占大頭，加工成本并不是主流，所以你可以采用流水線，可以降低一點，但不能有根本的降低。 中國的電動車從2016年底的51.7萬輛增加到2018年第一個季度的79.4萬輛，增量為28萬輛，相對于當時整個汽車市場一年2900萬輛的產量，是很少的，但同期追蹤全世界的鈷的價格和鋰的價格，分別翻了四倍和一倍。這種情況告訴我們，如果技術不突破，不把鈷和鋰的用量降下來，造得越多材料越貴。當鈷的價格翻了四倍，鋰價格翻了一倍的時候，全世界沒有一家公司聲稱通過回收電池里的鈷和鋰能實現盈利，這反過來告訴我們，電池的回收技術還有待突破。 如果電網67%還是煤電，電動車的增加還是在增加碳排放 今天的電動汽車用了5到7年，把退役動力電池用作儲能電源，比如放到5G基站底下做儲能，可能還能再延遲一二十年。但是儲能電池也是有壽命的，里邊有很多對自然有害的化學物質，不可能無限期使用。一二十年后仍然需要回收。如果不回收，當幾百萬個甚至將來上千萬個電池分布在中國大地，如果任其泄露，那是環境的災難。 現在的電動車里大概有600到800公斤的電池，不是手拎就可以回收的。將來誰去回收？國家如果要回收，錢誰來出？賣車的時候已經補貼了這么多，將來回收電池是否還要補貼，什么時候是底？ 這些環境的問題都要考慮，所以我現在一再呼吁要加強電池回收技術的研發，把這個系統工程做好。否則光考慮發展電動車，不考慮回收的問題，未來我們每個人都會為之付出代價。 環境污染對生態造成的破壞  當然另外一點的現實因素是，中國67%的電都靠煤炭來發。如果能源結構不改變，如果電網67%的還是煤電，那電動車的增加還是在增加碳排放，而不是減少碳排放。只有能源結構和電網里大部分是可再生能源構成的時候，電動車才能算得上清潔能源。 現階段針對電池投入大量研發非常重要，不管是電動車、燃油車還是氫燃料電池車都需要電池。高檔燃油車里的電池規模已經到5kW甚至10kW了，氫能汽車里有100升左右的電池。汽車電子、控制系統以及蓄電池等都需要電池，所以電池的研發怎么強調也不過分。電池的技術一定要有突破，如果沒有突破，一味地、盲目地去追求電動車是一個很危險的戰略。遺憾的是，盡管電池技術100年來有些進展，但仍然沒有本質的飛躍，這是一個非常嚴峻的挑戰。 2018年國務院領導人考察豐田氫燃料電池車  氫氣不那么好儲，更沒想象中那么好用 2018年，國內突然掀起一股氫能熱。氫能有它的好處，發電效率高，能降低對石油的依賴，排放為水蒸氣，而且大規模量產燃料電池后成本能下來。盡管燃料電池也要用貴金屬，但是它的貴金屬回收技術相對來講比較成熟。并且這些年的研發使得貴金屬用料量在降低，這都是它的優點。 其實燃料電池也不新，這已經是第四輪了。我2000年左右見證了美國上一輪氫能與燃料電池熱。上世紀90年代末一直到2005、2006年，這個期間美國花了上百億美金在燃料電池上的研發。 我記得小布什總統在他的國情咨文演講時說，今晚他會宣布一個計劃，美國能源部花多少億美金開發氫燃料電池汽車，15年后每一個美國人開的車后邊排放的都是水蒸氣。 現在，已經是2021年了，達到了沒有？沒有。全世界的燃料電池（車）可能加起來也就是3萬多輛，美國不到1萬輛。 燃料電池汽車，也就是我們說的氫能汽車，沒有產業化的最根本的原因是氫氣不適合于作為大眾你我共有的能源載體。為什么？ 第一點剛才講了，它的體積能量密度是最小的，為了增加體積能量密度，只好把壓力增加。目前看到所有的氫燃料電池車里的儲氫罐，都是350和700公斤大氣壓，儲氫罐如果拿不銹鋼設計必須做得非常厚，因為壓力太高。學過理工的人都知道，700公斤壓力的高壓設備，不是那么容易生產制造的。 第二點，氫氣高壓會有一個問題，氫氣是元素周期表中最小的分子，最小的分子就意味著最容易泄露。 第三點，氫氣在露天沒有問題，我們在20多年前在美國做過這個實驗，一個加氫車，它的儲氫罐為了安全一般都放在最后，普通步槍一槍是打不透的。打完以后，因為氫氣在露天沒問題，它很輕，就像氫氣球一樣，一條火龍沖上天，駕駛室的溫度一下子升不了那么高，人有足夠時間逃逸。 但是，在封閉的空間里，氫氣就會有巨大的問題。氫氣是爆炸范圍最寬的氣體，4%到74%，小于4%是安全的，大于74%只著火不爆炸，但是在4%到74%這個很寬的范圍內，遇火星就爆。 當北上廣深這些城市，尤其深圳90%以上的車是停到地下車庫這一封閉空間里的。大量氫能汽車進到地下車庫，若有一輛車泄露，就會產生巨大的危險。盡管這個是小概率事件，但是使用眾多的時候，總有部件老化等問題發生，哪怕儲氫罐是安全的，閥門、管路等也有一定小概率老化，或者開車不注意發生了撞擊。一旦泄露遇火星爆炸，引起其他車爆炸，一個大樓都有可能毀掉。所以在封閉的空間里，使用氫氣要非常注意。 氫燃料電池車在露天情況下的安全實驗  我在90年代初曾加入全世界最大的石油公司埃克森美孚，記得加入時，不管多高位置進去，前一個禮拜什么也不干，只進行安全培訓。盡管煉油廠非常重視安全培訓，但這100年來，總是有小概率事故發生，煉油廠發生的事故多數是由于氫氣的泄露而造成的。所以我們在石油化工行業里，有句話叫“Hydrogen is the devil in the refinery”（氫氣是煉油廠的魔鬼），它泄露的時候，無色無味，甚至著的火都是沒顏色的。所以電不好儲，氫氣也不那么好儲，更沒想象中的那么好用。 甲醇可能是最好的儲氫的載體 怎么解決這些問題？怎么讓電動車、燃料電池汽車更好地發展呢？我提出要用液體的氫氣的載體來做，將來可能會有其他更好的液體，目前我們的方案是：甲醇可能是最好的儲氫的載體。為什么？ 甲醇可以從煤和天然氣制，也能從太陽能、風能制  甲醇可以從煤、天然氣來制，未來可以用太陽能催化二氧化碳和水來制甲醇，就變成綠色的甲醇。中國現在甲醇產能全世界最高，大概8000多萬噸，按噸位來講接近汽油1/4的量。 另外頁巖氣革命讓世界發現了將近200年用不完的天然氣。有200年用不完的天然氣，就有200年用不完的甲醇。天然氣是甲醇的原料，天然氣這邊供氣，那邊就可以生產甲醇裝船，是非常成熟的技術。氣體跨海不好運，但是一旦轉成液體，全世界任何一個港口都能運輸，每噸的運費大概也就50塊錢左右，很便宜。 在未來，我們可以做太陽能制甲醇。一年多前，中國科學院大連化學物理研究所70周年所慶，我的主題演講也講了這個觀點。大連化物所的李燦院士已經成功地在甘肅做了示范，用太陽能催化二氧化碳和水轉成甲醇，只是今天的成本比煤制甲醇大概每噸要貴出500~700塊錢，但是給未來探明了方向。未來使用太陽能制甲醇，生產的甲醇就完全是綠色甲醇了，這是第一點。  第二點，假如在車上裝甲醇，其實裝的是甲醇和水的摩爾比1：1，重量比是64%的甲醇36%的水，就相當于64度的酒。甲醇跟乙醇都是酒精的性質，只是不能喝，其他性能都差不多。裝在車上，甲醇和水反應可以制氫，1升甲醇可以放出143克的氣，也就是1升甲醇可以儲2升液氫，氫氣推動燃料電池給車提供電能。燃料電池是在80度發電，我們學過熱力學的人就知道卡諾定理，它的效率更高。 今天來看，我們認為甲醇可能是最好的儲氫的載體。氫氣隨產隨用。甲醇在常溫常壓下是液體，礦泉水瓶子就可以裝。那么我上面講的液體能源的所有優點都有了，它的能量密度4300千瓦時/立方米，是現在電動汽車電池的接近20倍的樣子。 所以我們認為，未來氫燃料電池和電動車都有前途，但儲能的載體要考慮好。甲醇常溫常壓下是液體，有了液體能源，人類現在已經投資幾萬億美金建成的液體基礎設施就不用廢掉了，可以改造后使用。對于一般的加油站，近年可能是6個罐，前期替換成1個甲醇罐、5個汽柴油罐，再過十年，替換成2個甲醇罐，4個汽油罐。這樣整個能源轉型就不需要再花多少萬億去建加氫站和充電樁了。 甲醇制氫與燃料電池集成給5G基站供電的示范  甲醇供氫長期可以在汽車上用。短期之內，我們已經用甲醇的分布式能源解決5G基站山頂上的5G基站、邊防哨所和孤島的供電，因為目前這種遠距離的供電通過電網成本很高，要實現不間斷供電唯一的技術選擇是柴油機。 但是柴油機使用柴油每百萬大卡的成本比甲醇高一倍，貴；柴油污染大、噪音大；另外在前不著村后不著店的地方放著柴油的話，晚上有些人連柴油帶柴油機一起偷走了。如果增設人力維護和安防，成本就會上升。 使用甲醇供氫即便偷走也需要特定的技術才能使用，我們在廣州山頂的一個基站給5G基站已經供電多年，只需要一套裝置外加地下埋了500升甲醇和水的罐，甲醇和水制氫氣發電，通過預警裝置，發生偷竊會自動報廢或鎖定。 柴油機械不可以自動報廢，即便報廢仍然容易維修，但甲醇制氫發電別人偷走也沒用。全世界現在有100萬個壞電基站，原來都是設置柴油機發電，使用這個技術能夠把它們救活。那么這個技術充分發展以后，邊防哨所、孤島都能使用，將來縮微后就可以上車，可以解決很多基礎設施的問題。 大量充電樁利用率不高，雜草叢生  除了我上面講的，如今電動車、氫燃料電池車還有一個很大的問題，就是基礎設施的問題。氫氣的安全、儲存都要求一定的占地面積。現在像北上廣市中心的地方，每畝土地價值過億。將來僅占地成本就難以承受。調研顯示，現在有些中國已建的充電樁的利用率不到4%，北京、上海這些地方利用率不到1.5%，因為地價問題很難解決。 多處報導電動車在北方冬天的“趴窩”  另外一點電動車還有一個問題——冬天的趴窩。新聞經常一到冬天就報道，哈爾濱、北京等地的電動車趴窩。北京前幾年開始推廣電動車，我上車后發現司機大冬天穿著軍大衣、棉靴子，不敢開暖氣。我說把暖氣打開，司機說他不敢。因為不開暖氣，只能跑100多公里，如果開了暖氣，馬上就沒電了。 請記住，全世界80%的經濟產出是北緯25度以上的城市帶來的，紐約、倫敦、巴黎、莫斯科、東京、北京、多倫多這些地方，都是有冬天的地方。如果一個電動車你只能夠夏天用，冬天不能用，也會影響它的發展。那么怎么解決這些問題呢？  我們提出的方案是插電式醇氫混合動力。不用去建什么充電站，也不要去建加氫站，就在家里地下車庫放個幾百塊錢的慢充的站，晚上睡覺的時候插上充電。但是車上永遠裝50升的甲醇。如果不裝這50升的甲醇，比如我現在在深圳，買一個電動車往廣州都不敢跑，因為跑到那就回不來，找到充電樁充幾個小時很耽誤事。 但如果我車上有了50升甲醇，甲醇制氫發電，可以給電池充電，我們做一個相當于電動車的“充電寶”。一旦沒有電的時候或者冬天冷的時候，裝50升甲醇類似裝50升汽油一樣，甲醇和水反應的溫度是200多度，用余熱就把車可以加熱，也可以把電池保持到最佳溫度。基礎設施就可以解決電動車“雞和蛋”的問題。所以我們實際上通過新的技術給電動車和氫燃料電池賦能。 說到最近很熱的碳中和，很多人認為，碳中和主要寄希望于風能和太陽能這些可再生能源，但風能和太陽能最大的問題是不穩定，一年8760個小時，太陽能的發電時間，中國平均在1700小時，所以很多人說太陽能比火電都便宜了，這個話只對了1/7。在1/7時間里成立，但是其他6/7的時間的成本還是火電的好幾倍。 中國的風能、太陽能發展了40年，有很大進步，但現在的發電量大概就是2億噸標準煤的發電量。而中國的總共發電量是22億噸標準煤。而且這些風能、太陽能在發展的時候，棄風、棄電也非常嚴重。為什么呢？因為電網只能容納15%的非穩定電源。風能、太陽能發出來的電，電網沒法全部承受。如果繼續增加風能、太陽能的同時，大規模儲能問題解決不了，只能廢棄更多。 那么怎么辦？我們提出來就像把太陽能和風能轉成一個液體，類似甲醇這樣常溫常壓是液體的物質，用它來儲氫，那么今天液體能源的所有新的概念都可以應用了。 甲醇是在應用端連接太陽能和氫能的載體  正如南方科技大學校長、原清華大學副校長薛其坤院士跟埃隆·馬斯克對話提到的，未來技術的顛覆式創新在于太陽能和氫能的可持續循環。我認為大規模應用的方法是把風能、太陽能的儲能以液體的形式儲存。今天是甲醇，未來也可能是其他更好的液體。把風能、太陽能以液體形式儲下來，再利用人類用幾萬億美元建的液體基礎設施，就可以做到碳中和，而且也可以讓電動車和燃料電池有更大的發展。 圖片|視覺中國 |
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