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马明堂:“双碳”目标下汽车发展技术展望

发布日期:2022-11-16   浏览次数:2778

2022年11月8日-10日,由中国汽车工业协会主办的第12届中国汽车论坛在上海嘉定举办。作为党的“二十大”召开后的汽车行业首场盛会,本届论坛以“聚力行稳蓄势新程”为主题,共设置“1场闭门峰会+1个大会论坛+16个主题论坛”,以汽车产业的高质量发展为主线,与行业精英一起贯彻新精神,研判新形势,共商新举措。其中,在11月10日上午举办的“主题论坛8:能源转型中的汽车行业碳达峰”上,李斯特技术中心(上海)有限公司发动机技术总工程师马明堂发表精彩演讲。以下内容为现场演讲实录:
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各位同仁,早上好!

我今天报告的题目是面对“双碳”目标,汽车动力总成的趋势和技术,分五个方面和大家分享。

1、碳排放及能源。

不管什么样形式的动力总成都离不开能源,所以说从能源方面,看一下现在和未来是怎么样的。

2、减碳的法规及趋势。

3、全生命周期的碳排放分析。

4、动力总成主要技术。

5、小结及展望。

碳排放伴随着人类不同时期经济的繁荣或者工业革命。我们经历了三次工业革命,第一次是瓦特发明了蒸汽机,从那时开始走向了机械化。第二次工业革命是百年之后的电气化。第三次是上个世纪开始的信息化。现在我们谈第四次工业革命-智能化,第四次工业革命革谁的命?革化石燃料的命。

刚才何秘书长说是不是革内燃机的命?我看不见得,内燃机要看烧的是什么。

我们看一下碳排放的趋势,过去60年,基本上是线性的增长,这是全球的趋势。到现在欧洲已经碳达峰,所以欧洲实现碳中和目标相对容易一些。中国目前经济还在高速发展的阶段,对于我们来说比实现谈中和较难。

比如我们国家从2010年在线性的增长,刚才林教授讲了,中国大约占全球碳排放的30%,实际上欧洲工业革命的时候,欧洲的排放占全世界的90%以上,我们也没有必要自责我们占了30%,因为他们发展早,我们发展晚,你们好日子过完了,不让我们过好日子,这也不太合理。

但是这里面有个能源安全的问题,我们要争取在短时间内达到碳达峰和碳中和,比如从2030年碳达峰到2060年碳中和,这是很艰难的,怎么从峰下来呢?现在不太清楚,将来随着技术的进步,有可能我们也可以快速下来。

不同的预测数据可能不一样,基本上全球的交通领域碳排放占百分之十几(14%)。目前汽车的碳排放只是考虑尾气排放,实际在车的生产制造的过程中,也有碳排放。比如电动车用的电怎么来的?是以生命周期的形式来计算碳排放是必要的。

(如图所示)这是碳排放的足迹,我们要看一下2021年前五的碳排放,当然中国肯定是大户。黄色是整个生产制造过程中、用的过程中产生的碳排放,蓝色是国家人口生活需要产生的碳排放,多余的部分就是我们作为制造工厂给人家代工产生额外的碳排放。

我国每年有10亿吨额外的碳排放,来自额外消费品生产。怎么摆脱制造工厂的地位?习总书记讲了,创新驱动、科技引领,也就是我们要增加能够带来高附加值的东西,而不是整天制造,我们要达到碳达峰、碳中和,这也是一个必经之路。

看一下能源的交易体系,石油来自哪里?化石能源,不仅仅是石油,包括天然气主要来自中东、俄罗斯。欧洲今年冬天很难过,因为俄罗斯不给他供天然气。

我们国家的石油主要靠进口,对能源安全是一个很大的挑战。化石燃料消耗的三个主要地区:亚洲、北美、欧洲。

我们要往绿色转型,主要要依靠可再生能源,主要是太阳能和风能。可再生能源不是哪里都可以有,比如俄罗斯缺少阳光照射,对于他们来说光伏发电是很难的。澳洲、非洲、中东阳光照射都很好,我们国家应该处于中等的水平。

未来能源的贸易体系就不一样了,因为涉及到可再生能源或者绿电。比亚迪的王老板讲过,我们国家西部这种熵(音)的1%铺成光伏,就够我们国家用了,这个想法很好。但问题是这个电发出来了,怎么运到全国各地?怎么运到上海?这是个很大的问题。

氢作为第二次能源,最重要的一点是它作为能源的载体。比如澳大利亚有风能或者电,然后电解制氢,怎么运到中国?也就是说,未来氢能作为一个载体是非常重要的,不光是说将来的调峰或者直接烧氢,这都是很重要的。

我们看一下未来碳达峰或者动力总成的法规,分主要三块:欧洲、中国、美国。

中国主要是关注电动车,以电动车为主,多条腿走路,目前是比较务实的。

另外我们的技术不断发展,目前的高效法发动机主要在中国,就是混动专用发动机、混动专用变速器,主要是中国在引领。

欧洲的法规,因为他也不想把自己搞死,不能把自己的工业全部毁掉,他强调的主要是从油井到车轮的碳排放,带来的结果是强调电动车,欧洲基本上都是往电动车方向走。譬如PHEV不怎么做,就要做纯电。刚才林教授讲了,到2035年燃油车是不允许销售的,这就是他的法规。

美国由于从特朗普到拜登有180度的转弯,很强调往纯电方向走。

你会看到有各种各样的预测,包括林教授都有预测。这是从欧洲角度来讲,对于欧洲将来动力总成技术的预测,我们会看到2021年10月到今年10月的预测,一年间的预测会有很大的变化。为什么这样?这个时代一百年来未有之大变局,各种赛道不断在动,其实谁也预测不准,但大的方向是肯定的,肯定是电气化或者未来有可能电动化。

比如2021年的纯电汽车预测,欧洲到2022年就会增大,比如53%到62%,纯燃油车从20%到8%。2030年,在欧洲混动的占比是30%,绝大部分都是纯电的。

再看一下欧洲其他国家和我们国家,我们国家未来也是以纯电为主,以其他的动力总成方式为辅。今年1-10月份,新能源车占比已经到了23.5%的水平,也就是说你要看它的预测,八九不离十,也不是很准。

其他的国家是日本和欧洲,日本的纯电也在弄,但它更偏重于平衡的多条腿走路。

刚才林教授也讲了,欧洲有个“减碳55”的计划或者建议,最终就会成为一个法规,它有一揽子计划,涉及到方方面面,当然交通领域也是很重要的一点,最主要的就是欧洲有个绿色协议,到2050年要碳中和。基于这个,它推出了具体怎么碳中和,有一些计划或者技术路线。

比如网格化的东西,涉及到“减碳55”方方面面的建议或者未来可能成为法规。未来十年对于他来说是非常重要的,也就是到2030年温室气体排放和1990年比降55%,所以很多是往纯电走。不是纯电就是能减碳,取决于你的电来自哪里。

比如我们国家主要是火电,而且火电的效率又比较低,难道没有碳排放吗?这也是一个问题。所以2035年的时候没有燃油车,不允许燃油车销售,也就是石化燃料不允许了,是不是允许烧氢?烧其他替代燃料?还在讨论。不论烧什么,都不允许烧了,把内燃机彻底移除。

如果我要用新能源车,刚才林教授讲了,比如充电桩、加氢站加紧建设中,这对欧洲未来是巨大的挑战,所以到2030年要建350万充电桩,增幅是非常大的,这是非常难的,所以他们也面临着非常大的挑战。

考虑到从油井到车轮生命周期的话,我要用一些先进的替代燃料在交通运输领域或者在其他的领域。从生命周期来考虑,比如有一些碳税、碳证书,尤其是电池怎么回收再利用,要从整个生命周期来考虑碳排放。

这里给出一个例子,比如混动车、纯电、燃料电池。圈的大小代表碳排放,比如混动车从制造使用24吨,整个生命周期的碳排放是31吨,电动车是21吨,主要是制造时的碳排放比较大,12吨,使用的时候是9吨,燃料电池32吨,跟混动车差不多,制造时的排放12吨,使用20吨。这是目前的状态,由于涉及到灰氢、蓝氢等等,取决于能源的来源。

如果对于混动车可以提升效率的话,我可以减碳10%,也可以将来用合成燃料,10%用合成燃料,最终整个生命周期是10-26吨。如果是纯电的话,取决于电来自哪里,比如混合电可以降75%,电池生产碳排放降50%,以及使用循环再利用降30%,可以到5-20吨,当然它是从节能减排是最好的。燃料电池如果是生产降50%,尽量用可再生能源制氢的话,6-20吨。如果你看下来的话,其实没有什么巨大的差别,没有必要过分强调一定要纯电,其实要从生命周期怎么来测算碳排放,这个需要点智慧,或者怎么算这个东西。

接下来看未来动力总成的技术,现在国内各大主机厂都有混动系统动力总成的推出,而且起名字也都非常雷人,具体都不说了。比如鲲鹏力、雷神动力等等,最主要是达到了混动专用发动机、混动专用变速箱1+1大于2的效果,因为它有个协同,这样的话可以做到百公里4升或者4升以下的油耗。

从内燃机角度来讲,如果从41%的热效率做到45%,有怎样的技术路线?当然这涉及到从传统的内燃机变成混动专用发动机,比如不需要很高的扭矩,可以把压缩比做得很高,另外也可以增压、吸燃等等。比如2020年做到了均质燃料可以做到45%的热效率,我们有一个dream car,可以进一步提升热效率。比如稀薄燃料、降低热损失、能量回收,最终会到50%或者以上的水平。

如果从41%到45%,在WLTC循环降碳的话可以做到14%的水平,这是实车测试的结果。

未来有可能有不同的替代燃料,包括天然气在生物燃料、合成燃料以及氢气、氨气、电,从广义上讲可以考虑到这种燃料。

我们的路径有哪些?比如从可再生的电力,通过各种化学反应制成不同的燃料,或者直接用电,可以以多种形式的动力总成(纯电、混动、燃料电池),多条腿的路径。

最最关键的实际上就是电来自哪里,如果我是绿电的话,未来的碳排放也是零排放。

除了电动车以外,尤其是商用车方面,燃料电池各大主机厂都在做。从燃料电池讲,现在强调的是里程、充电以及有害气体的排放,最主要的难点是集成、硬件成本以及性能。实际上这里面有很多技术的壁垒,比如双基板、贵金属,双基板好多技术掌握在国外的手中,我们要加大投入和研发,对于我们国家燃料电池技术的发展是非常重要的。

从效率角度讲,燃料电池在低负荷的情况下,效率远远高于柴油机,高负荷下和柴油机差不多。

除了燃料电池以外,我们也有氢内燃机,在欧洲也是比较火,尤其是对商用车,国内各大主机厂都在做氢燃机的研发。氢内燃机是不是适合乘用车?其实国内很多主机厂也在做乘用车的氢内燃机研究。

为什么要做烧氢的内燃机?未来是多条腿走路,主要有六大原因:

第一,氢作为清洁能源。

第二,重型氢内燃机的成本接近柴油机和气体机。另外在高负荷的时候,尤其是长途运行的时候,会有很好的效果。


电车方面,最主要的痛点是里程安全和成本的优化,未来我们要尽量做到极致,没有安全的问题。

还有热管理、快充,我要做到一分钟跑100公里,普通消费者接受度会更好。现在来讲,充电需要很长时间,最好的每分钟20公里,未来能不能做到一分钟100公里?这就是我们的目标。现在我们在做一个研究的项目,想把这个做到每分钟百公路的水平。

未来电驱主要的痛点,就是怎么把单位的密度做高。目前来讲,每公斤的重量在1-2千瓦,未来尽可能做到5千瓦的水平。

未来要想达到碳达峰或者碳中和,路径并不仅仅是纯电,但是以纯电为主,肯定是多条腿走路的格局,欧洲主要关注于从油箱到车轮,所以首推纯电。

碳排放要以全生命周期来评价,要想达到碳达峰的话,也是一个挑战,但碳中和是一个巨大的挑战,怎么达到碳中和?可再生能源是达到碳中和关键的因素。

纯电未来的快充是非常重要的,如果能到每分钟百公里,一根烟没抽完,电就充好了,这是非常理想的状态。

由于我们国家这么大的产业链,比如内燃机,未来是不是可以烧替代燃料的内燃机?是不是长期可以跟其他的动力总成形式共存?这个可以考虑,我觉得应该是可以的,取决于你烧啥,内燃机应该是个很不错的东西,不应该轻易把它弄掉。

谢谢各位!

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅) 

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