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林赫:车用动力低碳发展展望

发布日期:2022-11-16   浏览次数:2693

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,上海交通大学无锡碳中和动力技术研究院常务副院长林赫发表精彩演讲。以下内容为现场演讲实录:
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感谢何秘书长的介绍。

尊敬的各位领导、各位专家:

我的报告题目是《车用动力低碳发展展望》,车用动力低碳发展是个很大的课题,也很复杂,涉及到政策法规、技术等方方面面,所以我今天的报告内容也仅是我们团队包括我个人对车用动力低碳发展的简单看法和认识。我来自于上海交通大学新能源动力研究所,去年10月份黄震院士在无锡成立碳中和动力技术研究院,我现在也在无锡负责研究院的筹建工作。

我的报告分为三个方面:

一、车用动力低碳发展趋势

2020年9月我国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标,我们国家在一些重要会议上也提出来实现“碳达峰、碳中和”是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。广泛而深刻的意思,我的理解是:广泛体现在双碳改变人与自然的关系、人与人的关系、人与社会的关系、国与国的关系;深刻体现在双碳涉及教育改变、科技变革、产业变革和生活方式改变。比如说教育方面,举个例子,我们交大几年前已经在设立了新能源专业,围绕“碳达峰、碳中和”,今年又设立了储能专业。其他高校也在行动,围绕着低碳、碳中和设立新的专业。

对我们中国来说,“碳达峰、碳中和”有非常大的战略意义,可能在座各位专家都知道,我也谈谈我个人的理解。

第一,我们国家因为目前碳排放占全球的比重是比较高的,达到1/3左右。我们提出“双碳”目标,实际上要为减缓全球温室气体变暖做出重要贡献。

第二,能够实现我们国家能源转型,摆脱石油对外依赖,保障国家能源安全。

第三,双碳会促进科技、产业、经济发展,推动国家经济发展,提升国家竞争力和话语权。因为中国的碳排放占到全球33%的话,在温室气体控制方面的国际话语权就不大,就得听西方发达国家的指指点点。所以“双碳”目标对我们国家的战略意义是非常重大的。

交通领域占全球碳排放的比重还是相当大的,碳排放约占全球碳排放的22%。如果交通领域不做碳减排,预计2050年将增长到60%,因为其他行业都在做碳减排。交通领域分为陆路、水路、航空。陆路交通,包括乘用车、商用车,它在交通领域的碳排放比例达到74%。总的来说,交通领域,尤其是商用车、乘用车,它的碳排放是值得关注的,是交通领域碳减排的重点。

目前全球的交通都在向低碳方向发展,我们看看全球一些主要的汽车国家或者工业国家的交通动力低碳发展趋势。欧洲今年1-6月欧洲乘用车销量560万辆,其中纯燃油车占比56.36%,混动占比23.64%,插混占比8.45%,纯电动占比11.55%,纯燃油车的比重已经在往下走了。欧盟提出了“Fit for 55”减排计划,他们希望在2035年禁售包括混合动力在内的内燃机新车。也有不同的声音,比如欧洲汽车工业协会提出如果2035年禁燃的话,目前充电桩是大量缺乏的,因为欧洲的充电桩目前是35万个,要达到这个目标的话2035年充电桩要达到700万。欧洲汽车工业协会调查发现,混动汽车在欧盟更受欢迎,老百姓更喜欢发动机+电池的混动汽车,因为它可以解决充电和里程焦虑的问题。

11月4日,欧洲负责市场的官员说2035年的禁燃计划可能到2026年会重新评估一次,如果评估发现这个计划不可行、对产业有很大影响的话,可能会延缓禁燃时间。

美国新能源车的比例也在往上增长,预计到2030年,美国的燃油车比例将下降到50%以下。美国有个特例,加州一直对环保、新能源很重视,走在美国其他州前面,加州希望2035年卖的新车都是零碳排放的新车,但是加州允许2035年以后20%的车可以用插电混动,所以有点矛盾。总的来说,电动化在美国也是一个趋势。

日本也在大力推进低碳化和新能源汽车的发展,但是日本强调在2030年新能源车比例达到50%-70%左右,混动占30%-40%,纯电动和插混占20%-30%,还有燃料电池,占3%左右。日本希望2035年电动汽车(包含混合动力汽车、燃料电池汽车)将替代汽油车。日本的战略和欧美、中国都不一样,因为他考虑能源、资源的问题,日本能源、资源都是比较缺乏的,所以他优先考虑混动。

再看我们国家,2019年我国交通运输碳排放占比9.7%,其中公路运输排放量占交通领域碳排放总量的86.76%。在公路运输中,我国重型货车和乘用车碳排放占公路运输碳排放的87.7%。

2021年,我国新能源汽车销量352.1万辆,占汽车总销量的13.4%,其中有纯电动汽车和插电式混合动力汽车。《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》提出2025年新能源汽车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右。到2035年,希望我们国家纯电动车成为新汽车销量的主流。有些机构预测,到2035年,我国乘用车中新能源车和混动比例各达50%。混动车辆可能将在未来的温室气体减排中起到重要作用。近几年比亚迪DMI这种混动架构为代表的混动车辆在国内销售是非常好的。

二、车用动力低碳发展技术和潜力

根据刚才的汽车动力发展趋势来看,无论是欧洲、美国还是日本,车用动力形式都不是单一的,是多种动力形式并存的。所以未来车用动力低碳发展趋势,我们认为应该有三点:

1、动力架构多样化,因为要适应不同的场景,尤其是中国这样的国家,昨天万部长也讲从南到北、从东到西,地理环境是不一样的,需要不同的动力架构。

2、动力系统高效化,通过高效化来减少温室气体排放。

3、动力能源零碳化,实现碳中和目标。

我对这三个趋势做个简单分析。

1、动力架构多样化。我们国家幅员辽阔、地域差别大,应用场景复杂多样,汽车动力架构应具多样性,包括电动、混动、纯发电机、燃料电池。乘用车、商用车、非道路,这些动力架构都会涉及。通过多样性的动力架构,才能满足我们国家在不同的应用场景、不同领域的车辆需求。

2、动力系统高效化。通过高效来降低能源消耗,减少碳排放。技术比较多,包括发动机技术、变速器技术、热管理技术、新能源动力使用和车身技术等等。

下面我们对高效发动机技术里做简单分析,在座很多专家是做发动机的,发动机技术发展到现在一百多年,热效率不断提升,不断地有新技术出现。我举几个例子,提高发动机热效率有很多方式,比如提高压缩比,均质压燃,动态停缸,稀燃发动机高能点火、预燃点火等等,这些技术都能有效提高发动机热效率、减少碳排放。

这里列举一些轻型车发动机的减排技术。比如刚才叶秘书讲的阿特金森循环+可变气门正时,包括动态停缸等等,不同的技术都有不同的节油效率。如果多种技术组合的话,我想它的节油效率可能更加可观。

重型车也一样,重型车发动机减排技术也多种多样。潍柴前两年发布了51%热效率发动机。国际上康明斯、沃尔沃的发动机热效率可能在实验室可以达到55%。如果其他技术综合运用的话,热效率60%应该是有可能的,因此发动机的减排潜力本身就是非常大的。

目前发动机还是最重要的动力系统,但是全球趋势是往电气化方向走,原因主要是因为在目前中国的能源结构下,我国纯电动汽车全生命周期减排的效果相对纯发动机还是有潜力的。比如说我国纯电动乘用车相比纯燃油乘用车的温室气体减排大概43.4%。相对柴油车的话,它的全生命周期减排效果能达到59.5%。这个数据是当前的数据。

2009年的时候,有专业机构研究,减排潜力是倒过来的,纯燃油车温室气体减排比电动车更好。但是随着能源结构,我们国家可再生能源比例慢慢增加,加上纯电动技术的发展,这个数据慢慢就发生改变了。

纯电动汽车还是有进一步提升效率的空间,最大的空间是电网的电力结构,它需要更多的清洁能源、清洁电力。虽然电动车比燃油车有减排潜力,但是全生命周期来看还是有碳排放的。电网的清洁化或者新能源化,对电动车减排的贡献可能是最大的。到2060年可以贡献50%左右。电动车的材料、制造等等,包括动力电池本身的碳减排等等,都是未来纯电动车进一步减排的方向。

目前液态的动力锂电池能量密度几乎接近它的理论极限了,300Wh/kg。但和高压储氢能量密度相比,它还是低的,更不用说液体燃料。所以进一步提高动力电池的能量密度是它未来的重要方向。目前国际上有很多机构,包括中国也有很多研究单位在研发固态电池。固态电池的能量密度是液态锂电池的两倍左右,它的安全性能比液态电池更高。但是固态电池技术从技术发展来看,目前还面临很多挑战,锂离子传输速度比较慢,尤其放电过程比较慢,电化学稳定比较差,还要防止形成锂支晶。

对于高效动力系统,绕不开混合动力。2022年1-9月我国新能源车销量450万左右,纯电动大概350万,插电式混动占98万。我们看增长比例比较的话,插电式混动是增长最快的,环比增长177%,比2021年1-9月增长168%。可以看到,插电式混动在消费者心中越来越受欢迎。混动的形式有很多种,不同的混动技术,它的减排潜力和节油潜力都不一样。目前插电式混动的节油比例是最高的。

《中国汽车低碳行动计划报告(2022)》发现插电混动如果用在城市公交车上,它的碳排放会比纯电动大巴更低。(如图)比较燃油车、天然气汽车、插电混动、纯电动,插电混动的碳排放是最低的。所以插电混动未来在碳减排方面也有非常大的优势。

欧洲插电混动做了很多年,但欧洲对插电混动做实际道路测试,发现PHEVs实际道路油耗是WLTP认证值的3-5倍,原因是纯电驾驶比例远低于WLTP认证的设定值。

3、动力能源零碳化。主要是发动机零碳/碳中和燃料应用。零碳燃料/可再生合成(碳中和)燃料(E-fuels)是实现发动机碳中和的主要路径。碳中和燃料或者叫可再生合成燃料,未来氢气、氨气、甲醇、汽柴油,都可以是可再生合成燃料,只要有绿色氢气和一氧化碳就可以通过费托方法实现可再生燃料的合成。

国际清洁能源机构做了统计,2050年绿色甲醇成本可能降到600美元/吨,当前化石基甲醇大概300美元/吨。未来加上碳税的话,2050年化石基甲醇的价格可能比绿色甲醇价格更高。

零碳燃料或可再生合成燃料本质上是可再生能源的载体,昨天黄院士的报告也讲了这样的观点。国际可再生能源机构预测2050年绿氢延伸的可再生燃料可以达到6.14亿吨左右,这个数字是很可观的。

我们再看看可再生合成燃料的温室气体排放情况,沙特阿美公司做了研究,发现可再生合成燃料用汽车的温室气体排放比纯电动要显著减少,不是指现在,是指未来。比如2030年与纯电动汽车相比,使用合成柴油内燃机汽车和使用合成汽油混动汽车的温室气体减排潜力可达35%和53%。到2050年,尽管中国电力结构会发生很变化,可能会往低碳发展、脱碳发展,电池生产过程中碳排放也有望显著降低,但合成柴油汽车和合成汽油混动汽车与纯电动汽车相比,仍可以减少18%和40%的温室气体排放。所以合成燃料的温室气体排放潜力是非常值得期待的。

AVL评估欧洲2050年的减排目标,这个减排目标是基于2050年大气温升不超过2摄氏度的目标。发现如果不使用碳中和燃料的话,实际上达不到这个目标。要达到这个目标,碳中和燃料要占汽车能源消耗的31%左右。

三、结论与展望

1、汽车的动力形式未来肯定是具有多样性的,以满足不同场景的需求,只有这样我国汽车产业才有更强的活力、生命力和竞争力。

2、车用动力产业是能源、资源消耗型产业,我国车动力发展必须考虑我国能源和资源禀赋,要先立后破,以确保产业的可持续发展。

3、我国未来能源电力结构会发生很大变化。

4、2050年、2060年清洁发电装机容量分别达到92%、96%。基于清洁能源的情景模式,未来车用动力碳中和目标达成可以依赖能源生产,车用动力的形式选择应更多考虑关键材料资源可得性、动力系统综合成本和效率、动力系统的场景适用性。

5、绿氢、绿氨和液体燃料作为能源载体将在“碳中和”进程中起到重要作用,零碳/碳中和燃料发动机和绿电动力电池相结合的混合动力可能是车用动力碳中和的最优方案:实现能源碳中和、解决里程焦虑、降低锂电池材料对外依赖。

我的报告就到这里,非常感谢研究团队的成员。感谢中国汽车工业协会的大力支持,谢谢!

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅) 

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