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王朝阳院士谈电池储能:核心是频繁使用而非大电池

 假如我们能够采用50度电的小电池装在车上,然后每充一次电可以行驶350公里,基本上可以满足日常通勤的需求。同时要电池具备10分钟快速充电的能力,可以通过快速补能很轻松地满足远距离出行需求,1000公里基本上充两次电、每次10分钟,对消费者不会造成太大的影响。但对消费者来讲,电池成本降低了3倍,对整个社会来讲,原材料的消耗降低了3倍。每辆车子的生产过程当中产生的碳排量也降低了3倍,这个是非常巧妙的一个应用场景。这也是电池储能经济学的一个典型的应用,就是强调增加使用频率。

  ——王朝阳  美国国家发明家科学院院士,宾夕法尼亚州立大学讲席教授、电池与储能技术研究院院长

  (以下为王朝阳在12月17日“财经年会2023:预测与战略”上的发言实录)

  今天我想从电子储能的角度和大家探讨一下双碳背景下电池化转型的可持续发展,并分享一些新的思路。

  在政策方面大家都比较熟悉,这就是2020年之后,国际社会对碳综合行动力度迅速加强,全球气侯治理体系进入了《巴黎协定》为核心的落地阶段,这是执行阶段,中国政府做出了2030年碳达峰,2060年碳中和的庄严承诺。

  01

  交通电动化的共识与挑战

  要实现这些目标,交通的电动化和可再生能源大规模应用是重中之重,我个人认为,要做好三件事情,我们就可以稳健的实现双碳目标:第一在交通领域当中全面的去碳化,这里面动力电池是关键技术。

  第二个要在电网当中尽可能更全面使用风能、太阳能(7.050, 0.00, 0.00%)等可再生能源。至少要让可再生能源发电可占比超过80%以上,因为这些可再生能源都是间接性的,所以使用技术在这里起了关键作用。

  第三个事就是在大幅度增加电气化的比重,向以锂为基础进行转型。

  简单的概括一下,第一件事就是交通领域全面去碳化,第二个发电过程全面去碳化,第三个全面经济大幅度向电气化转移,基本上就可以达到全面经济的去碳化。

  交通电动化已经是全球的共识,根据国际能源署交通领域的碳排放是占到全国碳排放总量的27%,其中路面的交通占大整个交通领域碳排放的75%以上,中国已经是全球最大的新能源汽车市场。去年中国的汽车销量达到350万辆,已经是远远走在全球的最前列。2022年预计销量突破600万,所以这些销量市场的需求的爆增,导致了动力电池需求爆增。

  我们在2015年的时候全球动力电池的装机量只有15G瓦时,但是2022年前三季度达到了325个G瓦时,预计2025今年T瓦时时代,再加上电储能的需求,将会给我们经济和社会带来哪一些新挑战呢?这是需要思考的问题。

  有一些挑战实际上我们已经看到,比如说电池价格的飞涨,过去一年碳酸锂从不到5万块钱一吨飙升到了50万一吨以上,这样电池成本显著增加,这个趋势对于中国发展新能源市场不利。

  在中国尤其是三四线城市,下沉的市场价格是消费者首先考虑的一大因素,所以我们必须要考虑到如何让电动汽车价廉物美。

  第二个要考虑的就是有没有足够的原材料满足未来电池和储能的生产需要,动力电池还需要镍等,所以电池原材料的可持续供应同样是至关重要的。

  第三个我们应该考虑到电池生产过程中,实质上是有碳排放的,所以怎么减少碳排放,这些因素的考虑都会让我们能够实现可持续发展的电动化转型。

  02

  电池储能经济学

  这里我就想结合我的专长跟大家分享一下电池储能技术特点,希望能够帮助到大家能够避开产业化投资过程当中的误区,并希望能够启发我们寻找适合电池储能经济学独立的产业模型,电池储能经济学是一个什么概念呢?

  我们先看看电池,电池实际上只是电能源的储存载体。它的作用实际上跟燃油车的油箱一样,只不过是比较昂贵的油箱。人们对电池本身是没有什么兴趣,主要是对电池当中储存的电能量感兴趣。所以这也是一个巨大的特点,我们也可以把电池比作一个仓库,里面的货物周转的越快,也就是说电能源的使用频率越高,仓库的经济价值就越大。所以电池本身大小不是最重要,关键是里面的能源能否被反复高频率的使用,达到价值最大化。

  打一个比方,我们说房子是拿来住的,电池实际上是拿来频繁使用。一定要达到频繁使用,我举几个例子进一步阐述这个道理。

  第一个例子就是怎么样解决电动汽车的续航里程。续航里程一直是制约电动汽车推广的关键难题,普遍的做法是要提升续航里程,就要增大电池的能量,利用大电池装机到汽车上。这几年很多企业都退出续航里程能够达到1000公里的汽车,我们可以想象一下1000公里续航实际上是需要大电池,这跟电池多先进没有太大的关系。150度大电池本身成本就在那儿,至少要15万,甚至现在要超过20万。一旦我们用大电池来解决续航的话,成本居高不下。

  第二个就是150度电的电池包肯定要消耗大量的原材料,包括镍等紧缺的金属。

  第三个大电池在制作过程中会产生大量的碳。

  第四个我们可以看到一辆汽车实际上使用周期大概只有15到20万公里。所以一次充电续航假如说1000公里,这个电池也就只使用150次就被退役了,这个会造成资源上巨大的浪费。

  所以采用大容量,大的电池包来消除电动汽车续航里程的方法,实际上是不可持续发展的。

  我们有没有新的更巧妙的方法呢?我想在这里提一种我们一直在研究的,然后比较新的路径供大家参考:假如我们能够采用50度电的小电池装在车上,然后每充一次电可以行驶350公里,基本上可以满足日常通勤的需求。同时要电池具备10分钟快速充电的能力,可以通过快速的补能很轻松的满足远距离出行的需求,1000公里基本上充两次电、每次10分钟,对消费者不会造成太大的影响。但对消费者来讲,电池成本降低了3倍,对整个社会来讲,原材料的消耗降低了3倍。每辆车子的生产过程当中产生的碳排量也降低了3倍,这个是非常巧妙的一个应用场景。这也是电池储能经济学的一个典型的应用,就是强调增加频繁使用,或者说使用的频率。

  这种十分钟充电的小电池只需要3000千瓦的充电桩完全可以匹配现有在建的,利用快充电池还可以同时提高充电桩的利用率。目前最好的充电桩大概一小时只能服务一辆车子,未来用10分钟充电的电车的话,可以提高到每小时服务6辆车。这样就可以彻底解决这几年国庆期间经常碰到充电1小时,排队4小时的现象。

  由此可见,安全的快充技术是推动汽车电动化可持续发展的第一技术,亟需国家大力投入,在国际上我们在大踏步的引入快充技术,用最低的成本,最小的原材料消耗,达到电动汽车。

  第二个例子,我想讲的就是,能够储存4小时左右的系统。这种储能系统,这个是电网24小时不间断的依赖可再生能源的关键技术。未来的场景是怎么样的?

  在白天我们有太阳能、风能的时候,不但可以产电让我们使用这些可再生能源,同时有多余的可以存到10小时储能系统。然后晚上把它拿出来用,这样的话,全天候的依赖可再生能源的发电,这是非常美好的一个前景。

  这样的储能系统大概需求估算的是20个T瓦时,除了电动汽车需求那么多的电池之外,我们还可以再建一个独立的20T瓦时的,但是对环境是不是有更多的解决方法呢?其中用到V2G车网的技术,因为我们大家都知道电动汽车只有5%到10%的时间是在使用,大部分时间,90%到95%时间都是闲置的状况。随着全国电动汽车保有量大幅度增大,我们将会自然的形成一个巨大的分布式的储能系统,到2050年会达到25T瓦时,假如说有办法把这么大闲置的储能系统利用起来,利用V2G就是车网的互动技术来实现电力产电100%,而同时不需要再消耗原材料制造更多的储能集装箱,这将是非常完美的一个解决方案。

  所以说怎么样做好车网互动的商业模型,可以让我们从闲置的电池当中提取巨大的产能,目前动力电池使用率很高的,从电池储能经济学角度来讲有很大的空间可以提高使用的储存率。

  第三个例子,我想讲的大概是100小时的常识储能系统,基本上是一周能够储存一次的样子。这个技术也是保证电力来自于可再生能源,至少80%电力来自于可再生能源很大的关键,也是目前科学和行业当中最大的一个点。

  因为在这种场景当中,它的能源的周转频率不高,所以大家普遍的想法是要把储能成本做到极低,非常低。比如说一个瓦时0.1元,做到这一下这样才有市场竞争力。当然,你可以想象从科学的角度来讲难度是非常大的。但是,我们假如说能结合其他的学科,从使用侧来考虑能够找到一些商业模式,也就是说它大部分的工作提供一周能够储存能量,但是在这一周当中假如说有一些普通收入的商业模式,把收入增加1倍以上,它带来的经济型就可以允许成本更高一点的储能系统。比如说在0.2到0.3元每瓦时成本区间,在这个区间当中马上就会有好几种成熟的储能技术出现。我们就可以工程化,需要等待科学上的重大突破,常识储能的建设周期是很长的,所以赢得时间就是金钱。

  这三个例子都体现了电池储能经济学的核心频繁使用,这个是最大的一个技术特点。把这个特点跟应用场景商业和市场创新模式假如说有机的结合起来,我相信应该非常有可能催生一些新的急剧竞争力的储能解决方法。

  最后我想用三个R值总结一下我的观点,节约、重复使用、回收。因为我们只有做到原材料的可持续供应,成本的不断下降,以及高频率的使用储能系统,才能真正实现可持续发展的电气化转型。希望社会各界能够共同努力,携手共赢。