面向碳中和的新能源汽車與車網互動技術展望*

魏一凡，韓雪冰，盧蘭光，王賀武，李建秋，歐陽明高

（清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084）

前言

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的《第六次評估報告（AR6）》已確認，工業革命后人類活動產生的碳排放是導致氣溫升高的主因。由此將導致熱浪、極端降水等極端天氣的增加；特別是對于城市來說，氣候變化將嚴重影響交通出行和能源供應。將溫升控制在1.5℃以內和2050年實現碳中和已經成為國際社會的焦點主題。目前，歐盟、英國、美國、中國等多個國家已經做出了明確的碳中和路線圖。與其他國家相比，我國減碳壓力更大。例如，美國已于2007年碳達峰，并宣布將于2050年碳中和。而我國仍處于工業化、城鎮化進程中，一次能源消費仍呈現增長趨勢，碳排放也仍處于增長階段。因此，根據我國設定的2060年實現碳中和的目標，我國從碳達峰到實現碳中和的時間比美、歐、日更短，如圖1所示。

圖1 中美歐日碳達峰到碳中和時間

我國始終高度重視應對氣候變化，堅持綠色發展、循環發展和低碳發展，一直將其作為促進高質量可持續發展的重要戰略舉措。2020年9月22日，習近平總書記在第75屆聯合國大會一般性辯論上鄭重宣布：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。這一重要宣示為我國應對氣候變化、綠色低碳發展提供了方向指引、擘畫了宏偉藍圖。

為如期實現碳達峰、碳中和的目標，須大幅提高可再生能源比例，降低化石能源比重，新能源革命是實現碳中和的必經之路。現階段，我國可再生能源發電占比快速升高，發電成本不斷下降，到“十四五”末（2025年），可再生能源的發電裝機占中國電力總裝機的比例將超過50%；到2035年，光伏發電成本可降至0.1元/（kW·h），風電成本可降至0.2元/（kW·h）。我國的光伏和風電技術與成本已經完全具備大規模推廣條件，到2050年，我國非化石能源比重將提升至78%~80%，其中風電將占到能源消費的38.5%，光伏占到21.5%，水電占到9%（圖2）。高比例可再生能源將為傳統電力系統帶來顛覆性變化。

圖2 2050年中國發電量結構預測

然而高比例可再生能源的消納，將為電力系統的安全穩定運行帶來革命性挑戰。據測算，在現有電力網絡傳輸能力下，須至少按照可再生能源裝機容量的16%配置儲能，在碳中和情景下需要配置800 GW儲能容量和大約5 h儲能周期，帶來巨大的社會投資和自然資源投入。在此背景下，儲能技術將成為制約高比例可再生能源的新型電力系統發展的瓶頸，而新能源汽車有望成為突破這一瓶頸的重要技術途徑。

一方面，新能源汽車本身即是新能源革命的重要組成部分。“十五”以來，我國新能源汽車產業從無到有，2020年我國新能源汽車產銷量超過130萬輛，占全球50%以上，處于領先地位。中國汽車工程學會發布的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》預測：2030年，新能源汽車銷量將達到汽車總銷量的50%左右，保有量約1億輛。而隨著乘用車車隊電動化，2050年道路直接二氧化碳排放將從2019年的8億t降低到0.3億t，減排潛力巨大。

另一方面，電動汽車電池儲能是分布式、小規模、短周期儲能的最佳選擇。2060年電動汽車的保有量將達到約3.9億輛，以每輛裝載電池60 kW·h測算，電動汽車儲能將超過230億kW·h，可以滿足電網日間儲能的需求。隨著電動汽車數量的增加，智能有序充電與車網互動（vehicle to grid，V2G）將成為碳中和的重要支撐。電動汽車將成為用能和儲存能源的終端。

氫能及其載體是可再生能源集中式、大規模、長周期存儲的最佳選擇：在能源利用充分性、規模儲能經濟性、與電池放電互補性和制運儲方式靈活性等多個角度都具有優勢。氫能燃料電池車輛是氫能交通的先驅，氫能交通是氫能利用的先導，其使命是帶動氫能的全面發展。

最終，電池和氫能共同構成主流的儲能方式。電動汽車分布式儲能將與集中式氫能電廠發電耦合，可以分別滿足短周期和長周期波動平衡的要求。從該角度看，新能源汽車的規模推廣將有力破解新能源革命的瓶頸。交通和能源將會相互融合，實現一體化發展。

1 新能源汽車與分布式儲能

1.1 電動汽車技術與市場發展

2011年我國在全球率先確立了“純電驅動”的新能源汽車發展技術路線，引領了世界新能源汽車發展潮流。10年來，我國新能源汽車產業從無到有，2021年前10個月我國新能源汽車銷量已經超過210萬輛，預計全年銷量將達到260~300萬輛，呈現爆發式增長態勢。

電動汽車的技術與市場發展受到很多因素的影響和促進，同時電動汽車也會帶來新的節能技術與碳減排貢獻，動力電池作為電動汽車最核心的部件之一，其市場與發展也是電動汽車發展的重要組成部分。本小節基于《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》，結合其市場發展的驅動因素和最新市場動向，嘗試給出在“雙碳”目標背景下電動汽車市場總量的預測判斷。

1.1.1 加速電動汽車市場發展因素

在碳達峰碳中和的政策與新能源革命的促進下，電動汽車除了具有交通功能屬性，還將具有智慧能源屬性和互聯互通屬性等。動力的電動化和自動駕駛的發展將為電動汽車的交通出行帶來很多創新的場景和途徑；隨著智能終端和智能網聯的發展，智能座艙、車?路?人?云的一體化融合等都將充分展現電動汽車的互通互聯功能。

電動汽車加速發展的因素主要包括技術因素、市場因素和政策因素。

技術方面包括：電池材料體系和電芯的改進、電池單體到電池包（cell to pack，CTP）、電池到底盤（cell to chassis，CTC）等電池系統工程創新的技術革命；隨著功率半導體器件的發展，電機控制器的功率密度將不斷提升；熱管理方面，針對電池系統和整車系統的低溫加熱技術、熱泵技術、電池系統冷卻等熱管理技術不斷發展；隨著智能化的電控系統、高體積比能量的電池系統、高體積比功率的電驅動系統的應用，電動化將引起底盤平臺化和模塊化，對汽車設計也帶來變革性影響。

市場方面，如圖3所示。《2021中國新車購買意向研究（NVIS）》報告顯示，95后購車人對新能源轎車和新能源SUV的購買意向很高。電動汽車的消費市場逐漸向年輕、科技感、快消化、高顏值等方向發展。此外，電動汽車的后市場交易活躍度明顯增高，汽車租賃共享、售后維保、二手車交易等平臺快速發展。

圖3 電動汽車發展市場因素

政策方面，如圖4所示。在碳達峰碳中和與新能源汽車革命的促進下，我國近年來不斷發布促進新能源汽車的利好政策以促進產業發展。如購車補貼、雙積分政策、碳稅碳交易和綠證政策等。此外，美國計劃在2030年之前實現50%的在售車輛為零排放車輛的目標；歐盟計劃在2035年之前禁售燃油車等。國內政策和國際形勢都在促進電動汽車的進一步發展。

圖4 中國新能源政策促進產業發展的歷史與未來

1.1.2 電動汽車市場總量預測

在多種激勵因素的作用下，新能源汽車總量應符合自然增長曲線（S曲線）或Logistic growth曲線增長規律，其數學表達式為

式中：()為年份中國汽車銷量的預測值；為銷量的飽和值；Δ為從10%的值增長到90%的值所需的時間；為達到50%的值的年份，也為曲線的轉折點。

根據國家統計局和工業和信息化部裝備工業發展中心1978年以來的汽車銷量數據，結合式（1）可以預測出我國汽車年總銷量的飽和值。再基于《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》的關鍵年份的新能源汽車銷量的滲透比率，則可以預測出新能源汽車的年銷量，如表1和圖5所示。隨著新能源汽車銷量的增加，傳統燃油汽車銷量逐漸降低；2030年左右，新能源汽車銷量占比將達50%左右，其中新能源乘用車1 700萬輛左右；新能源汽車銷量在2040年前增長迅速，到2050年左右逐漸趨于平穩，達到飽和值約3 900萬輛。

表1 我國汽車銷量預測（萬輛）

圖5 我國汽車產銷量歷年變化及預測

假設電動汽車的壽命周期為10年，根據Logistic曲線和《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》預測數據計算，我國新能源汽車的保有量增長趨勢如圖6所示，到2030年，我國新能源汽車保有量將達1億輛；2035年將達到2億輛；2040年達到3億輛；2050年達到3.6億輛左右，新能源汽車市場逐漸趨于飽和。從不同類型的新能源汽車來看，乘用車的增長最迅速，占據主導地位；商用車和專用車將隨著時間和技術發展，逐步實現全部電動化。

圖6 我國新能源汽車保有量增長及預測（萬輛）

1.2 電池可持續發展

電池是新能源汽車的關鍵部件，其技術的革新與發展也將對新能源汽車與新能源革命產生重大影響。近10年鋰離子電池系統成本下降了85%，2020年已經降至0.6~0.9元/（W·h）。《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》規劃了未來電池比能量、壽命和成本的發展目標。其中，動力電池發展路線圖如圖7所示。由圖可見，預計到2025年，三元電池成本將降至0.6元/（W·h），磷酸鐵鋰電池成本降至0.4元/（W·h）；三元電池循環壽命大于1 500次，磷酸鐵鋰電池循環壽命大于5 000?10 000次；隨著固態電池等技術的發展，下一代鋰電池能量密度有望達到或超過500 W·h/kg，進一步支撐電動汽車和儲能的發展。

圖7 動力電池發展路線圖

從長遠來看，車用動力電池與儲能電池發展趨同。儲能電池在壽命方面更好，而動力電池低溫性能更佳。在安全性方面，分布式的動力電池比集中式的儲能電池更具有優勢，主要體現在失效概率低、損害程度小和滅火難度小。總結來看，車載動力電池作為一種低成本、大規模、分布式的儲能方式，具有顯著優勢，也為車網互動奠定了基礎。

1.3 充換電模式及其基礎設施的發展

新能源車的能源補給方式與傳統燃油車有較大的不同，因此新能源車的發展也將推動相應的基礎設施迅猛發展。

圖8給出了不同類型電動汽車出行特征和能量補給方式的對應關系。對于私家乘用車，平時在家或者單位以慢充為主，超級快充主要發生在高速公路長途旅行期間（一般而言SOC低于50%）。北京城管委2019年對8萬輛電動乘用車統計表明：自有充電樁慢充總電量占比已達75%，不足30%的公共充電中，快充占比已達85%，符合發展預期。

圖8 電動汽車能量補給方式

對于商用車，貨車日均行駛里程約為305 km，公交車日均行駛里程約為165 km，物流車日均行駛里程為90 km。這類車輛如使用公共充電樁等方式補電，將存在縮短車輛運營時間、車輛占用場地大、充電功率利用率低，以及對電網短時沖擊大和充電站規劃建設難度大、成本高等問題。因此，對于貨車而言，由于大功率充電設施稀缺，運營效率要求高，補電方式以換電為主；而公交、物流車到站停車時間較長，補電方式以專用充電樁為主。

基于以上對充換電技術和場景的判斷，以及1.1節對各類電動車型總量的預測，可以估計未來充換電總能量與功率的增長，并預測充換電基礎設施規模，如圖9所示。以私家車為例，現有日均大功率和小功率補電量約為989萬kW·h和10 867萬kW·h，到2030年將分別增長至約為現在的8倍和5倍，到2040年則將分別增長至約為現在的15倍和16倍。這里慢充基礎設施需求的預測值稍高于《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》的規劃。

圖9 充換電需求與基礎設施規模預測

隨著超級快充、充儲一體、電池充電檢測的規模化應用，充電業務的場景與商業模式還將更加靈活。其中換電具有特殊的商業特點，可以與充電優勢互補協同發展，智慧聯動，共同為所有消費者提供補電服務，尤其換電提供的可調度電池資源可用于緩解快充的配電壓力，助力交通深度電氣化。根據充電場景的劃分，充電基礎設施建設要求和技術方案匯總如圖10所示。

圖10 充電基礎設施建設

未來充電基礎設施發展的總體趨勢將包括充電服務能力快速提升、充電技術進步與多元化發展、標準化與互聯互通趨勢、安全保障體系構建和車網互動的低碳智慧能源系統。基礎設施建設將會進一步支撐交通與能源融合發展。

1.4 智能充電和車網互動

1.4.1 無序充電的沖擊

根據1.1節和1.3節的預估，到十四五末期，將有約3 000萬臺電動汽車的充電負荷接入電網，最大充電總功率將超過1億kW。電動汽車充電帶來的海量分布式新增負荷，給電網安全運營和經濟調度帶來巨大挑戰。

對197輛電動汽車出行和充電行為進行統計分析，得到電動汽車日出行里程、出行概率，以及充電起始SOC、單次補電量、充電起始時間等統計變量分布，如圖11所示。假設上述分布為電動汽車的一般行為特征，結合電動汽車數量和電力負荷增長的預測，采用蒙特卡洛模擬方法對2030年、2035年和2040年電動汽車充電行為進行建模，分別按照8 000萬輛、1.8億輛、2.7億輛電動乘用車計算，其中單輛車的充電時間的計算公式為

式中：為充電初始 SOC；為電池容量；為充電功率；為充電效率。而單個車輛出行和充電的特征參數由上述統計分布抽樣得到，如圖11所示。

圖11 電動私家車日出行及充電特征統計

電動汽車沖擊電網負荷預測如圖12所示，在2030年、2035年和2040年預測峰值負荷分別為15、17.8和19.3億kW的基礎上，如果采用統計數據中無序充電的分布模式，由于充電的時間段集中在晚上和白天的用電高峰，電動汽車的充電負荷將使電網最高用電負荷分別增加約9.79%、12.19%和20.11%。采用智能有序充電和車網互動的技術，有助于減小電網增容投資的壓力。

圖12 電動汽車沖擊電網負荷預測

1.4.2 車網互動的作用與潛力

根據1.3節基礎設施部分預測，預計2030和2035年慢充樁數量將分別達到7 000萬和1.5億臺；到2040年，車樁比能夠小于1∶1，即樁比車多。同時，在以私家車慢充為主的場景下，車輛停放時間長、可接入電網數量大，電動汽車具有參與大電網負荷調節的巨大潛力。根據出行期間無法參與車網互動的約束條件，以及車載平均SOC的限制，得到的電動汽車參與V2G的能量和功率潛力分別如圖13和圖14所示。

圖13 2040年日均電動汽車可調度電量測算

圖14 2040年日均電動汽車可調度功率測算

從能量的角度看，到2040年，我國電動汽車保有量達到3億輛，每輛車平均電量大于65 kW·h，則車載儲能容量達到和超過200億kW·h，與我國每天消費總電量基本相當。若進一步考慮出行需求，乘用車每日可靈活參與電網調度的平均電量仍可以達到104億kW·h。

從功率的角度看，到2040年，我國電動汽車保有量達到3億輛，乘用車停充補電采用15 kW雙向充電樁，根據日出行概率分布，新能源汽車對電網功率支撐的能力達到29~35億kW，約為當年全國非化石能源裝機總量的一半。

以北京為例，目前北京市電動汽車保有量達到50萬輛，如果乘用車停充補電采用15 kW雙向充電樁，新能源汽車對電網功率支撐的能力約700萬kW，達到當前北京市電網最大負荷的1/4。能夠滿足應急備用和頻率與峰谷調節的需求。

采用文獻［17］中的方法，考慮電動汽車出行和充電行為邊界，對高比例可再生能源場景下有序充電和車網互動的具體場景進行測算。

2035年和2040年電動汽車V2G場景分析如圖15所示。由圖可見，在風電、光伏等可再生能源裝機的場景下（本分析中考慮風、光發電占比分別為42%和56%，煤、氣發電占比為27%和12%），一方面有序充電將部分高峰期負荷轉移至發電量充足的時間段，另一方面電動汽車V2G分布式儲能在日間提供了超過60和100億kW·h的能量，即便考慮波動較大、工況惡劣的特殊天氣，電動汽車分布式儲能也可以滿足3~5天內的日間電量的調峰轉移。

圖15 2035年和2040年電動汽車V2G場景分析

再進一步，電動汽車V2G還可擴展為V2X（vehicle to everything），為家庭、樓宇、小區、微電網和大電網提供備用容量、峰谷調節和頻率調節等服務，如圖16所示。根據美國加州獨立系統運營商（CAISO）定義，V1G指“單向管理充電服務”，即智能有序充電，僅改變汽車充電時間或充電速率；而V2X包含反向功率流，具有多種尺度調節潛力。

圖16 車輛與電網互動的多種場景

1.4.3 車網互動發展路徑展望

車網互動的發展路徑要求深度耦合電動汽車保有量和電力系統可再生能源滲透率的發展預期。隨著電動汽車按照Logistic型曲線的激增，對電力系統的沖擊逐漸增大，有序充電須首先實現快速發展，促進新能源汽車的滲透。根據現有基礎設施和協議標準情況，按照從易到難、由點及面、逐層推進的思路，規劃出車網互動發展路徑展望，如圖17所示。

圖17 車網互動發展路徑展望

2021?2025 年：加快完善智能有序充電相關標準，完善配套政策機制和建設運營模式，實現重點區域應用和參與電力交易的試點；此階段V2G技術與標準化相關準備工作初步就緒，制定基礎設施改造與V2G車型商用化目標，率先在重點區域實現V2G商用試點。

2026?2030 年：智能有序充電成為主流建設運營模式，電網對大功率快充場站和社區充電樁的接入能力顯著提升，電動汽車消納綠電比例大幅提升；V2G率先在重點區域實現商用化，V2G電網基礎設施升級改造范圍和比例快速提升；充電場站和新能源汽車用戶全面參與電力現貨、綠電交易和輔助服務市場交易。

2031?2035 年：智能有序充電模式實現對大功率公共快充場站、自建專用場站以及社區和單位充電樁的全面覆蓋，實現高比例錯峰充電與消納綠電。V2G實現居民區等規模商用場景覆蓋，日儲能調節潛力將達到80億kW·h左右。通過“外部煤電替代效益”，新能源汽車實現整體“凈負碳排放”，成為碳中和的重要支撐。

2036?2040 年：電動汽車智能雙向互動全面發展，滲透率預期達到100%。

2 氫能交通與氫能多元利用

氫能的產業鏈長、價值高、覆蓋面廣，被認為是能源低碳轉型過程中理想的能源互聯媒介。氫能在能源低碳轉型中具有優勢，其戰略意義在于可再生能源轉型中的大規模能量儲存與多元化利用需求，也是眾多傳統產業（化石、煤炭、電力、鋼鐵等）轉型升級的理性選擇。

氫能是集中式可再生能源大規模、長周期、低成本儲存的最佳途徑，并將成為新能源電力系統的核心技術。第一，能源利用充分，大容量、長時間的儲能模式能更充分利用季節性波動的可再生能源。第二，規模儲能經濟，固定式規模化的儲氫比電池儲電的成本低一個數量級以上。第三，與電池放電互補，二者不僅在儲能周期和動態頻率上互補，并且氫能及其載體能夠用于燃料電池、燃氣輪機、內燃機等特殊場景。第四，制運儲方式靈活，可以采用長管拖車、管道輸氫或摻氫、長途輸電至當地制氫等各種方式，還可以轉化為甲醇和氨等氫能載體進行儲運。

在氫能交通方面，氫能交通是氫能利用的先導，其使命是帶動氫能的全面發展。目前，氫動力主要包括氫內燃機和氫燃料電池發動機兩個技術路線，其中氫燃料電池發動機發展較快。作為氫能交通的先驅，氫燃料電池轎車將帶動氫能在交通領域更廣泛應用。

2.1 氫能發展現狀

人類認識氫僅有200多年的歷史，由于其質量能量密度高，較早地應用于動力和發電領域。目前，氫廣泛應用于化工領域，2018年全球各類氫產量為1.15億t，主要用于精煉、合成氨和合成甲醇，共占總消費量的70.4%，同時陸續開展了天然氣摻氫和氫冶金的示范。進入 21世紀后，氫燃料電池汽車帶動了氫能的商業化，并拓展到燃料電池機車和船舶等。中國氫能聯盟數據顯示，2019年我國氫氣產量約3 342萬t，主要用途是合成氨、合成甲醇等以及煉化與化工。如圖18所示，氫能的產業鏈長，附加值高，行業覆蓋面廣，本文中重點關注氫能在交通和電力領域的制取和應用。

圖18 氫能產業鏈組成示意圖

氫燃料電池作為氫能應用的核心技術和產品，近年來保持較高的增長速率。按功率計，2020年全球交通用燃料電池出貨量占全部燃料電池出貨總量的75.3%，如圖19所示。截至2020年底，全球氫燃料電池汽車保有量為34 804輛，其中亞洲占65%、北美占27%、歐洲占8%。

圖19 2016?2020年全球燃料電池出貨量

氫的生產按照制氫技術路線主要有化石原料制氫、工業副產氫和水電解制氫。隨著能源體系轉型，制氫方式將從目前的化石原料制氫為主導逐步過渡到以可再生能源水電解制氫為主導。水電解制氫產業鏈組成如圖20所示。

圖20 水電解制氫產業鏈示意圖

當前全球氫氣大部分來自于化石燃料。國際能源署（IEA）報告指出，2018年全球純氫需求量約為7 000萬t，含氫合成氣約4 500萬t，僅有不到0.7%來自可再生能源或者在生產氫的過程中配備碳捕集、利用和封存設施（CCUS）。生產氫氣的CO排放量達8.3億t。而由可再生能源電解制得的氫氣不造成額外的碳排放，被認為是真正意義上的“綠氫”。

綠氫應用可有效降低生產過程中的碳排放。生產1 t鋼鐵、1 t氨和1 t甲醇的CO排放分別為1.4、2.4和 2.1 t，2020 年鋼鐵、氨和甲醇的生產共排放32.7億t CO，生產過程共計需要約5 000萬t氫氣。按照 2018 年生產 1 t氫氣排放 11.23 t CO來計算，若上述過程使用綠氫，則可以減少5.6億t CO排放，對工業領域減排具有顯著貢獻。同時，氫也可用于民用領域，如合成天然氣。我國有大量的焦爐煤氣、工業副產氫用于合成天然氣，以彌補天然氣進口量不足；歐洲也在居民用天然氣中摻氫以減少碳排放。

總結來看，氫能的戰略意義在于其在可再生能源轉型中的大規模能量儲存與多元化利用需求，作為彈性能源載體可以連接不同能源行業和輸配網絡，在能源低碳轉型中具有較好的產業優勢，如圖21所示。第一，氫能是眾多傳統產業轉型升級的理性選擇，技術延展性好，而不是完全顛覆原有產業；第二，氫能產業鏈廣、產值高、吸收就業人口多、應用覆蓋面廣，可廣泛用于石油煉制、化肥、集成電路等產業，并帶動電解槽、燃料電池和儲能裝備等的發展；第三，氫能既有能源屬性，可用于可再生能源的儲存，還具有原料屬性，綠氫可以用于發電或者作為綠氨或者綠色碳氫燃料等的合成原料。

圖21 氫能戰略意義

2.2 綠氫發展技術路線

水電解制氫技術被認為是目前最經濟可行的清潔制氫方式。典型的水電解制氫方式包括堿性（Alkaline）電解、質子交換膜（PEM）電解、陰離子交換膜（AEM）電解和固體氧化物（Solid oxide）電解4種，如圖22所示。

圖22 4種典型的水電解制氫技術原理

作為可再生能源消納和綠氫制取的重要方式，推廣合理的制氫方式對行業發展和政策制定有重要影響。從技術成熟度上來看，堿性電解技術的成熟度最高，陰離子交換膜電解技術的成熟度最低；從與可再生能源耦合難易的角度來看，質子交換膜電解的動態性最佳，負荷范圍最廣；從大規模儲能和利用的角度來看，固體氧化物電解能夠實現同一套裝置的可逆操作，既可以正向水電解，也可以反向進行發電，且不局限于氫氣，最適合用于可再生能源的大規模存儲和利用。

除了水電解制氫之外，還有其他的技術路線可供政策制定者參考。碳氫化合物重整制氫、氨分解制氫等技術相對成熟；高溫熱解水制氫、光電解與光催化水分解制氫和生物質氣化制氫等技術也具有一定的應用前景。

2.3 氫能交通發展

目前發展較為迅速的氫能交通，主要是燃料電池汽車，有助于帶動氫能的全面利用。截至2021年8月底，根據工信部發布公告顯示，燃料電池汽車公告累計384款（不含底盤）。針對目前已經發布的燃料電池車，按照汽車總質量與續駛里程定位，結果如圖23所示。目前主要車型的續駛里程集中在200?800 km，僅有少量車型達1 000 km以上。

圖23 燃料電池車質量與續駛里程分類

車用燃料電池的整體發展目標是高功率密度、長壽命、低成本，但是乘用車與商用車的側重點有所不同。據《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》，面向乘用車的燃料電池電堆的要求是低成本和高功率密度。商用車日均行駛里程遠比乘用車長，使其使用成本占據全壽命周期成本的主導地位。為此，面向商用車的燃料電池電堆要求長壽命和高效率。

對于車用燃料電池，目前主要存在石墨雙極板和金屬雙極板兩大技術路線。其中，國際上金屬板電堆以豐田公司的MIRAI為典型代表，石墨板電堆以巴拉德為典型代表。總體而言，國內燃料電池產品研發比國外晚，但其功率密度和冷啟動能力已經與國外產品相當。目前，國內的金屬板和石墨板燃料電池系統在功率等級、功率密度、峰值效率和冷啟動能力方面相當。石墨板電堆相比金屬板電堆存在壽命方面的優勢。國內外典型燃料電池的輸出功率和比功率的分布如圖24所示，石墨板和金屬板兩種系統的總功率與比功率皆呈正相關關系。

圖24 典型燃料電池產品輸出功率和比功率分布

2.4 氫能多元利用

2.4.1 氫儲能

氫作為一種能源載體，在未來高比例可再生能源場景下可作為長周期儲能的選擇。典型儲能路徑比較如圖25所示，在所有儲能技術中，氫及其載體（氨、甲醇等）更適用于長周期儲能，這主要得益于氫儲能容量和功率解耦特性，即成本不會隨著儲能周期的延長而顯著增加，而電化學儲能成本則隨著放電時長增加有顯著增長。

圖25 典型儲能路徑比較［35］

雖然相比于其他儲能方式，氫儲能更加適用于長周期大規模存儲，但目前氫儲能還有待在效率、成本等方面進一步突破。隨著可再生能源制氫技術和氫或氨熱機的技術進步，預計到2040年采用氫或氨儲能的度電成本將顯著低于采用碳捕捉與封存技術的天然氣發電廠。圖26展現了氫儲能的典型應用場景，在發電側，可再生能源富余時水電解制氫并存儲，可以合成其他氫載體用于長途輸運，或者在可再生能源出力不足時向電網送電；在電網側，可以采用谷電制氫，用作化工原料或火電廠集中發電的燃料。

圖26 發電側與電網側氫能存儲

2.4.2 氫能在集中發電場景中的應用

由2.3節可知，氫儲能的方式包括純氫和氨與甲醇等氫的化合物。其中氫和氨是目前集中發電場景中的兩種主流氫能載體。以氫和氨為燃料的發電裝置主要包括氫/氨燃料電池、氫/氨內燃機、氫/氨燃氣輪機3類。

對于燃料電池，以氫為燃料主要包括質子交換膜燃料電池（PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC），以氨為燃料主要以SOFC為主。PEMFC通常在約80℃溫度下工作，能夠快速響應荷載變化，因此適合交通運輸應用，以及需要快速啟動或必須對荷載變化做出反應的固定式、備用或便攜式電源中。相比PEMFC，SOFC的工作溫度更高（800~1 000℃），效率也更高，但是壽命較短且變載能力差，因而更適合應用于模塊化和公用規模的集中發電系統。

將現有的柴油/汽油（或天然氣）內燃機和燃氣輪機進行改造以適應氫/氨燃料是快捷且開發成本較低的方法。但是，由于氫/氨與柴油、汽油特性的不同，面向氫/氨燃料的內燃機和燃氣輪機改造仍面臨較多挑戰。氫/氨與汽油、柴油等常規燃料的燃料特性對比如表2所示。相比汽油和柴油，氨的點火溫度明顯較高，而熱值明顯較低，導致氨燃料點火困難且能效較低，此外氨還存在腐蝕、排放、裂解等問題；氫的體積能量密度明顯較低（2.1 MJ/L），僅為汽油的1/15，但火焰速度更快（291 cm/s），約為汽油的4倍，導致氫內燃機易爆燃，因此只能采用較小的壓縮比，導致輸出功率和能效較低。通過與其他燃料摻混實現燃燒調控是改善氫與氨燃燒特性和能效的重要措施。隨著技術的發展，提高氫氣占比甚至純氫燃燒是未來的發展趨勢。

表2 氫/氨和常規燃料特性對比［37-41］

再進一步，熱電聯產（combined heat and power，CHP）和燃氣?蒸汽聯合循環（gassteam turbine combined cycle，GTCC）是提高氫/氨集中發電系統能效的重要方法。對于氫燃料PEMFC，采用熱電聯供后能效可提升至80%；對于氨SOFC，能效可達到60%?90%。對于F級重型燃氣輪機，采用聯合循環后循環熱效率由38%提升至57%；對于G/H/J級燃氣輪機，循環熱效率可由單循環40%?41%提升至聯合循環60%?61%。

3 智能化新能源電力系統

3.1 系統框架

從新能源革命的角度看，新能源汽車和儲能共同載體是電和氫，基于前面第1和第2大節的論述，新能源汽車作為分布式儲能潛力巨大，由氫能交通帶動的氫能全產業鏈也將構成未來大規模、長周期電力系統儲能的主要形式，因此新能源汽車的規模推廣將有力破解新能源革命過程中的儲能瓶頸。

從微觀場景看，如圖27所示，未來加氫站、超級快充與儲能和換電系統耦合，能夠適應城市和高速公路快速補電場景，實現了光伏、氫能和電池的互補，是一種重要的發展趨勢。

圖27 光儲充氫一體化系統示意圖

從宏觀場景看，新能源汽車的車載儲能能夠和電力系統、能源系統和建筑相互作用，氫能可以與化工產業密切結合，以新能源汽車為核心能量樞紐的未來能源系統具有廣闊的應用潛力。當然，為了實現大規模的電動汽車靈活智能互動，還須通過虛擬電廠、多智能體和區塊鏈等技術，把海量小功率靈活用電負荷通過物聯網連接到智能聚合平臺，形成虛擬的大負荷，從而可以采用能源互聯網中諸如人工智能和大數據等技術進行優化調控，如圖28所示。

圖28 分布式儲能調節資源聚合關鍵技術展望

3.2 計算實例

本實例結合光伏、風電、火電，將車用動力電池、電化學儲能、氫能實現電網時變能量平衡進行建模分析。考慮煤電機組爬坡速率（即功率增長速率）和啟停最低時長等靈活性約束，計算基礎設施投資、運行成本和排放成本協同的混合整數線性規劃優化問題（MILP）。

目標函數為

式中：為投資成本，含風電、光伏新增容量投資以及儲能系統和氫能系統投資；為系統運行成本，主要含火力發電的燃料成本；為各個子系統的運維成本，簡化起見，將年運維成本設定為各個子系統裝機成本的3%。

功率平衡約束方程為

儲能電池的約束條件為

其他儲能系統相關的約束還包括電池容量限制和儲氫罐容量限制，以及充放電效率、制氫和燃料電池發電效率。系統相關參數詳見表3。火力機組的爬坡速率、啟停時間等靈活性約束選取文獻［44］中的兩種機組設定，詳細參數見表4。

表3 案例參數設定

表4 火電機組參數設定

在此節中，以西北地區某省的風電、光伏和負荷出力數據為算例，如圖29所示。按照2030年峰值負荷為1.1億kW，風電裝機量不少于10%，光伏裝機量不少于10%，火電裝機不多于60%來進行系統規劃和優化，優化流程如圖30所示。

圖29 西北某省輸入負荷和風電、光伏年度數據

圖30 優化流程

表5列出了各類電源與儲能裝機和發電量的優化結果，圖31示出選取的時間段內發電?負荷功率平衡和儲能與氫能的充放電情況。從氫氣質量變化的曲線來看，由于氫能功率和能量解耦的特性，適用于長周期、大規模的存儲，而電池儲能在日內的短周期儲能中發揮了功率平衡的作用。圖32為氫和儲能系統調節電力平衡成本比較。將優化結果與其他幾種場景設置得到的總費用進行對比，可以看出，在保證電力供需平衡的前提下，氫能的引入也顯著降低儲能電池投資成本，從而降低了整個電力系統的投資成本。在該地區使用氫+儲的方案比單純使用電化學儲能降低67%的成本。

表5 案例優化結果

圖31 可再生能源?氫?儲能系統小時級平衡

圖32 氫和儲能系統調節電力平衡成本比較

4 結論

本文聚焦碳達峰與碳中和目標下新型電力系統的儲能瓶頸，提出了以新能源汽車為核心樞紐的儲能、氫能和智能耦合系統，并論證了其在技術、成本、規模等方面的優勢和可行性。

在儲能方面，對新能源汽車市場發展、電池技術路線、基礎設施建設、出行行為和技術要求進行了評估預測，并測算了車網互動參與電網調節的能量和功率潛力，3億輛電動汽車靈活調節容量超過100億kW·h，車載電池與電網互動是安全性高、成本低、規模大的分布式儲能方式。

在氫能方面，對制氫技術、燃料電池、氫能交通和氫能多元利用的技術進行了綜述和展望，氫和氫載體由于其能量和功率解耦的特性，適用于長周期、大規模的能量轉換，未來有望替代燃煤和燃氣機組成為新型低碳電力系統中的重要靈活性發電環節。

最后，在智能方面，對電動汽車充換電、儲能電站和氫能利用一體化的能源電力系統架構進行了展望，并且通過優化算例驗證了儲能和氫能分別進行短周期和長周期調節的經濟性。算例顯示，引入氫?儲耦合系統比單獨使用電化學儲能節約一半以上成本。

總而言之，面向碳中和的新能源汽車革命將引發交通和能源融合的技術變革，為我國實現雙碳目標、向新型電力系統轉變提供有力的技術支撐。

感謝作者所在的清華大學新能源動力系統科研團隊成員楊福源、徐梁飛、李亞倫、郝旭、諸斐琴、劉彪、鄭偉波、秦宇迪、盧宇芳在本文撰寫過程中的協助。