互联网+ 电子商务 智能家居 地理信息 高端装备 信息安全 3D打印 工业4.0 人工智能 光伏 新能源汽车 消费品 集成电路 移动支付 汽车 数据中心
2017中国百强县创新发展论坛
当前位置:首页 > 产业观察 > 工业 > 汽车 > 正文

为什么新能源发展需要电动汽车?

发布时间: 2017-05-19 14:37     来源: VehicleTrend车势

新能源汽车会对新能源的发展起到很重要的推动作用,而且其重要性会超出很多人的想象。在讨论新能源汽车对新能源发展的推动作用时,离不开契合新能源发展的现状来讨论,从中我们能一窥,为什么新能源汽车将会在现今的新能源发展中扮演一个非常重要的角色。

1495070972989058317.png

一、为什么现在的新能源发展需要电动汽车?

现在不少人把能量转换效率低当成新能源发展的瓶颈,其实现今在世界上的很多地区,新能源的是“过剩”的,而中国最为严重,以风电为例,根据《国家能源局关于2015年度全国可再生能源电力发展监测评价的通报》 的数据:

可再生能源发电限制出力情况:2015年弃风限电形势严峻,全国弃风电量339亿千瓦时,同比增加213亿千瓦时,其中,甘肃弃风电量82亿千瓦时、弃风率39%,新疆弃风电量70亿千瓦时、弃风率32%,吉林弃风电量27亿千瓦时、弃风率32%,内蒙古弃风电量91亿千瓦时、弃风率18%。

道理非常简单,电能并不是说发出来就可以了,还需要经过电网层层传输到用户,最终完成电能的消纳过程。电网最重要的一个原则就是时刻满足发电量等于用电量,电网本身不储存任何电能。而非常不巧的是,以太阳能、风能为代表的新能源有两大技术特性:1.随时间、季节的变化而时刻变动;2.能量分散或远离负荷中心。

而现今的电网并没有这么高的灵活性来大量传输变动又分散的可再生能源,可再生能源的这两个特性都直接阻碍了新能源并入电网。这也是为什么我们国家风能、太阳能的装机容量都位居世界第一,但发电量却都不是世界第一的原因——我们现今的电网不够灵活。

为了提高电网的灵活性消纳更多可再生能源,电网正在往这几个方向转变:

更大的电网:通过高压长距离运输,将偏远地区丰富的可再生能源送往负荷中心,或实现多个负荷中心之间的电能消纳平衡。代表有以“较大规模、高度集中、长距离高压传输”为发展方针的中国可再生能源+特高压模式、欧洲的European SuperGrid。

更智能的电网:运用通讯和监测技术,通过对可再生能源电力、可调负载、储能的合理控制,充分挖掘现有电网的容量,实现在大量可再生能源接入电网后的电网可靠运行。

代表有德国的智能(配)电网。

更小的电网:小到一个社区、甚至一栋房屋的微电网系统,可以自产自销电能,并脱离公共电网离网运行。

代表有美国SDG&E在加州的智能微网,夏威夷的光伏+储能脱网运行。

未来的电网结构将会是这三种形式的电网共存:

微电网像是细胞,可以自产自销电能,并随时接入大电网提供或消纳电能。

智能电网像是大脑,实现整体上的“源—网—荷—储”的动态平衡。

大电网像是骨架,实现大规模、远距离的电力调度,保证在可再生能源大量接入的大环境下,可再生能源的充分利用和电网稳定。

但无论电网再怎么发展,有一个原则是终究还是不变的:发电量等于用电量。

为了引入更多可再生能源,电力系统固然可以通过电力电子化实现更大的柔性,但要吸纳更多可再生能源,势必要引入更多的储能设备。而现今的储能设备还太昂贵,一台电动汽车或者光伏发电项目里,储能(电池)的成本可以占到总成本的30%-50%。没有廉价的储能,就没有柔性的电网。

但昂贵本身是一个相对的概念:

如果售价(Price)高于价值(Value)的话,我们会觉得这是一个昂贵的产品。但如果价值(Value)高于售价(Price)的话,我们会觉得这是一个实惠的产品。

近20年来,电池的在能量密度不断提升的情况下售价已经在不断下滑。如果我们能进一步提高电池的价值的话,会怎么样?

二、电池的价值

一方面我们觉得储能和电池的价格还太昂贵了,但另一方面我们却又见证了电池行业的产量井喷。拿2015年的锂电池行业数据为例:

2015年全球锂电池总体产量为100.75 Gwh,同比增长39.45%,其中小型电池占比由2011年的97.04%下降到2015年的66.28%。得益于新能源汽车产业,动力电池比重已经上升到2015年的28.26%。

动力电池的增长也极大带动了中国的锂电池产能,中国锂电池的产量在全球占比上升至了46.78%,成为全球第一,比亚迪成为全球最大的动力锂电池生产企业。2

电池产量井喷的原因很明显——新能源汽车促成了动力电池需求的井喷。

新能源汽车对电池的需求与传统的电子设备远不在一个量级上,一台Model S就有超过7000多节松下18650电池,一台笔记本电脑才8节左右。

2015年由于新能源汽车的突然爆发式增长,导致动力电池供不应求,在2015年下半年出现了大量整车厂排队购买电池的情况。而供不应求吸引了大量动力电池企业进行投资,按照一年的投资建设周期,投资的新增产能在2016年下半年逐步释放。但大部分产能投产的高峰期在7-8月,全年新增有效产能在10 GWh左右,因此合计来看,2016年有效产能达到40 GWh左右。

40 GWh的电池电量相当于上海市这样的特大城市三个多月所有耗电量加总,而这仅仅只是众多电池中,锂电池中的动力电池部分在今年的产能数据。

人们愿意生产和购买大量电池不是因为他们想买更多的电池,而因为电池被整合在了车里面,这是一台车,车赋予了电池更高的价值(Value)。人们对电动汽车的需求引起了电池行业产量的井喷。

电动汽车不只是小小推动了一下电池行业的发展,甚至让电池行业出现了暂时的产能和整车配套不匹配,产能出现了结构性过剩。针对这种结构性过剩,国家也采取了一系列政策:11月22日,工信部网站公布了《汽车动力电池行业规范条件(2017年)》征求意见,时间期限为一个月。其中最受瞩目的在于新版规定:锂离子动力电池单体企业年产能力不低于80亿瓦时,金属氢化物镍动力电池单体企业年产能力不低于1亿瓦时,超级电容器单体企业年产能力不低于1千万瓦时。系统企业年产能力不低于80000套或40亿瓦时。

新版对锂电池单体企业年产能的要求扩大了40倍,对金属氢化物镍动力电池单体企业年产能的要求扩大了10倍,对超级电容器单体企业的产能要求扩大了一倍,企业系统生产能力由原来的一万套扩大8倍。目前能达标的仅比亚迪一家,CATL(宁德时代)年底扩产后刚刚够及格线。

除了工信部的“80亿瓦时”准入门槛,12月7日发改委和商务部也发文称,拟重点放开对汽车电子和新能源汽车电池生产制造领域准入限制,锂电池行业经过了2015年的大增长,2016年的结构性产能过剩,2017年可能将面临一场洗牌。

但无论如何,因为电动汽车的迅猛发展,每年高速增长电池量都将以前所未有的规模涌入我们的周围环境。与传统的消费电子产品电池不同,电动汽车的电池是具有储能性质的,而这些电动汽车在停放时将变成一台潜在的储能设备,将对新能源的发展和电网产生重要影响,这些电动汽车,也许就是消纳大量可再生能源的关键所在。

三、电动汽车的真正价值

不少人在讨论电动汽车的时候,只是将电动汽车作为一种“电驱动”的汽车来讨论。而电动汽车的价值可能不在“电驱动”上,而恰恰在那块电池板上。

上文谈到昂贵本身是一个相对的概念:如果售价(Price)高于价值(Value)的话,我们会觉得这是一个昂贵的产品。但如果价值(Value)高于售价(Price)的话,我们会觉得这是一个实惠的产品。

一块电池在一台电动车不再是一块简单的电池,他们一体成为了一个价值更高的商品——电动汽车,会有很多人愿意购买电动汽车不是因为它只是一块电池,而是一台车。

那我们有没有其他途径进一步提高电动汽车的价值,让电动汽车更加实惠,从而促进更多人购买甚至促进新能源的发展呢?

答案是有的,并且有许多公司已经在实践了。

四、储能的价值

根据美国交通咨询师Paul Barter的一份研究表明,美国平均每辆汽车停在路上的时间占总时间的比例高达95%,这固然有美国人均汽车保有量高和乘用车比例高的原因,但车辆停放时间远长于运行时间是不争的事实。 停放的电动汽车相当于一块储能电池,如果车辆停放的时候也能为车主赚钱,这显然又会进一步增加电动汽车的吸引力。

容量市场与V2G、V2B技术(荷兰Utrecht电动巴士、日本尼桑Leaf)

容量市场:在可再生能源过剩时充入储能元件,而电网负荷高峰期时,储能元件再反向给电网提供电能。起到电网负荷的削峰填谷。

V2G全称Vehicle-to-grid,也就是电动汽车反向向电网输电。当电网负荷小时,可将多余的可再生能源或传统电能充入电动汽车,在电网负荷大时再通过反向传输回电网。

目前看到初具规模的实践案例有荷兰Utrecht城市的电动巴士,荷兰的风电资源丰富,Utrecht城市的电动巴士可以通过和电网的双向互动吸纳更多风能,实现电网稳定,甚至通过反向卖电赚得一定收益。而这篇较早论文量化地阐述了荷兰这一现象。

V2B全称Vehicle-to-building,也就是电动汽车反向向建筑输电。

2013年,尼桑在他们厚木市利用6台Leaf对他们的Nissan Advanced Technology Center进行V2B实验,在电费便宜的时候充电,在电费贵或负荷高的时候,反向向建筑充电。成功削减25.6kW的峰值负荷(占建筑总负荷的2.5%),预计一年能节省 500,000 日元的电费约等于2,950英镑,并且这六辆Leaf是雇员的车,并不影响雇员的日常通勤使用。

频率市场与动力电池循环梯次利用(德国Younicos)

频率市场:大量新能源并网造成电力系统惯性降低,进而影响其频率稳定性,造成频率控制难度增大。利用储能来对电网进行增强频率将会获得相应的收益。

动力电池循环梯次利用:电池的使用寿命长于电动汽车整车寿命,让电动汽车在报废时还拥有相对完好的电池,动力电池的批次利用也是一块很大的市场。

代表模式有德国的Younicos公司,利用宝马的废旧电池和自己研发的电池进行储能,并用软件进行储能电池管理(虚拟电厂)。再用高于市场电价3-5倍的调频电价售电,实现盈利。

在2015年3月20日上午,北半球迎来了一次日全食,德国出现日偏食,光伏发电瞬间减少70%。而太阳能在德国电网的占比已超过三分之一,但这次日食并未造成德国电网的崩溃,其中Younicos的储能系统起了关键作用,能在几毫秒内瞬间将电池接入电网补充因为日食消失的电力。

德国是世界上能源结构中新能源占比最高的国家,今年5月8日,德国新能源发电量达到了其用电量近95%。在今年五月,德国甚至因为可再生能源发电过剩,影响了电网稳定性,出现了“负电价”,即贴钱给用户用电以消纳多余的可再生电能。

PS: Younicos也将在英国的坎布里亚建设49MW电池储能系统,是现在世界上最大和最先进的基于电池的能量存储系统之一。

政策方面:

2016年12月10日,国家发展改革委发布《可再生能源发展“十三五”规划》,其中,“推动储能技术示范应用”被列为八大主要任务之一。

2016年12月19日,国务院印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中,有关新能源汽车的第五条:“推动新能源汽车、新能源和节能环保产业快速壮大,构建可持续发展新模式”中的第二点:“全面提升电动汽车整车品质与性能‘’中,也明确提到了电动汽车和电力系统在储能上的配合实现促进新能源的发展:

开展电动汽车电力系统储能应用技术研发,实施分布式新能源与电动汽车联合应用示范,推动电动汽车与智能电网、新能源、储能、智能驾驶等融合发展。

在《2016全球新能源企业500强分析报告》中,储能产业迎来了2013年后的又一次爆发式增长,入选500强的储能企业几乎翻了一番。这主要是由于光伏产业发展的需要及新能源汽车产业发展所带动的。

而中国于2015年3月下发的新电改方案,即《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》(9号文)表示将会进行"电价机制改革"和"售电侧放开"。未来在中国利用电动汽车的储能电池进行储能,并售电还是有很大的想象空间。

五、电动汽车对于科技生态的意义

科技是一个生态圈,任何科技的产品的出现都会对其他科技产品产生有机的互动,甚至与其他科技产品形成共生,相互促进。

最近五十年来,科技生态最受瞩目的共生链条是:

1958年,仙童半导体公司利用硅来取代传统的锗材料,开发出硅晶体管。

1971年,因特尔基于硅晶体管,开发出第一款商用微处理器Intel 4004。

1977年,苹果公司基于微处理器,开发出第一款大获成功的个人电脑Apple II。

1985年,微软公司基于个人电脑开发出了图形化操作系统Windows,进一步促进个人电脑的普及。

1993年4月30日,CERN宣布万维网对任何人免费开放,大量已有的个人电脑接入万维网,互联网诞生。

1995年3月1日,雅虎成立,基于互联网开发出了搜索引擎,促成了谷歌的成立。

2000-2010,ARM、高通开发出低功耗处理器,谷歌、苹果在低功耗处理器基础上开发操作系统,智能手机面世并普及。

2010-今,智能手机的普及让各种传感器和低功耗处理器价格迅速下降,廉价的传感器和处理器让智能硬件迎来热潮,物联网(IoT)概念随之出现。

2010-今,基于物联网的出现收集的大量数据,大数据概念出现。

2013年-今,基于大量传感器搜集的大数据,数据成为人工智能的基石,人工智能热潮来临。

电动汽车在这个时代受到热捧必然有它的时代意义,电动汽车的出现得益于电池成本的下降和能量密度的上升、以及嵌入式技术和微处理器技术的发展带来的成熟能量管理系统和电机控制系统。而同时,电动汽车也是很多下一代技术绝佳的实验平台。

一个好的科技产品是带动整个产业配套前进的关键,每代iPhone之所以备受瞩目的很重要的一个原因,正是在于iPhone是一个绝佳的技术试验平台,很多技术其实早已存在,但如果iPhone采用了的话,相应的零部件的整个产业链配套才会跟上,许多他厂家才敢采用进自己的产品(第一代iPhone的多点触控、iPhone 4s的语言识别Siri,iPhone 5s的指纹锁Touch ID,和刚刚发布的iPhone 7的无线耳机等)。而如果iPhone采用了一项技术的话,会给相应的零部件带来有保证的出货量,在原材料供应充足的情况下, 这些零部件的价格会下降得很快,这时其他厂商再跟上则可以享受相应的好处。

电动汽车在科技领域具有重要价值正是因为它是下一代其他技术的绝佳实验平台,如自动驾驶、车联网,这些又构成了下一代智慧城市的基石。

未来的交通不光会往更加清洁的方向发展,也会变得更加智能。

以后使用权比拥有权更加重要是一个大趋势,自动驾驶技术的意义也在于进一步增加电动汽车的价值——意味着你在不需要使用的你汽车时,你也可以让他出去来为别人服务帮你赚钱,而在你需要时又在指定时间指定地点回到你的身边。这无疑又进一步提高了电动汽车的价值和吸引力。

特斯拉今年公布的《特斯拉蓝图之第二篇章》(Master Plan, Part Deux)的最后一条就是实现无人驾驶,让你的汽车可以在闲置时为你赚钱。

Tesla非常有远见地在一开始生产汽车时候就加入了所有无人驾驶所需的硬件,之后通过空中升级一步步激活这些硬件逐步实现无人驾驶。

Tesla在2015年还开玩笑一样推出了能自动找到充电口为汽车充电的蛇形充电机器人。大家当时都把这个产品当笑话看了,鲜有人点出无人充电+无人驾驶其实意味着你可以让汽车在空闲的时候跑去Superger免费快速充电,之后再满电回到你指定的地方,或者让自己的车在外面帮你赚钱,以后要用车或接人都直接在手机上给出定位,汽车就可以在你指定的时间到达指定位置。Tesla提供的是一种全新的生活方式。

六、电动汽车与新能源的未来

电动汽车和新能源的相互促进,将会带给我们一个什么样的未来?因为这个话题特别大,所以仅代表个人观点,难免有疏漏之处,也请大家斧正。

从目前看来电动汽车和新能源的结合运用,需要结合不同国家和地区的不同特质因地制宜才能达到最好的效果,以下就美国、中国和英国三个我比较熟悉的新能源汽车环境谈一谈未来可能的利用电动汽车促进新能源发展的方式:

美国:家用乘用车+光伏的微电网模式

美国因为地广人稀,大部分人都住在独立的房屋(House),仅有少部分人在像纽约这样的超大城市才会住在公寓(Apartment)。这也导致了汽车成为了大部分人的必需品,人均汽车保有量很高,一个家庭甚至有两台以上的汽车。并且大量人拥有自己的屋顶和屋顶的光伏安装使用权。

在这个情况下,汽车本身就是一块很好的家用电池,家里有一台电动汽车就可以安装很小的储能设备配备屋顶太阳能板,形成一个微电网系统实现光伏的自产自销。

根据我的实地体验,在Ithaca的一些社区里面已经实现了利用光伏发电,并在无法消纳时反卖给电网模式,全年的用电成本仅仅略高于传统用电。而一个光伏项目的储能成本占据整个项目成本的30%-50%,在这种情况下,电动汽车充当储能元件接入进来,进一步降低储能的配套成本,是相当具有经济吸引力的。

这种小型的电动汽车+光伏+储能系统的模块非常像互联网的PC,如果这样的模块变得廉价,则会像PC普及一样出现大量这样的模块。等到模块到达一定数量,这些模块之间互联,“能源互联网”就形成了。这种结构在视觉上有点像蜂窝,模块内可以独立运转,脱网运行。而模块间也可以进行电能交易,互相消纳和购买多余的电能。电动汽车则是降低这个模块成本的关键。

这种一种自下而上、分布式的发展模式,特别像互联网和移动互联网的发展路径——先普及PC,再连接已有PC创造互联网。先普及智能手机,再用移动视频的流量需求反过来倒逼3G、4G技术的发展。

现在的配电网还没有准备迎接大规模的分布式可再生能源并入,但如果先有下面的微电网模块的成熟,并且微电网可以脱网运行,在内部可以独立运转,就给了配电网升级并进一步连接这些模块的时间。这种分散式的网络结构也给电网提供了更高的稳定性和冗余度。

在夏威夷这种阳光充裕的地方,大量用户采用光伏+储能的模式脱网运行甚至已经和当地的电网公司起了冲突。由于光伏+储能用户的“脱网”趋势 美国电网陷入危机

Tesla一开始走的就是这个路线,并在收购了SolarCity之后完成了这部分的整合。

在今年10月29号LA的SolarCity发布会上,这样的能源互联网基本模块不再是2015年4月30号时Tesla 发布Tesla Energy时那三张光伏+家用电池+电动汽车的幻灯片,变成了切切实实的产品,围绕在发布会周围:

2016年10月29 SolarCity在LA发布会时围绕着发布会的四套太阳能房屋+电动汽车+储能电池配套

在并购了SolarCity之后,Tesla的副总裁Ben Hill也对外宣称,Tesla的V2G技术将会“很快很快”和大家见面(“very, very soon.”)

关于Tesla和能源之间的联系,在我去年写的一篇回答中有详细阐述:特斯拉汽车(Tesla Motors)能改变世界吗?

当时结尾写到“Tesla Motors也将会渐渐把Motors从它的名字中删去”,结果今年Tesla真的把Motors删了并宣称自己是能源企业,回过头来看真是感慨万千。

中国:公共交通+换电模式

与美国的分散式、自下而上的发展方式不同,中国适合集中式、自上而下的发展模式。

中国人口数量大,居住密集。城市交通的发展的原则是确保公交先行,密集的居住环境和大城市有限的道路资源导致人均汽车保有量不会特别高。并且绝大多数人没有屋顶的太阳能板的安装使用权,电网也拥有很强的话语权(能源互联网在美国是一个分布式网络的概念,在中国则是集中式可再生能源发电+特高压的大电网概念)。

在这种情况下,适合公共交通+换电模式的发展方式。

集中式有集中式的发展方法,公交有自己的特点:路线固定、通勤时间固定、电池型号固定接口统一、通勤时间直接与收益正相关等,与换电模式的快速、集中管理、适用于接口统一等特性非常契合。

快速换电让公交车或的士能保持时刻运转,延长运营时间增加盈利。换下来的电池可以集中管理,建造大型储能电站,可对电池进行慢充延长电池寿命、可使用谷底电价进行充电降低成本、削峰填谷、减少电网谐波、提高电网负荷率等,也符合电网的利益。

在自己之前的一个项目中,通过量化模拟,换电模式可在公交领域比充电模式带来更大的收益,但收益主要归到了换电服务商和公交运营公司上面,需要与整车制造厂进行利益平衡。大致分析过程见:电动汽车为什么不使用换电池模式? - Henry-航的回答 - 知乎

英国:氢能源+燃料电池汽车模式

英国作为一个地方不大但又很早工业化的国家,面临着电力设施老旧和更新的诸多挑战。

但同时英国拥有非常发达的气网,大部分家庭的都有天然气管道供暖。在北海进行大规模离岸风场的建设情况下,北海风场可能会出现大量的剩余电力无法并网,氢气驱动英国的方案被逐步提了出来:利用多余的风电来电解水生成氢气,再注入气网供给每个家庭,家庭利用氢气供暖、发电或注入自己的氢能源汽车。

如果在北海风电场进一步扩建的情况下,将出现大量风电过剩,利用这些零成本的风电去电解水产氢再注入气网,这样的方式是非常适合英国的。

最近听闻英国陆上油气公司(UKOOG)正在考虑利用电解水或去碳化页岩气生产氢气,再将氢气注入气网的尝试。利用剑桥大学的技术可以把去碳化页岩气的碳同时制作成建筑材料。但这样的方法会降低页岩气的热值,经济性下降,实际可行性存疑。

七、结语

总结一下文章的脉络——为什么新能源汽车会对新能源的发展起到重要作用:

1.电网需要时刻保证发电量等于用电量,现在很多地区其实是新能源发电“过剩”——弃风弃光严重,新能源的两个技术特性——随时间、季节的变化而时刻变动、能量分散或远离负荷中心,导致新能源并网困难。

2.为了更多可再生能源并网,电网正在往更大、更智能、更小的方向发展(微电网为细胞,智能电网为大脑,高压传输线路大电网为骨架的三层结构),但同时都要采取两种共同的措施:

电力电子化和智能化:智能化充分挖掘现有容量。

增加储能设施储存可再生能源。而现有的电池储能成本非常高,不具备大规模储能的经济可行性。

3.电动汽车拉动了电池产量的井喷,甚至让电池出现了结构性产能过剩——电池可以以其他附加值更高的形式(电动汽车)引发大量需求,进入市场,但同时具备储能价值:

利用V2G和V2B技术,参与电网调峰调频,售电盈利。

电池寿命长于整车寿命,电池的梯次利用。

促成廉价微电网系统的诞生,促成能源互联网廉价终端的出现。

4.电动汽车及储能的应用有政策利好,并已形成一定规模。

5.电动汽车的科技价值:无人驾驶、车联网、新一代共享经济等技术和商业模式的实验平台。

6.不同国家和地区利用新能源汽车促进新能源发展的模式需要因地制宜。

收藏