刘科:不能依靠电池解决碳中和储能问题

2023年7月28日，国际知名能源科学家、南方科技大学讲座教授、澳大利亚国家工程院外籍院士刘科在宁波前湾新区管委会联合浙江吉利控股集团主办的第三届前湾汽车产业创新高端论坛上表示，不能依靠电池解决碳中和储能问题，要有长期储能的新思路。一开始人类选择燃油车，一是液体是最好的能源载体，二是机械制造装配线成本低。随着电动汽车数量的增加，电动汽车的原材料价格随着供需关系的不平衡而飙升，最近原材料价格的上涨使得电动汽车没有盈利。

他还表示，氢能实现碳中和的首选路径是基于可再生能源的绿色甲醇技术。我国绿氢的生产成本急剧下降，绿色甲醇是绿氢最好的储运载体。绿色甲醇混合动力方案可解决电动汽车里程焦虑、冬季和快速充电站建设等痛点。绿色甲醇将解决电动汽车和燃料电池汽车的基础设施问题。分布式能源热电联供可降低约80%的碳排放，是实现交通领域碳中和的最低成本路径。

 刘科 | 能源科学家、南方科技大学讲座教授、澳大利亚国家工程院外籍院士

以下是演讲内容的整理:

能源转型的历史选择和困难突破

目前，各行各业都非常重视碳中和。碳中和的核心是解决能源转型问题，主要集中在风能、太阳能、电动汽车和氢能四个领域。风能和太阳能的价格都很低。华为在沙特阿拉伯建造了一个1.3GWh的太阳能电站。由于其日照时间长、成本低的双重因素，电价呈下降趋势。

北京国家能源集团低碳清洁能源研究所聘请了一批世界顶尖能源专家，以前没有预测中国太阳能的价格趋势。光电价格虽然有优势，但也受到时间间断的限制。比如风能、太阳能、天然气数量巨大。按常理(新能源便宜)油价和煤价应该呈现下降趋势，但目前还没有这样的趋势变化。因此，虽然新能源价格较低，但储能问题无法解决，仍将面临困境。

电池已经研究了数百年，但100年前，有两条大规模、低成本的储能路径。碳中和的核心：一是储能；二是将短期储能技术转化为长期储能技术。虽然太阳能和风能总量很大，但如何长期存储是未来的发展战略。所谓的长期存储是将太阳能和风能转化为甲醇等液体进行存储。

一百年前，纽约、伦敦和巴黎的电动汽车都是电动汽车，因为铅酸电池比内燃机发明早20多年。但自1920年以来，燃料汽车一直在碾压电动汽车，原因有两个。

一是能量密度。汽车、船舶等交通工具的重要参数不是质量能量密度，而是体积能量密度。铅酸电池于1859年发明，之后投入数万亿研发资金，到今天最好的电池，每公斤0.4左右kWh，每立方米不超过600kWh。液体甲醇的体积能量密度为4300kWh/m3，汽油为8600kWh/m3，因此选择汽油不是偶然的，而是因为体积能量密度大。

图片来源：演讲嘉宾材料

第二，常温常压下的液体可分别在陆地和海上输送管道和跨海，成本较低。例如，从世界上任何一个码头到另一个码头，每升运费不超过7美分，能量密度大，可以长期储存，但氢和电不能长期储存。因此，人类选择液体作为能源载体并非偶然，这是由上述特征决定的。

未来，太阳能和风能可以转化为液体，碳中和路径可以与可再生能源液体和电相结合。1913年，福特发明了世界上第一条装配线。内燃机制造汽车的成本很高，但装配线的形成可以大大降低每辆车的成本。因此，自福特发明装配线以来，当时的汽车价格从4700美元降至360美元，这是价格下跌的根本原因。

虽然装配线会降低成本，但锂、钴、镍等电动汽车所需的原材料成本会继续增加。此前，我预测，如果电动汽车的增长速度继续加快，将不可避免地导致各种金属价格的飙升。由于供应有限，锂、钴、镍等资源稀缺，供需关系不平衡，价格飙升。随着原材料价格的飙升和电动汽车价格的上涨，电动汽车厂的利润受到了影响，因此原材料价格的上涨已成为新能源汽车发展的制约因素。

电动汽车将在相对平坦和温暖的地区有序发展，并实现四个同步：一是电动汽车的发展与电网的清洁同步。如果69.5%的电网用煤发电，电动汽车本质上会消耗煤炭；二是汽车产量应与原材料供应协调同步，否则产量的快速增长将导致原材料价格的飙升；第三，电动汽车的发展与电池回收技术的发展同步，电池回收技术非常重要，否则会污染一些有毒化学品；第四，电动汽车的发展与基础设施的建设同步。

氢能和绿色甲醇技术的优势

自2003年被邀请担任国际氢能协会会长以来，我一直在研究氢能。氢能有哪些优点？氢能是人类第一次不依赖燃烧来产生动力。氢气在80摄氏度和空气中的氧气通过电化学发电。这种发电效率是内燃机的2~3倍，高发电效率是其最大的优势。燃料电池金属回收技术相对成熟，也显著降低了贵金属的使用成本，这也是氢能的优势之一。

从能源载体理论的角度来看，液体是最好的能源载体，氢不适合直接作为能源载体，因为能源载体需要足够大的体积能量密度。但氢的体积能量密度最小，导致储氢运氢成本较高。氢气是最小的分子，这意味着氢气容易泄漏。如果是露天场所，就不会有大的安全隐患，但氢气在封闭空间中爆炸极限最宽的气体(4~74%)可能会在此范围内产生瞬燃瞬爆。据炼油厂统计，大多数事故都是由氢泄漏引起的，这也是由氢的本质特性决定的。此外，加氢站占地面积大，基础设施投资成本高。因此，氢能虽然好，但只能局限于露天场所和人口稀少的地区，不能在人口密集的城市使用。

在碳中和政策出台之前，有人呼吁用汽油代替甲醇。在国内外大力推进碳中和行动后，我们会发现煤甲醇非常便宜，但一吨甲醇排放3.5吨二氧化碳，基于可再生能源，大大降低煤甲醇厂的碳排放，是我们团队倡导的技术方向。甲醇厂最贵的是氢和氧。氢基本上集中在西部。运输需要通过管道。例如，从宁波修建管道。运输的氢必须在一小时内用完。由于其体积大，是一项复杂的系统工程。卡车在没有管道的情况下运输氢气，但道路上消耗的油量将大于运输氢气的能量，因此在当地或周围产生氢气和使用氢气更为合理。

甲醇与燃料电池的结合也是未来的发展方向，甲醇厂的氧气是最有价值的东西。3.5吨二氧化碳中的2.1吨是为了制造纯氧而排放的。电解水制氢时，必然会产生氧气。有效利用纯氧和绿氢可将所有生物质和城市垃圾转化为氢、一氧化碳和少量二氧化碳。

甲醇需要氢、一氧化碳和二氧化碳，我们提出了一种新的绿色甲醇合成过程。例如，绿色甲醇的成本比70美元一桶进口石油产生的汽油便宜。

以生物质为碳源，产品甲醇中绿色能源的比例可达100%。以煤为碳源，产品甲醇中绿色能源的比例可达75%。如果能在石油和煤炭上减少75%的碳，剩下的25%是碳中和允许排放的碳，即释放的碳与吸收的碳平衡，那么就解决了国家和工业碳中和的需要。

如果今天的技术可以减少75%的碳，那么人类基本上可以实现碳中和，并且有绿色的液体，不仅可以用于汽车，还可以用于发电。这一原理是将风能和太阳能转化为液体储存，使数十万亿的液体基础设施得到重复利用。

最近，我们的团队正在推动几个基地进行生物质气化和盐碱地处理。大规模种植的巨菌草每亩可产30~50吨，不缺水，相当于巨型二氧化碳吸收器。气化生物质原料后，可制成绿色甲醇，该技术可实现100%燃料绿化，取代煤炭和天然气的绿色燃料。

甲醇帮助贵阳建立了绿色低碳交通系统。此前有人说甲醇有毒，不能用作燃料。事实上，甲苯在汽油中仍然有毒，但贵阳近2万辆汽车在过去10年中没有因甲醇毒性发生公共安全事故。下图数据还反映了吉利远程M100甲醇重型卡车的贡献。

图片来源：演讲嘉宾材料

我认为电动重型卡车可以用于相对温和的道路，但在山区和矿区的地形上相对困难，因为电动重型卡车爬坡所需的电流是平时的5~8倍，这将导致里程有限，因此电动重型卡车未来将朝着甲醇的道路发展。

能源在碳中和目标下的发展将走向何方？

自2020年以来，绿氢的成本一直在下降。电动汽车适用于道路平坦、气候温暖的地区。例如，虽然重庆的温度可以，但地形问题会增加电池的负担，而哈尔滨和其他寒冷的冬季地区也存在电池问题。我认为电动汽车和甲醇都有自己的市场，最科学的态度是将其与合适的市场相匹配。

低能耗是混合动力或插电式混合动力汽车未来的发展趋势。200公里的里程就足够了，但5升甲醇的小型发电机可以安装在车上，这样可以实现缓慢充电，降低电力成本。快速充电增加了电网的不确定性，需要集中管理。成本的增加将导致无法应用于旧社区和其他场景，电网的基础设施不允许大规模更新。

车内配备甲醇，其余热量可保证冬季车辆和电池保持在最佳温度。世界上70%的地区都有冬天。混合动力可以解决气候问题。例如，在过去的五年里，贵阳的加油站逐渐愿意用加注甲醇代替其站内的两把加油枪。在过去的几年里，加醇枪的数量可能会继续增加，因此不会像加氢站和快速充电站那样长期存在矛盾。

如果未来燃料电池技术取得革命性突破，甲醇可在露天加氢站制氢，甲醇和甲醇制氢装置可在地下车库等封闭空间实现在线制氢。绿色甲醇是绿色的氢的最佳储运载体，也将是未来汽车最理想的燃料。

我认为电和甲醇应该“履行自己的职责”。未来，混合动力将依靠绿色甲醇的基础设施用于第三代汽车。插电式绿色甲醇混合动力可以提高电动汽车的耐久性，解决电动汽车冬季充电的问题。绿色甲醇为燃料电池汽车提供了更安全、更方便的氢源，其效率高于内燃机。

电动汽车在加速或启动时需要依靠电池，因此电池的研发始终是汽车的核心环节之一。网络化与电气化之间没有必然的联系，未来将是电与液体的混合状态。在露天对气味不敏感的场景中，绿氨是氢的良好载体，如矿山、码头、工业等露天场景，但氨泄漏气味强，有毒，会对人体造成伤害，不适合人口密集、气味敏感的地方。

碳中和时代的最终目标是减排，减排是利用可再生能源储存。太阳能和风能是未来碳中和的发展方向，汽车工业也将朝着这个方向发展。此外，绿色甲醇不仅用于提供发电和汽车驾驶，还可以保证人类的能源供应。

（以上内容来自能源科学家、南方科技大学讲座教授、澳大利亚国家工程院外国院士刘科，2023年7月28日，在宁波前湾新区管理委员会联合浙江吉利控股集团、浙江绿色智能汽车及零部件技术创新中心和第三届前湾汽车产业创新高端BBS“碳中和汽车技术路线讨论”主题演讲。）