新能源产业链构建:光伏发电-电化学储能-新能源汽车.pdf
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1、第 43 卷 第 2 期2024 年 2 月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.43 No.2Feb.2024收稿日期:2021-08-22 修回日期:2024-02-01第一作者:杨 涛,男,1989 年生,高级工程师,Email:yangt 通讯作者:严大洲,男,1963 年生,正高级工程师,副总工程师,Email:yandz DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.202108022新能源产业链构建:光伏发电-电化学储能-新能源汽车杨 涛1,2,3,严大洲1,2,温国胜1,2,李艳平1,2,韩治成1,2(1.中国恩菲工程技术有限公司,北京 100038)(
2、2.硅基材料制备技术国家工程研究中心,河南 洛阳 471000)(3.洛阳中硅高科技有限公司,河南 洛阳 471000)摘 要:以高速路网光伏发电-电化学储能-新能源(电)汽车全产业链为基础,描述未来新能源生态体系的构筑蓝图:在供给侧,探讨全面普及清洁能源的战略布局,打造高速路网光伏超级电站,依托光伏发电全生命周期低成本的优势,直接为下游终端提供电力,大幅降低新能源应用端的使用成本,推动以新能源汽车为中心的下游产业扩张,减少传统能源消耗和碳排放,助推绿色发展;在储能端,加速液流电池和液态金属电池等电网储能设备的应用以及以硅碳和三元材料为代表的高容量动力电池材料的规模化生产进程,统一电池和配套设
3、施的制造标准,并借助互联网战略,建立电池全生命周期的监测、维护和回收利用网络;在应用端,制定新能源汽车的全新制造标准,全面推行模块化的设计和生产,用可更换电池模组替代集成式电池模组,建设替代加油站的配套电池供应网络,提供电力接入和电池充电、更换、维护服务。另外,还简述了利用新能源产业中的弃风、弃光发展氢能源,以氢能作为当下新能源体系的补充。通过新能源产业上、中、下游的同步建设,希望在未来 30 年内打造一个供给端-储能端-应用端协同发展的产业链,逐步形成独立于化石能源的、包含光伏和风电等多种能源形式的新能源闭环生态体系,实现社会能源消费结构转型,助力“碳达峰、碳中和”战略实施。关键词:光伏发电
4、;电化学储能;电动汽车;换电模式;新能源生态体系中图分类号:F426 文献标识码:A 文章编号:1674-3962(2024)02-0164-11引用格式:杨涛,严大洲,温国胜,等.新能源产业链构建:光伏发电-电化学储能-新能源汽车J.中国材料进展,2024,43(2):164-174.YANG T,YAN D Z,WEN G S,et al.Construction of the New Energy Chain along Photovoltaics-Electrochemical Energy Storage-Electric VehiclesJ.Materials China,2024
5、,43(2):164-174.Construction of the New Energy Chain alongPhotovoltaics-Electrochemical EnergyStorage-Electric VehiclesYANG Tao1,2,3,YAN Dazhou1,2,WEN Guosheng1,2,LI Yanping1,2,HAN Zhicheng1,2(1.China ENFI Engineering Corporation,Beijing 100038,China)(2.National Engineering Research Center of Silicon
6、-Based Materials Manufacturing Technology,Luoyang 471000,China)(3.China Silicon Corporation,Luoyang 471000,China)Abstract:The“photovoltaics-electrochemical energy storage-new energy(electric)vehicles”industry is taken as an in-stance in this paper to depict the blueprint of the new energy eco-system
7、.As the headstream of the whole industry chain,clean energy source will be first discussed.Taking full advantage of low cost of the photovoltaic lifetime,the super high-way photovoltaic(PV)plant is supposed to be a promising,cheap power supply for new energy vehicles,and to conduce to less tradition
8、al energy consumption and carbon emission.In the field of energy storage,more promotion is required in mass production of high-capacity power battery materials like silicon-carbon anodes and ternary cathodes and unified manufacturing standards of batteries and corresponding ac-cessories.Furthermore,
9、with the aid from“Internet Plus”strategy,a network of monitoring,maintenance,echelon use and recovery will be established to cover the batteries 第 2 期杨 涛等:新能源产业链构建:光伏发电-电化学储能-新能源汽车whole life.As for the new energy vehicles,novel manufacturing standards will be formulated including modular design and
10、production.Instead of the integrated battery modules,the exchanging mode will be applied to vehicle batteries,accom-panying with the establishment of the gas-station-like battery supply network,which provides power access and battery char-ging/replacement/conservation.In addition,it is also briefly
11、described that hydrogen evolves from water electrolysis by utili-zing surplus photovoltaic and wind power and serves as a significant supplement of the present electricity-dominant new ener-gy system.An ecology is hopefully formed through synergetically developing renewable energy supply,storage and
12、 applica-tions in the following 30 years.Thereafter,the energy consumption will be thoroughly changed to achieve“Net Zero CO2 E-mission”via the construction of a closed,fossil-fuel-independent new energy eco-system,supported by photovoltaics,wind power and other clean energy sources.Key words:photov
13、oltaics;electrochemical energy storage;electric vehicle;battery exchanging mode;new energy eco-system1 前 言能源发展伴随着人类文明和科技发展,世界能源结构曾经历了煤炭代替薪柴、石油代替煤炭 2 次重大变革,并正在经历从化石能源向可再生新能源的变革。能源危机和环境污染的压力以及近年来电动汽车产业的蓬勃发展为新能源产业注入了新的动力,正将新能源产业推向一个高峰,同时也对整个新能源行业提出了新的挑战。2020 年,世界主要国家纷纷宣布碳中和目标,国际能源署制定了零碳实施路径里程碑(图 1)1,中国
14、明确提出“2030 年碳达峰,2060 年碳中和”目标。为实现这一目标,图 1 碳中和路线中的关键里程碑1Fig.1 Key milestones in the pathway to net zero1立足我国国情、遵循能源发展规律,控制能源生产和消费碳排放是实现全社会碳达峰目标的关键,根本实现路径是以能源生产清洁化、能源消费电气化为方向,着力优化能源结构、提高能源效率、严控化石能源总位,构建清洁主导、电为中心的现代能源体系。在政策、资本和市场等多重因素的综合作用下2,由供给端、储存端和应用端 3 个板块构成的新能源产业基本格局已经形成。目前,中国新能源应用的主要载体是新能源汽车,所以如何真正
15、实现汽车新能源化是新能源产业发展的重要课题,但是受新能源入网供电成本、动力电池容量和电动汽车行业标准不完善等因素的限制,板块间的协同发展问题日益突出,促使新能源产业各个环节形成完整、统一的生态体系越发重要。从能量流的角度看,新能源产业的 3 个板块存在如下亟需解决的问题3:能源端,新能源占比小,供给能力有限,并且由于新能源(太阳能、风能、水能、生物质能等)供给稳定性差、电站区域分布不均、输送困难等原因,还存在很大比重的弃光、弃风、弃水电量;储能端,大型储能装置尚未普及,动力电池等移动储能设备容量和效率不能满足市场需求;应用端,70%以上电能来源于火电而非新能源,电动汽车续航短、充电慢,汽车产业
16、依然以燃油车为主,而目前原油进口依存度依然超过 70%4,对国家能源安全和环境构成了威胁。鉴于新能源产业现存的各种问题,作者提出了以“高速路网光伏发电-储能设备-新能源汽车”为例,构建协调发展的新能源生态体系基本框架:通过高速路网超级光伏电站解决新能源供应与输送的难题,通过研发高容量电池、建立电池标准体系突破储能困境,通过汽车标准化和模块化设计以及换电模式推广攻克应用领域的瓶颈,产业链上下游相互联合建立能源、储能、应用三大板块的管理、运维和回收循环利用网络,形成一个新能源产业的闭环生态系统。2 能源端新能源供给方面,在全球实现碳中和的背景下,到561中国材料进展第 43 卷2050 年电力将成
17、为最主要的终端能源消费形式,占比达到 51%(图 2)5。除了最为传统的水电外,发展势头最迅猛的当属光伏和风电,光伏和风电对可再生能源发电的贡献率将超过 63%。其中随着我国多晶硅产业持续的技术进步和规模扩张,自 2004 年至今,光伏发电系统成本断崖式下降(组件和系统价格以及光伏电价分别下降了 92%、87.5%和 82%以上),并且全产业链碳排放极低(每度电产生的二氧化碳仅为 43 g 左右,远低于火电的 1000 g),成本与环保优势使光伏发电有望成为未来最大的电力来源。并且由于技术的不断进步,光伏中标电价持续下降,投资成本和发电成本逐年下降,2023 年 11 月 18 日,西藏自治区
18、人民政府办公厅印发关于进一步优化调整全区上网电价和销售电价引导降低社会用电成本的通知,集中式光伏电站上网电价降低至每度 0.1 元6。图 2 全球能源消费结构变化预测5Fig.2 Changes pridiction of global energy consumption5 另一个非常重要的优势是,光伏发电获得的是直流电,可以直接供给电动汽车,从而极大地压缩电动汽车的用电成本。不过,目前受光伏发电地理位置的限制,需要逆变交流升压后并入电网,方可输送至用户端,到用户端再进行降压整流为直流电,经历 2 次转化,不仅能量损失严重,而且大大增加了投资,用电成本增幅可达 55%,对新能源的应用非常不利
19、。2.1 突破光伏用地困境的探索光伏发电普遍采用的硅基电池片,最大实际转化效率为 24%左右7,需要足够大的安装面积以确保足量的电能供应,所以光伏用地成为一个棘手的问题。为了避免过高的逆变损耗和输电成本,光伏电站建设在用电终端附近直接为其供电最为理想,而用电终端密集地区往往又是土地匮乏的区域。针对这一困境,不同的分布式光伏电站方案被提出,总体思路就是跳出传统光伏电站平面布局的思维,在已有设施上增加光伏组件,以充分利用立体空间,比如鱼塘光伏、蔬菜大棚光伏、农田光伏等,不过,局限性也非常明显,分布式方案提供的安装量非常有限,考虑依附设施本身需要一定的采光度,光伏组件无法按照最大密度安装,并且上述几
20、种典型方案都不能确保对最大的用电终端 电动汽车实现有效供电。于是,依托公路网建设光伏电站的设想被提上日程,并且已经有 2 种模式被付诸实践。一种是高速公路非功能区分布式光伏,主要是利用高速公路沿线匝道、绿化/隔离带、服务区屋顶、车棚等安装分布式光伏组件8。不过,发电面积有限的根本问题并没有得到解决,涉及高架、山地、陡坡等的恶劣环境下不能实现安装,所以发电量非常有限,仅仅能满足服务区的普通用电需求,远远达不到为电动汽车充电的目标。另一项关于高速公路光伏电站的实施案例是承载式光伏路面,但是仅从材料的使用来看,路面的建设成本不菲,而且路基的建设标准也将远远高于普通高速公路;此外,从效费比的角度看,路
21、面需要加装高强度承重耐磨表层,透光率大大降低,光伏组件的理论转化效率仅为 5.06%9,当车流量较大的时段,光接收率和转化率会更低,完全不具备实用价值;除了建设效费比,更重要的是,路面材料损耗率高,维护成本将远远超过建设成本。所以,无论是从成本的角度,还是发电效率的角度,该方案都是不可行的。2.2 高速路网超级光伏电站方案有了上述 2 种方案的经验教训,作者团队推荐一种更为大胆但更加实用的方案,即架空光伏。设想充分利661 第 2 期杨 涛等:新能源产业链构建:光伏发电-电化学储能-新能源汽车用高速公路的立体空间,通过承托结构将普通光伏组件架设在路面以上数米的位置,除了安装高度较高以外,与正常
22、光伏电站完全相同,因此可以充分利用现有商用光伏组件和安装、维护、回收体系,实现与正常光伏电站相当的运行寿命,建设与运营成本都可以得到有效控制。当前光伏电站普遍采用的追光技术也可以完全移植,光伏板可自动旋转,充分利用阳光。最重要的是,能够实现高速路网几乎全覆盖(除隧道区外),解决了用地困境,不占用绿化带,发电量大,直流电经电力变换后直接供给沿途充电站,为电动汽车补充电能,真正实现降低汽车用电成本。并且,可以预期的是,光伏组件的承托机构为将来的电动汽车电磁感应式无线充电技术应用预留了良好的基础设施。因此,这是一项兼顾实用和拓展潜力的路网新能源解决方案(图 3)。图 3 高速路网光伏电站假想图Fig
23、.3 Imagination of the highway PV power station2.3 高速路网超级光伏电站供给能力为了更加充分地说明架空光伏电站的优势,作者对其供给能力进行了细致的评估:以中国河南省为例,以平均每平米光伏装机量 0.1 kW 粗略估计,在最低标准为路基基本宽度 24 m 双向四车道的高速公路上安装;考虑路面采光等因素,长度方向上 1/3 的覆盖量;综合考虑日照时间、日照强度和组件维护等各方面因素,光伏组件年均接收峰值日照约为 1100 h;2023 年河南省高速公路总里程8300 km,那么高速超级光伏电站的年发电量可达 7.31109 kWh。对这样规模的供电能
24、力,可以从另一个角度来更直观地理解:电动汽车的百公里平均电耗为 16 kWh 左右,假设车年均行驶 20 000 km,河南省高速路超级光伏电站的发电量可供 228.44 万辆电动汽车运行 1 年,而当前(2023 年底)河南省私家车保有量超过 1600 万辆,所以仅高速路光伏电站就可满足将河南省 14%左右的汽车替换为电动汽车后行驶的能源消耗。另外,从能源成本来看,光伏产生的直流电不经过逆变上网,直接供给电动汽车使用,综合用电成本将低于 0.6 元/kWh,一辆电动汽车一年的电费约为 1200 元,而同级别的燃油车(以百公里油耗 10 L 计)燃料消耗成本将在 15 000 元以上。这仅仅是
25、以最低标准进行评估,随着光伏技术快速进步,如果正式实施,实际供给能力将显著高于预估值,并且,如果在有条件的普通公路沿线建设光伏电站,将进一步提升光伏在新能源产业中的供给能力,由此加速相关领域的“新基建”进程。2.4 高速路网超级光伏电站的运行与维护高速路网超级光伏电站建设完成后,另一项极为重要的工作就是运行与维护,由于发电组件分布里程非常长,单独组织一支运行维护力量所花费的成本将非常高,因此,高速道路养护平台将被充分利用起来,并借助物联信息化,实现智能化、高效率、低成本运行与维护。其基本的模式是,电站运营商与高速路政深度合作,采用“现场+远程”相结合的方式以道路养护为基础培养专业的光伏电站运行
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