汽车的电气化是大势所趋,但纯电动汽车未必是答案

36氪的朋友们 · 2019-07-12
如果未来世界会足够天翻地覆的话,我更愿意相信氢燃料电池汽车是那个更远的未来。

编者按:本文作者 srxiang,电机工程师,供职于500强电力行业公司,目前旅居澳洲;36氪经授权发布。

电动汽车并非上个世纪或是这个世纪的“新发明”,这个诞生于19世纪的技术曾经一度同蒸汽动力以及内燃机在汽车市场三分天下。然而随着石油大量被发现和开采以及内燃机技术的进步,电动汽车逐渐被燃油车取代而淡出了人们的视线。确立了市场统治地位的燃油车则随着20世纪汽车在世界范围内的普及一举改变了人们的出行方式。

汽车的电气化是大势所趋,但纯电动汽车未必是答案

然而,燃油车的统治地位并非无懈可击。使用化石燃料带来的碳排放问题便是其隐忧之一。2015年12月12日在巴黎气候变化大会上通过的《巴黎协定》主要目标是将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2摄氏度以内,并将全球气温上升控制在前工业化时期水平之上1.5摄氏度以内。

这一协议意味着全世界各国的能源结构都要从长久以来依赖于化石燃料的模式中转变过来。尽管燃油车的排放标准随着时间的推移也在逐步收紧,但由于瓶颈的存在,新标准的制定也无法脱离现实去瞄准一个对于燃油车而言不切实际的排放目标。而过去的2018年,全球温室气体排放量相比2017年增长了2%,使之来到了371亿吨的历史性高点。而近些年来频繁出现的极端天气也使得采取积极措施控制碳排放的呼吁逐年高涨。这样的背景下,电动汽车迎来了近百年之后一次逆袭的机会。

汽车的电气化是大势所趋,但纯电动汽车未必是答案

这里不得不提到这一波浪潮的起点——特斯拉。2009年法兰克福车展发布并于2012年上市的的Tesla Model S的里程碑意义并不在于又一次将电动汽车的概念展示在人们面前,而是证明在当前的时代,电动汽车这一技术的的商业化已经可行,并且具备了取代燃油车的可能性。在我看来,特斯拉的成功所开启的是汽车电气化的开端。

为什么说汽车电气化是大势所趋?

借助电动机实现能量在电能和机械能之间双向流动的特性,电动汽车在运行过程中可以在一些情况下(如刹车和下坡)对能量进行回收。这是仅仅能够实现化学能到机械能的单向流动的燃油车所不具备的:在电动车能够对能量进行回收的工况下,燃油车只能能将这部分能量以热能的形式散发掉。因此,尽管燃油车在燃油经济性方面也一直有提高,但是在更加高效地利用能源这点上还是和电动汽车之间存在无法逾越的差距。

汽车的电气化是大势所趋,但纯电动汽车未必是答案

相信2015年初由柴静推出的纪录片《穹顶之下》给了很多人极大的震撼。无论人们这部纪录片本身的评价如何,它至少给我们展现的是事实是,环境保护对于中国乃至整个世界的未来发展而言,是一件无法去忽视并且需要采取立即行动的事情。而控制汽车尾气的排放则是我们可以采取的措施之一。汽车的电气化使得其在运行过程中完全消除了尾气的排放,对于城市空气质量的改善无疑有着积极地影响。

除了对于能源的高效利用和控制尾气排放之外,汽车电气化的另一个好处是相比内燃机这样的机械系统,由电机为核心构成的驱动系统更加容易进行精确控制,使得自动驾驶地实现难度相对降低。同时这一平台可以更好地支撑未来车联网技术地实现。

为什么纯电动车未必是汽车电气化的答案?

在讨论为什么纯电动车未必是汽车电气化的答案之前,让我们先明一下纯电动车的定义是什么。纯电动车在这篇文章中指的是由电池组驱动的电动汽车,也就是所谓的BEV (battery electric vehicle )。让我们看看是那些因素会影响纯电动汽车取得未来人们出行工具的统治地位。

电池——阿克琉斯之踵

首当其冲的问题自然是从纯电动汽车的核心,它的储能原件——电池。和手机以及其他电池驱动的设备一样,电动汽车的续航问题始终是用户关心的核心问题,也是各大厂家口中频繁被提到的所谓用户痛点。

尽管电池的电极配方在不断改进且功率密度也在逐年提升,但目前的现状是电池的能量密度仍然无法让纯电动汽车的里程在和燃油车的对比中取得优势。而为了在续航里程这一指标上不至于落后太多,增大电池组容量的做法让纯电动汽车的重量相比燃油车有了大幅地增加。这些额外的重量使得电气化带来的节能优势多少大了折扣。

汽车的电气化是大势所趋,但纯电动汽车未必是答案

与此同时,动力电池的生产需要消耗大量的镍、钴、锂、铜等金属材料。过去几年纯电动汽车在国内的蓬勃发展已经让全球各大矿业巨头瞄准了上有金属材料供应领域的机会。然而,电池从上游原材料的开采到寿命周期末端的回收无不存在巨大的环境污染问题。很大程度上,纯电动汽车的命运取决于电池技术本身的突破和对环境影响的改善。

碳排放的转移

尽管电动汽车本身消除了运行中的尾气排放,看上去似乎完全解决了碳排放的问题。然而这实际上是一个羊毛出在狗身上地故事:因为纯电动汽车需要通过充电设备从电力系统中获得电力的补充,于是乎其使用过程中的碳排放被转嫁到了发电环节。

如此一来碳排放的问题就转变成了一个国家的电力生产系统有多清洁的问题。对于电力的生产供应主要依赖煤电的中国来说,押注纯电动汽车并不能够大幅度地减少碳排放,缓解当前愈发严峻地环境问题。这也就是说,只有在某个国家和地区的电力生产足够清洁低碳的基础上,纯电动汽车才有可能在一个特定的区域彻底“战胜”燃油汽车,从而在根本上解决碳排放问题。

汽车的电气化是大势所趋,但纯电动汽车未必是答案

那么光伏和风电等新能源发电有可能支撑纯电动汽车带来的额外电力需求么?当前的情况看,尽管这些新能源发电的增长速度很快,但是在系统中占比太低使得他们短期内很难成为国内电力生产的主要来源。同时,过高的新能源发电占比也存在一些其他问题会影响电网的稳定性,这不是本文探讨的问题。在短期内国内电力生产的能源结构讲继续保持煤电为主的大背景下,纯电动汽车的“实际”碳排放相比燃油车并不会出现质的飞跃。因此,其在环境保护,绿色出行这一层面更多地只是象征意义。

电力系统的扩容难度

这里让我们做一个思想实验,假设当前所有的汽车都变成了纯电动汽车,会发生什么?最直接的影响是当前几乎的车辆汽柴油需求都会变成对于电能的需求。

这等于是在现在的汽柴油生产供应网络叠加到当前的电力系统上,从而成为一个更加巨大的电力供应系统。即便这样的转变会在未来20-30年的时间逐渐发生,实现这样的目标无疑需要巨大的投资支撑。同时更大的系统需要更多的系统冗余来保证其供应的稳定和系统本身的安全。这种将所有的鸡蛋都放进要给篮子的做法显然使得风险变得巨大且无法估算,违背分散风险的原则。

为什么纯电汽车如今如火如荼呢?

既然纯电动汽车存在上述这些问题,那么为什么如今纯电动车在电动汽车领域处于绝对领先的地位呢?

应该说,相比其他替代方案,其优势在于更容易商业化。再次说回特斯拉,如前文所述特斯拉产品地意义在于证明纯电动汽车商业化的可能性:只要推出足够好的产品,就能够上市销售,证明这一商业模式可行就行了。而有限数量地纯电动汽车地充电问题并不难解决——卖充电器给用户同时在用户密度高的区域提供充电站。在初期电动车短腿加上车主或范围没有延伸地基础上这样可以很好的解决问题。至于对于电力系统地那些影响,就像往一杯水里逐滴加墨水一样,在存量没有达到“奇点”前,那些问题根本无法显现出来而被人注意到。

相比纯电动车,混合动力汽车和一般的燃油增程车都不能避免燃油问题。尽管增程式电动车看上去解决了里程问题,在当期有一定的市场需求,但是说到底不能够彻底解决燃油的所谓电动车都只是现在与未来之间的过渡方案。放眼未来,纯电动车真正意义上的对手其实仅仅只剩下氢燃料电池汽车。

氢燃料电池汽车和纯电动汽车的区别在于以能量密度更高的液氢储能大幅减少电池组的使用,仅需要保留比较小的电池组进行能量回收时的储能器件,因此对于动力电池的需求大幅减少。另一方面,如果新能源发电不并入电网而利用其来作为液氢制备的能源,这一技术路径不仅可以根本解决出行领域碳排放的问题,同时也避免过多电力系统中过高的光伏发电和风电占比带来的电网稳定性问题。

汽车的电气化是大势所趋,但纯电动汽车未必是答案

也正因为如此,氢燃料电池汽车的普及成为了一个无法仅仅依靠汽车公司就能够推动的“系统工程”。不像纯电动车可以借助现有电力系统起步,氢燃料电池汽车需要在推出产品的同时,再造一个液氢供应体系以取代现有的汽柴油炼化和供应网络。也无外乎这一领域的先行者丰田始终无法将其大举商业化,目前这一技术仅仅在一些有限的国家和地区在试点(如日本以及荷兰),远远比不上纯电动汽车在国内目前风光无限的势头。

写在最后

当前占据先发优势的纯电动汽车似乎让我们看到了人类出行方式的未来。不过,如果未来世界会足够天翻地覆的话,我更愿意相信氢燃料电池汽车是那个更远的未来。

参考链接:

Wikipedia 电动汽车

Global carbon emissions hit another record

Finkel: Time to see the light on electric cars

Charging An Electric Vehicle Is Far Cleaner Than Driving On Gasoline, Everywhere In America

2020准固态,2025全固态:盘点固态电池的破茧成蝶之路

2016中国电力数据统计:火力发电仍是主流,可再生能源发电迅猛增长

2017年电力生产稳步增长 电源结构调整优化

不要说中国了,这个发达国家也对煤炭爱恨交加!

矿业三大巨头的蝶变之战:从铁矿时代、青铜时代,走向新金属时代

Driving a hydrogen-powered car in Denmark

+1

好文章,需要你的鼓励

参与评论
登录后才能参与讨论哦...
后参与讨论
提交评论0/1000

请回复有价值的信息,无意义的评论将很快被删除,账号将被禁止发言。

36氪的朋友们资深作者

群众的智慧是无穷的~欢迎一线的创业者和投资者分享你们的观察和看法 tips@36kr.com

36氪APP让一部分人先看到未来
36氪
鲸准
氪空间

为你推送和解读最前沿、最有料的科技创投资讯

一级市场金融信息和系统服务提供商

聚集全球最优秀的创业者,项目融资率接近97%,领跑行业