新能源產業鏈構建：光伏發電-電化學儲能-新能源汽車

楊 濤，嚴大洲，溫國勝，李艷平，韓治成

(1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038)

(2.硅基材料制備技術國家工程研究中心，河南 洛陽 471000)

(3. 洛陽中硅高科技有限公司，河南 洛陽 471000)

1 前 言

能源發展伴隨著人類文明和科技發展，世界能源結構曾經歷了煤炭代替薪柴、石油代替煤炭2次重大變革，并正在經歷從化石能源向可再生新能源的變革。能源危機和環境污染的壓力以及近年來電動汽車產業的蓬勃發展為新能源產業注入了新的動力，正將新能源產業推向一個高峰，同時也對整個新能源行業提出了新的挑戰。

2020年，世界主要國家紛紛宣布碳中和目標，國際能源署制定了零碳實施路徑里程碑(圖1)[1]，中國明確提出“2030年碳達峰，2060年碳中和”目標。為實現這一目標，立足我國國情、遵循能源發展規律，控制能源生產和消費碳排放是實現全社會碳達峰目標的關鍵，根本實現路徑是以能源生產清潔化、能源消費電氣化為方向，著力優化能源結構、提高能源效率、嚴控化石能源總位，構建清潔主導、電為中心的現代能源體系。

圖1 碳中和路線中的關鍵里程碑[1]Fig.1 Key milestones in the pathway to net zero[1]

在政策、資本和市場等多重因素的綜合作用下[2]，由供給端、儲存端和應用端3個板塊構成的新能源產業基本格局已經形成。目前，中國新能源應用的主要載體是新能源汽車，所以如何真正實現汽車新能源化是新能源產業發展的重要課題，但是受新能源入網供電成本、動力電池容量和電動汽車行業標準不完善等因素的限制，板塊間的協同發展問題日益突出，促使新能源產業各個環節形成完整、統一的生態體系越發重要。

從能量流的角度看，新能源產業的3個板塊存在如下亟需解決的問題[3]：① 能源端，新能源占比小，供給能力有限，并且由于新能源(太陽能、風能、水能、生物質能等)供給穩定性差、電站區域分布不均、輸送困難等原因，還存在很大比重的棄光、棄風、棄水電量；② 儲能端，大型儲能裝置尚未普及，動力電池等移動儲能設備容量和效率不能滿足市場需求；③ 應用端，70%以上電能來源于火電而非新能源，電動汽車續航短、充電慢，汽車產業依然以燃油車為主，而目前原油進口依存度依然超過70%[4]，對國家能源安全和環境構成了威脅。

鑒于新能源產業現存的各種問題，作者提出了以“高速路網光伏發電-儲能設備-新能源汽車”為例，構建協調發展的新能源生態體系基本框架：通過高速路網超級光伏電站解決新能源供應與輸送的難題，通過研發高容量電池、建立電池標準體系突破儲能困境，通過汽車標準化和模塊化設計以及換電模式推廣攻克應用領域的瓶頸，產業鏈上下游相互聯合建立能源、儲能、應用三大板塊的管理、運維和回收循環利用網絡，形成一個新能源產業的閉環生態系統。

2 能源端

新能源供給方面，在全球實現碳中和的背景下，到2050年電力將成為最主要的終端能源消費形式，占比達到51%(圖2)[5]。除了最為傳統的水電外，發展勢頭最迅猛的當屬光伏和風電，光伏和風電對可再生能源發電的貢獻率將超過63%。其中隨著我國多晶硅產業持續的技術進步和規模擴張，自2004年至今，光伏發電系統成本斷崖式下降(組件和系統價格以及光伏電價分別下降了92%、87.5%和82%以上)，并且全產業鏈碳排放極低(每度電產生的二氧化碳僅為43 g左右，遠低于火電的1000 g)，成本與環保優勢使光伏發電有望成為未來最大的電力來源。并且由于技術的不斷進步，光伏中標電價持續下降，投資成本和發電成本逐年下降，2023年11月18日，西藏自治區人民政府辦公廳印發《關于進一步優化調整全區上網電價和銷售電價引導降低社會用電成本的通知》，集中式光伏電站上網電價降低至每度0.1元[6]。

圖2 全球能源消費結構變化預測[5]Fig.2 Changes pridiction of global energy consumption[5]

另一個非常重要的優勢是，光伏發電獲得的是直流電，可以直接供給電動汽車，從而極大地壓縮電動汽車的用電成本。不過，目前受光伏發電地理位置的限制，需要逆變交流升壓后并入電網，方可輸送至用戶端，到用戶端再進行降壓整流為直流電，經歷2次轉化，不僅能量損失嚴重，而且大大增加了投資，用電成本增幅可達55%，對新能源的應用非常不利。

2.1 突破光伏用地困境的探索

光伏發電普遍采用的硅基電池片，最大實際轉化效率為24%左右[7]，需要足夠大的安裝面積以確保足量的電能供應，所以光伏用地成為一個棘手的問題。為了避免過高的逆變損耗和輸電成本，光伏電站建設在用電終端附近直接為其供電最為理想，而用電終端密集地區往往又是土地匱乏的區域。針對這一困境，不同的分布式光伏電站方案被提出，總體思路就是跳出傳統光伏電站平面布局的思維，在已有設施上增加光伏組件，以充分利用立體空間，比如魚塘光伏、蔬菜大棚光伏、農田光伏等，不過，局限性也非常明顯，分布式方案提供的安裝量非常有限，考慮依附設施本身需要一定的采光度，光伏組件無法按照最大密度安裝，并且上述幾種典型方案都不能確保對最大的用電終端——電動汽車實現有效供電。

于是，依托公路網建設光伏電站的設想被提上日程，并且已經有2種模式被付諸實踐。一種是高速公路非功能區分布式光伏，主要是利用高速公路沿線匝道、綠化/隔離帶、服務區屋頂、車棚等安裝分布式光伏組件[8]。不過，發電面積有限的根本問題并沒有得到解決，涉及高架、山地、陡坡等的惡劣環境下不能實現安裝，所以發電量非常有限，僅僅能滿足服務區的普通用電需求，遠遠達不到為電動汽車充電的目標。另一項關于高速公路光伏電站的實施案例是承載式光伏路面，但是僅從材料的使用來看，路面的建設成本不菲，而且路基的建設標準也將遠遠高于普通高速公路；此外，從效費比的角度看，路面需要加裝高強度承重耐磨表層，透光率大大降低，光伏組件的理論轉化效率僅為5.06%[9]，當車流量較大的時段，光接收率和轉化率會更低，完全不具備實用價值；除了建設效費比，更重要的是，路面材料損耗率高，維護成本將遠遠超過建設成本。所以，無論是從成本的角度，還是發電效率的角度，該方案都是不可行的。

2.2 高速路網超級光伏電站方案

有了上述2種方案的經驗教訓，作者團隊推薦一種更為大膽但更加實用的方案，即架空光伏。設想充分利用高速公路的立體空間，通過承托結構將普通光伏組件架設在路面以上數米的位置，除了安裝高度較高以外，與正常光伏電站完全相同，因此可以充分利用現有商用光伏組件和安裝、維護、回收體系，實現與正常光伏電站相當的運行壽命，建設與運營成本都可以得到有效控制。當前光伏電站普遍采用的追光技術也可以完全移植，光伏板可自動旋轉，充分利用陽光。最重要的是，能夠實現高速路網幾乎全覆蓋(除隧道區外)，解決了用地困境，不占用綠化帶，發電量大，直流電經電力變換后直接供給沿途充電站，為電動汽車補充電能，真正實現降低汽車用電成本。并且，可以預期的是，光伏組件的承托機構為將來的電動汽車電磁感應式無線充電技術應用預留了良好的基礎設施。因此，這是一項兼顧實用和拓展潛力的路網新能源解決方案(圖3)。

圖3 高速路網光伏電站假想圖Fig.3 Imagination of the highway PV power station

2.3 高速路網超級光伏電站供給能力

為了更加充分地說明架空光伏電站的優勢，作者對其供給能力進行了細致的評估：以中國河南省為例，以平均每平米光伏裝機量0.1 kW粗略估計，在最低標準為路基基本寬度24 m雙向四車道的高速公路上安裝；考慮路面采光等因素，長度方向上1/3的覆蓋量；綜合考慮日照時間、日照強度和組件維護等各方面因素，光伏組件年均接收峰值日照約為1100 h；2023年河南省高速公路總里程8300 km，那么高速超級光伏電站的年發電量可達7.31×109kWh。

對這樣規模的供電能力，可以從另一個角度來更直觀地理解：電動汽車的百公里平均電耗為16 kWh左右，假設車年均行駛20 000 km，河南省高速路超級光伏電站的發電量可供228.44萬輛電動汽車運行1年，而當前(2023年底)河南省私家車保有量超過1600萬輛，所以僅高速路光伏電站就可滿足將河南省14%左右的汽車替換為電動汽車后行駛的能源消耗。另外，從能源成本來看，光伏產生的直流電不經過逆變上網，直接供給電動汽車使用，綜合用電成本將低于0.6元/kWh，一輛電動汽車一年的電費約為1200元，而同級別的燃油車(以百公里油耗10 L計)燃料消耗成本將在15 000元以上。這僅僅是以最低標準進行評估，隨著光伏技術快速進步，如果正式實施，實際供給能力將顯著高于預估值，并且，如果在有條件的普通公路沿線建設光伏電站，將進一步提升光伏在新能源產業中的供給能力，由此加速相關領域的“新基建”進程。

2.4 高速路網超級光伏電站的運行與維護

高速路網超級光伏電站建設完成后，另一項極為重要的工作就是運行與維護，由于發電組件分布里程非常長，單獨組織一支運行維護力量所花費的成本將非常高，因此，高速道路養護平臺將被充分利用起來，并借助物聯信息化，實現智能化、高效率、低成本運行與維護。其基本的模式是，電站運營商與高速路政深度合作，采用“現場+遠程”相結合的方式以道路養護為基礎培養專業的光伏電站運行維護人員，按區域設置線下管理網點，進行定期現場巡檢；同時由遠程監測系統組成的線上網絡進行實時數據采集，連同人工巡檢結果一起匯總至運維集中控制中心，建立預防性運維機制，對潛在風險、故障進行分析和防范，以及對突發情況進行快速反應。

3 儲能端

太陽能光伏等清潔電力近年來發展迅猛，但穩定性差是其天然屬性，且普遍存在棄光現象[10]。另一方面，電力資源由于地理位置和氣候環境等因素差異在全局和局部范圍內都存在不同程度的分布不平衡，必須在現有的電力系統中加入關鍵的儲能環節，讓電力在空間和時間上得到更合理的再分配。同時，儲能裝置也充當了能源端與應用端的緩沖環節，以抵消新能源電力供給端不穩定性對用戶端的沖擊[11]。作為連接能源端和用戶端的紐帶，根據儲能設備的容量、規模和歸屬以及是否可移動等，儲能系統可以分為供應端儲能和應用端儲能。

3.1 供應端儲能

供應端儲能系統最基本的任務是將能源端提供的電能以一定的形式儲存起來，能量儲存系統的基本任務是克服在能量供應和需求之間的時間性或者局部性的差異，起到削峰填谷的作用。因此，儲能系統要求[12]：① 單位容積所儲存的能量高，即系統盡可能儲存多的能量；② 具有良好的負荷調節性，能根據用戶需求調節其電能釋放量；③ 能源儲存效率要高，儲能系統不需過大的驅動力或過高損耗而以最大的速率接收和釋放電能；④ 系統成本低、長期運行可靠，保證推廣應用的經濟性。

3.1.1 液流電池

在眾多電網級儲能方案中，液流電池由于其能量、功率分開設計，安全性高且循環壽命長等特點已經成為大規模儲能技術中最有前景的技術之一。液流電池通過正負極電解質溶液活性物質的可逆氧化還原反應實現電能和化學能的相互轉化(圖4)[13]，從而消納太陽能和風能等不連續、不穩定的發電，解決棄光、棄風問題，消除其隨機性、間歇性和波動性等問題，消除電網沖擊，為應用端提供穩定的電能輸出。同時，液流電池與傳統電池不同，儲能介質的存儲與反應是分開設計的，安全性非常高，并且電荷轉移只涉及電解和電解液界面，不存在固相內部的電荷傳遞問題，因而充放電應答速度非?？?，可以滿足大功率輸入和輸出需求。其中的全釩液流電池，通過釩離子價態的變化實現電能的儲存與釋放，不會發生電解液降解，并且可以通過在線或離線價態調整技術使系統恢復價態平衡，是持續性強、安全性高、經濟性好、環境友好的大規模儲能首選技術之一。

圖4 全釩液流電池示意圖[13]Fig.4 Schematic of an all-vanadium redox flow battery[13]

3.1.2 液態金屬電池

與液流電池類似的儲能解決方案還有液態金屬電池(圖5)，液態金屬電池的結構非常簡單，完全依靠介質的密度差異，使用熔鹽分隔陰陽極液態金屬，沒有傳統電池復雜的內部結構，最有很長的循環壽命，而且容量十分穩定，整個電池的損耗率也非常低，在每一天都進行充放電的情況下，持續使用10年之后依然能夠保持99%的容量。Donald Sadoway團隊成立的AMBRI公司計劃生產液態金屬電池產品的具體信息[14-16]：體積為18 m3；儲電量1000 kWh，功率為350 kW；支持1000 V直流電；總重15 t，合計每千克儲能67 Wh，要比鋰電池便宜。當前，液態金屬電池唯一的劣勢是需要高溫和消耗額外的能量來維持介質的液體狀態，但未來的室溫液態金屬電池技術將使它具有與液流電池進行全面競爭的潛力。

圖5 Li‖Sb-Pb液態金屬電池示意圖[14]Fig.5 Cell schematic of Li‖Sb-Pb liquid metal battery[14]

3.1.3 動力電池梯級利用

儲能的另一條路徑是梯次利用動力電池，隨著新能源汽車產業的蓬勃發展，退役的動力電池數量越來越多，電芯剩余容量多在初始容量的60%～70%[17]，其儲能能力仍然非?？捎^。對退役動力電池進行整體診斷和評估后，根據品位不同，將其應用于小型儲能、家庭儲能、基站備電、微電網系統、中大型電力儲能市場等，以充分利用其剩余價值，是十分有成本優勢的儲能方式[18]。當然，由于動力電池廠商、用戶個體使用習慣以及地區使用環境的差異，每個動力電池的衰減情況各不相同，再利用時的使用壽命(充放電次數)很難評估準確，沒有質?；蛸|保期較短(通常不超過2年)，無法將退役動力電池作為電網儲能主力，但將它們用于小規模儲能或作為電網儲能補充設施，依然是非常有前景的發展方向。

3.2 用戶端儲能

作為新能源汽車的核心零部件，動力電池的性能、產能、價格“三座大山”一直制約著產業升級[19]。為此，我國先后出臺《新能源汽車產業發展規劃》[20]及《節能與新能源汽車技術路線圖》[21]，明確實施電池技術突破行動，包括負極材料在內的電池材料關鍵核心技術研究，加強高強度、輕量化、高安全、低成本、長壽命的動力電池短板技術，全力推進新型電池材料研發與產業化。國際上，歐盟9國成立歐洲電池聯盟，歐盟委員會發布《歐洲2030+電池計劃》[22]，運用先進技術和平臺加速新型電池材料研發；2021年美國發布《美國國家鋰電藍圖2021-2030》，全面布局鋰電池資源、材料、電芯、電池包、電池回收以及下一代鋰電池技術研發[23]。2019年國際可再生能源署制定《全球能源轉型2050路線》[24]，明確將開發新型電池材料作為推動能源轉型的技術路線之一。

鋰離子電池因其能量密度方面的絕對優勢，成為當前最主要的動力電池。整個鋰離子動力電池產業包含原材料、電芯、電池制造、電池模組、回收利用等眾多環節，其中電芯材料和電芯制造居于核心地位，直接影響電池的工作電壓、壽命、容量、安全性等?！叭笊健贝嬖诘母驹蛟谟趧恿﹄姵氐男阅懿粔蚶硐?，當下動力電池面臨著容量低、充電慢、重量/體積大、續航短等問題，主流的電動汽車續航里程均不超過500 km，成為新能源汽車全面推廣的瓶頸之一。此外，動力電池產業尚未實現標準化，產品的穩定性和一致性均無法保障。所以，動力電池發展的方向和目標是高能量密度、高功率密度、長循環壽命和高度標準化。

在推翻上述“三座大山”的任務中，中國產業界制訂了專門的動力電池發展路線[25]：近中期在優化現有體系鋰離子動力電池技術使之滿足新能源汽車規?；l展需求的同時，以開發新型鋰離子動力電池為重點，提升壽命、安全性和一致性，同步開展新動力電池體系的前瞻性研發；中遠期在持續優化提升鋰離子動力電池的同時，重點研發新動力電池體系，顯著提升能量密度，大幅降低成本，實現新動力電池體系實用化和規?；瘧?。具體包含以下幾個重點發展方向：動力電池新材料研究、動力電池安全性及長壽命技術研究、動力電池監測系統及控制技術、動力電池仿真及分析測試技術、動力電池梯級利用及資源回收技術；實現技術路徑：加大新電池體系的研發力度、提升關鍵材料及裝備水平、提高電池的壽命、安全性和一致性、加速動力電池標準體系建設和電池回收再利用技術研究。力爭在2020、2025、2030這3個關鍵時間節點上達到表1所示的技術指標。

表1 中國動力電池技術路線[23]

3.2.1 動力電池電極材料

在鋰電池的成本中，四大核心材料(正極、負極、電解液、隔膜)的占比接近40%，是產業發展中需進行重點技術攻關的環節。電池正極和負極材料作為充放電過程中的儲鋰介質，是決定電池容量的關鍵部分，是核心中的核心。目前應用最廣的石墨負極材料的比容量已達到370 mAh·g-1，已經接近碳材料的理論容量極限372 mAh·g-1(表2)，因此新型的高容量負極材料是負極領域的發展方向[26]。與碳同族的硅在常溫下能與鋰形成Li15Si4合金，理論容量高達3579 mAh·g-1，是極具前景的下一代負極材料。國內電池材料龍頭企業貝特瑞新材料集團股份有限公司已有小批量相關產品上市，最高容量可達1500 mAh·g-1以上，首次庫倫效率高于90%?？傮w來說，負極材料特別是硅碳負極材料的研發空間還非常大，目前其倍率與循環壽命等性能指標依然遠遠沒有達到大規模應用的標準，需要持續開發更為先進和高效的硅基納米化和硅碳復合化技術。

表2 石墨負極與硅負極對比[26]

除了負極，正極材料的性能是更難突破的環節。由于安全性高，磷酸鐵鋰長期以來是主要的正極材料，但是隨著動力電池對能量和功率密度要求的快速提升，誕生了結合鈷基和鎳基高容量以及錳基安全性的三元正極材料。鎳鈷錳3種元素之間具有良好的協同效應，相比于磷酸鐵鋰電池，它擁有更高的比能量和比功率(表3)，并且具有長循環壽命、低毒和廉價的特點，更符合乘用車的需求，將取代磷酸鐵鋰成為下一代主流技術路線[27-29]。其中，鎳是三元材料儲能的主要成分，通過提高材料中鎳的含量以有效提高材料的比容量，是動力電池正極材料再往前邁進的關鍵問題。

表3 正極材料主要性能指標[27-29]

3.2.2 動力電池標準化

盡管動力電池面臨著容量瓶頸的問題，但是受新能源需求的推動和政策的鼓勵，眾多企業和研究機構投入力量積極開展研發，使得電池材料產業獲得了快速發展，基本可以滿足商用電池的要求。不過，產業體量的擴張卻帶來另一個問題，就是動力電池標準化[30]。單體電芯的規格尺寸不統一一直是主機廠和動力電池企業合作的主要矛盾之一，也是阻礙動力電池產業進一步發展的重大障礙。目前國內雖然有相關國家標準與行業標準，但由于代表性不足，抑或考慮尚需完善等問題，可執行性差，我國動力電池行業還處在電池路線各不相同、電池型號繁雜、產量分散的較為無序的狀態。

電芯制作基本形成規范化的流程，標準化建立比較容易。比較困難的部分在于電池裝配，傳統電池裝配采用的是焊接法，不僅存在焊痕表面凸起、氣孔、炸火、內部氣泡等問題，最為重要的配套的設備、環境和操作成本高，并且電池退役后也不利于回收利用。于是，催生了模塊化的電池裝配技術，比如美國波士頓能源公司(Boston-Power)開發的新型壓力連接方法[31]，實現電池模組的快速裝配和拆卸，原始設備制造商(original equipment manufacturer，OEM)標準測試結果表明該技術的裝/拆時間比傳統方法大為縮短，并有著與傳統方法相當的組裝密度、可靠性以及熱力學性能。這種標準化和規范化的電池組裝技術，將單一續航里程的動力電池變成標準化組件的模塊化電池組，給汽車制造商或者電池組供應商們提供一種較為簡單、成本較低廉的方法來進行大容量電池組的快速生產和裝配，省去大量從概念驗證到市場化的時間，減少了前期投資、項目風險、人工成本等等(圖6)。

圖6 壓力連接電池模組組裝示意圖[31]Fig.6 Illustration of the pressure connection method for battery module assembly[31]

3.2.3 動力電池管理

動力電池良好的運行性能，除了依靠材料與標準外，還有賴于先進的管理系統[32]。搭乘物聯網發展的快車，建立一套全面開放、深度互聯的電池智能管理系統，覆蓋動力電池“注冊入庫-臺賬建立-充電記錄-使用記錄-維護檢修-報廢處理”全生命周期，可實現供電、儲能、安防全方位實時在線監測(圖7)[33，34]。帶來的直接好處就是實現電池的安全監控，結合物聯網和人工智能，對電池狀態進行預判和預警，頻發的電動汽車自燃事故也更加說明了智能管理系統的必要性。雖然開發更加安全的電池材料和電池結構才是根本的解決方案，管理系統只是一種被動式的方案，但是考慮新型材料的研發周期以及多重保險策略，主動和被動雙管齊下才是實現零風險的最佳組合。此外，電池管理系統也是動力電池回收利用系統的重要一環，整車廠和電池供應商可以充分利用電池管理系統的大數據，研判用戶動力電池狀態，提供主動回收服務。

圖7 電池管理系統框架[33，34]Fig.7 Framework of the battery management system[33，34]

4 應用端

在新能源的應用端，電動汽車的續航能力是僅次于安全性的最為重要的指標，動力電池容量只是其中的一個決定性因素，而實用中電能補充往往才是更關鍵的限制因素。由于充電速度慢和充電站尚未普及，即便動力電池能量密度如預期達到500 Wh·kg-1以上，若不能及時充能，電動汽車也無法達到如燃油汽車般的長距離續航能力，取代燃油車實現能源消費轉型的目標也就無從實現，所以必須著力解決這一問題[35，36]?；诂F有的快充技術水平，充電速度與燃油車加油速度相去甚遠，充電模式還無法與電動汽車需求與產業發展速度匹配，所以借鑒燃油車產業的發展經驗，發展與加油站功能類似的配套設施無疑是一條非常好的解決方案，而電池更換模式(簡稱換電模式)成為一個可行性非常高的選項，其基本策略就是以“換”代“充”，即與加油站一樣，建設換電站對續航不足的車輛直接進行動力電池更換，以達到電能補充的目的。

4.1 電動汽車標準化

換電模式實施的一個重要前提就是標準化，前面的內容已經論述了動力電池標準化與智能管理，這就為換電模式的推廣奠定了基礎[37]。此外，電動汽車的制造也需要全面標準化，除了整車設計模塊化、動力電池模組標準化(統一安裝位置、安裝方式、充電接口)以便于形成換電的統一操作規程，還需要基于智能互連的通信接口標準化，以實現車輛管理系統與電池管理系統的兼容互通，為換電站充電與電池維護提供足夠的基礎數據。

4.2 換電運營模式

換電模式在運營機制上，將至少涵蓋汽車廠商、用戶、換電服務商、電池企業4個基本的板塊，分別進行電動汽車生產銷售、使用、電池租賃-更換-維護+換電網絡建設、電池供應。目前特斯拉(Tesla，Inc.)(圖8)、北京汽車集團有限公司、奇瑞汽車股份有限公司和上海蔚來汽車有限公司已經在開展換電模式試點[38，39]，一旦論證通過，也需要建立起一套標準化的換電網絡構架，從發電到用電，進行整體規劃和調度。表4從換電服務商的角度羅列了一些代表性的換電運營方式，并比較了各自的優劣[40]。從各方劣勢來看，建立標準化的網絡構架顯得尤為重要，無論哪種模式，運營商在統一的行業架構中進行合理配置，才能實現利潤和公共效益的最大化。而鑒于目前電動汽車換電市場的需求現狀和換電模式推廣的難度，綜合來看，以供電企業為主導的電動汽車換電合作運營模式是一種比較理想的選擇。同時，這對能源端(光伏電廠)是一個良好的機遇，新能源上游企業將有更多機會參與應用端建設，從而在新能源使用的推廣中掌握更大的主動權，對提高能源消費中新能源的占比非常有利。

表4 幾種典型換電模式運行方式對比[40]

圖8 特斯拉換電系統[38，39]Fig.8 The battery exchanging scheme from Tesla[38，39]

5 氫 能

在新能源領域，除了最為常見的電能，不得不提及的便是氫能。氫能是一種清潔的二次能源，作為21世紀的“終極能源”，具有能量密度大、燃燒熱值高、來源廣、可儲存、可再生、可發電可燃燒、零污染、零碳排等優點。而氫能的應用上，除了直接作為燃料燃燒外，燃料電池是高效利用氫能的最佳方式。以氫燃料電池驅動的汽車，將具有與燃油汽車相當甚至更長的續航里程，而燃料補充時間也可與燃油車比肩。因此，在政策和財政的雙重支持下，加快推進可再生能源制氫、氫儲能、氫能利用等關鍵技術協同研究，以使氫能產業逐漸成長為低碳路線的主力軍(圖9)[41，42]。

圖9 氫綜合能源系統[41，42]Fig.9 Illustration of the hydrogen energy system[41，42]

不過，由于氫能發展尚不成熟，面臨較多問題(制氫、儲氫、燃料電池催化劑都面臨重大挑戰，成本居高不下)，但是隨著光伏等新能源電力成本持續降低，電解水將成為高純度氫氣的重要來源，所以氫能可以作為純電新能源體系的補充，也可作為儲能介質以充分消納棄光、棄風、棄水電量。同時推進制氫催化劑、儲氫材料和燃料電池催化劑等氫能關鍵基礎材料以及氫能汽車技術開發，將刺激新能源上下游基礎研究與產業應用快速進步，配合純電模式加速新能源產業鏈的發展與完善。例如，重點推進與間歇性、波動性的可再生能源發電高度適應和匹配的電解制氫系統技術應用：開發資源豐富、成本低廉的催化劑，解決綠色氫能制取依賴稀貴金屬的困境；突破超大型質子交換膜電解堆集成技術和高密度高安全固態儲氫技術，消除綠色氫能制儲瓶頸，奠定綠氫平價供應基礎；同步推進質子交換膜燃料電池和固態氧化物燃料電池等為代表的氫能應用終端技術，構筑車載氫能和分布式氫能的應用模式，為新能源產業從“電驅動”向“氫驅動”轉變奠定基礎，從而打通新能源“源-儲-荷”全產業鏈(圖10)。

圖10 發電-儲能-新能源汽車的新能源產業鏈Fig.10 The new energy chain along power generation-energy storage- new energy vehicles

6 展 望

圍繞新能源產業鏈生態體系構建的主題，以新能源汽車(特別是電動汽車)上下游產業為例，闡述了能源供應、儲能系統、車輛制造、充能模式等純電驅動生態系統各個環節的構建問題，簡述氫能作為當下純電系統的補充，將逐步完善和推廣新能源產業應用，最終希望打造“能源-儲能-應用”協調發展的、獨立于傳統能源的生態體系，改變社會能源消費結構轉型，減少化石能源消耗，使我國逐漸擺脫能源依賴進口的局面，保障國家能源戰略安全，助力實現“碳達峰、碳中和”戰略目標。