新冠肺炎疫情是否會(huì)加速電氣化革命?
發(fā)布時(shí)間:2020-12-01 來源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】如果電氣化普及成為現(xiàn)實(shí),世界會(huì)呈現(xiàn)圖中的樣貌。在新冠肺炎疫情蔓延之前和之后(時(shí)隔2個(gè)月),所拍攝的意大利的衛(wèi)星照片?;顒?dòng)量大大減少,使得污染排放量減少,天空更明凈。
2017年-2019年的3月25日-4月25日
2020年3月25日-4月25日
來源:NASA科學(xué)可視化工作室
在全球繼續(xù)應(yīng)對(duì)造成巨大生命損失且導(dǎo)致世界經(jīng)濟(jì)嚴(yán)重停滯的新冠肺炎疫情之際,我們可以開始展望疫情過去后的世界會(huì)是什么樣子。毫無疑問,我們彼此之間、與醫(yī)療健康行業(yè)以及服務(wù)工作人員之間互動(dòng)的方式會(huì)發(fā)生變化,但新冠肺炎疫情會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生間接和預(yù)期以外的影響,這一點(diǎn)我們很少加以討論。
在疫情發(fā)生之后,全球開始了為期數(shù)月的居家隔離,以控制疫情加劇,此舉也讓人們看到了實(shí)現(xiàn)碳平衡的前景,或者說未來大幅減少碳排放的希望。隨著疫情期間汽車、輪船和飛機(jī)使用頻率降低,過去數(shù)十年來我們對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響變得更加清晰可見。人們所拍攝的在居家隔離之前和之后真實(shí)環(huán)境狀況的照片和視頻引發(fā)了巨大轟動(dòng)。因?yàn)閷?duì)空氣的污染減少,30多年以來1,印度旁遮普邦的居民首次在相隔150英里的地方看到了喜馬拉雅山,而在威尼斯河道內(nèi),因?yàn)樵搮^(qū)域船舶停運(yùn),對(duì)水的污染減少,人們又看到了多年未見的海洋生物2。在北京、紐約和巴黎,二氧化碳、一氧化碳和一氧化二氮的排放量顯著下降。
自然環(huán)境開始恢復(fù),哪怕只是一瞬間。雖然以環(huán)境保護(hù)的名義無限期停滯交通運(yùn)輸和交通基礎(chǔ)設(shè)施不是一個(gè)可行的解決方案,且此舉肯定會(huì)削弱世界經(jīng)濟(jì),但通過電氣化來實(shí)現(xiàn)碳平衡卻能兩者兼得。
電動(dòng)汽車是電氣化的中心
“如果洛杉磯使用電動(dòng)汽車和電動(dòng)公共汽車,那么空氣每天都會(huì)很干凈。”
加州大學(xué)圣巴巴拉分校助理教授Leah Stokes博士。
對(duì)于全球致力于實(shí)現(xiàn)的更可持續(xù)的電氣化未來,其核心就是電動(dòng)汽車(EV)。根據(jù)世界經(jīng)濟(jì)論壇的數(shù)據(jù),“到2030年,電動(dòng)乘用車的保有量將達(dá)到2.15億輛。這意味著從2018年到2030年,電動(dòng)乘用車的銷量將以每年23%的速度增長。”在未來十年,全球電動(dòng)汽車的普及率預(yù)計(jì)按照這種速度快速增長,對(duì)配套技術(shù)的需求也將持續(xù)增加。全球幾乎每個(gè)地區(qū)都推出了更新的電動(dòng)汽車普及激勵(lì)措施,且所有大型OEM都在著手實(shí)現(xiàn)車系的電氣化。全球都在加大對(duì)電氣化的投入。現(xiàn)在正是推動(dòng)加快采用電氣化技術(shù)的時(shí)機(jī),但這需要過程,并非一夕就能完成。在整個(gè)電氣化生態(tài)系統(tǒng)中,仍然存在許多阻礙電動(dòng)汽車普及的壁壘。
“到2030年,全球?qū)﹄姵氐男枨罅繉⑦_(dá)到2523千兆瓦時(shí)(GWh),其中2333 GWh來自電動(dòng)交通行業(yè)。”
世界經(jīng)濟(jì)論壇(WEF)
遺憾的是,如今的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施無法滿足日益增加的電動(dòng)汽車的用電需求。而且,電動(dòng)汽車還沒有在價(jià)格和性能上達(dá)到與內(nèi)燃機(jī)汽車同等的水平,尚無法激發(fā)消費(fèi)者的需求。此外,汽車制造商仍在尋找一種在車系中推廣電氣化技術(shù)的更有效、更經(jīng)濟(jì)的方式。另外,如今的電動(dòng)汽車電池回收和再利用項(xiàng)目的成本和資源都不夠經(jīng)濟(jì)有效,無法保證被廣泛采用。如果不能對(duì)電動(dòng)汽車電池進(jìn)行再利用和回收,以進(jìn)行梯次使用,那么許多電動(dòng)汽車電池最終會(huì)被扔進(jìn)垃圾填埋場(chǎng)。這有悖目前通過采用電氣化來促進(jìn)環(huán)保的初衷。
基礎(chǔ)設(shè)施:電氣化未來的基礎(chǔ)
儲(chǔ)能系統(tǒng)、電池化成和測(cè)試、電池化學(xué)成分
近年來,受電動(dòng)汽車和其他電氣化技術(shù)預(yù)期采用率的影響,儲(chǔ)能已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著全球越來越依賴電氣化,現(xiàn)有電網(wǎng)承受的壓力可能會(huì)非常大。儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)使得現(xiàn)代電網(wǎng)能夠通過使用大型電池作為緩沖器來存儲(chǔ)由可再生資源生成的非高峰期電能,并在用電高峰期隨時(shí)向所有用戶及所有應(yīng)用(包括電動(dòng)汽車充電)提供電能來保持電網(wǎng)穩(wěn)定。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以利用多個(gè)放置在負(fù)載點(diǎn)附近的緩沖器,使得現(xiàn)有電網(wǎng)能夠在不增加電線或發(fā)電廠的情況下提供更多電能,從而降低與基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)相關(guān)的成本。
據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)(BNEF)稱,到2030年,新增儲(chǔ)能容量的65%會(huì)用于將各種可再生能源接入電網(wǎng),并提供各種電網(wǎng)服務(wù);30%用于為住宅、商業(yè)和工業(yè)設(shè)施供電;余下5%用于支持電動(dòng)汽車基礎(chǔ)設(shè)施。
電池化成和測(cè)試是電動(dòng)汽車電池制造過程中至關(guān)重要的一部分,因?yàn)檫@是判斷電池是否滿足關(guān)鍵性能和安全標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)節(jié)。如果達(dá)不到這些標(biāo)準(zhǔn),電池可能無法使用,或者在使用期間和梯次使用時(shí)對(duì)電池效率造成不利影響。電池化成和測(cè)試過程包括在24到36小時(shí)內(nèi)對(duì)電流和電壓實(shí)施極為精準(zhǔn)的管理。速度太快或精度不高可能會(huì)破壞電芯內(nèi)部的活性化學(xué)成分,從而大大降低電池的整體容量和使用壽命。
新興的電池化學(xué)成分讓本已困難的電池化成和測(cè)試變得更加困難,給設(shè)備和電池制造商帶來了更進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。新化學(xué)成分要求在最嚴(yán)格的生產(chǎn)條件下實(shí)現(xiàn)更高程度的電氣測(cè)量精度,同時(shí)還需要控制成本支出。此外,要實(shí)現(xiàn)快速擴(kuò)展,就需要制造商減小現(xiàn)有的化成和測(cè)試設(shè)備的尺寸大小。
約40%的電動(dòng)汽車標(biāo)價(jià)都與電池相關(guān)
展望未來,我們發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰(LiFePO)等電池化學(xué)成分的重要性與日俱增。雖然鈷基化學(xué)物質(zhì)的能量密度可能比磷酸鐵鋰高出10%到20%,但鈷具有很強(qiáng)的生態(tài)毒性,且其開采方法飽受爭議,使其被列為沖突性材料(與侵犯人權(quán)相關(guān))。按照目前的使用速度,全球的鈷儲(chǔ)量可能會(huì)在2030年耗盡。此外,磷酸鐵鋰成本低,在處理穿刺或熱失控問題時(shí)安全性更高,且已在生產(chǎn)中得到充分證明(已在該行業(yè)使用超過10年),完全能夠成為領(lǐng)先OEM首選的技術(shù)。
運(yùn)作:加快電動(dòng)汽車的普及
現(xiàn)今的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程一般在60英里至400英里之間,所需的充電時(shí)間為30分鐘至12小時(shí),具體由車輛型號(hào)和汽車充電器的類型決定,非常適合能在家實(shí)現(xiàn)充電的短途或通勤使用。但是,對(duì)整個(gè)汽車市場(chǎng)來說,續(xù)航里程和充電時(shí)間是極為重要的因素。此外,未來十年,電動(dòng)汽車市場(chǎng)預(yù)計(jì)將增長10倍,而為了給數(shù)以百萬計(jì)的電動(dòng)車輛提供動(dòng)力,采用高效的電池管理系統(tǒng)(BMS)來監(jiān)控、管理和維護(hù)高性能電池的需求也將日益增長。
BMS電子器件要求在汽車的整個(gè)生命周期內(nèi),在所有運(yùn)行條件下都保持最高精度,以最大化電動(dòng)汽車每次充電的續(xù)航里程。
與油箱等單個(gè)儲(chǔ)能元件不同,電動(dòng)汽車的電池組由數(shù)百或數(shù)千個(gè)協(xié)同工作的電芯組成。當(dāng)電力流入或流出電池組時(shí),必須以極高的準(zhǔn)確度精確管理所有電芯,以確保每次充電實(shí)現(xiàn)最大的續(xù)航里程。此外,雖然電子部件的成本只占電池成本的一小部分,但卻是決定車輛續(xù)航里程、安全性和成本的主要因素。例如,為了確保在汽車的整個(gè)生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大的可用電池容量,必須確保在所有的操作條件和惡劣環(huán)境下(包括極端溫度、電磁和電噪聲)保持良好的精度(在汽車的15年生命周期內(nèi))。當(dāng)前的最高精度可以達(dá)到2 mV,必須確保400 V至800 V電池組的每個(gè)電芯都達(dá)到此精度。為了確保安全性,電子產(chǎn)品必須從一開始就經(jīng)過精心設(shè)計(jì),以完全符合全球所有嚴(yán)格且不斷演變的安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。這些標(biāo)準(zhǔn)并不僅限于ASIL-D標(biāo)準(zhǔn),還需要開發(fā)創(chuàng)新的電池功能性架構(gòu)。
此外,目前還涌現(xiàn)了適用于BMS的顛覆性技術(shù),而且是無線形式。ADI公司最近開發(fā)的無線電池管理系統(tǒng)(WBMS)以有線BMS的現(xiàn)有組件為基礎(chǔ)構(gòu)建,無需再使用線束將電芯連接在一起,可以節(jié)省工程設(shè)計(jì)和開發(fā)成本,并消除相關(guān)的機(jī)械性挑戰(zhàn)和線束帶來的復(fù)雜性。它還使得電池組設(shè)計(jì)具有高度模塊化和可裁剪特性,因此可以反復(fù)用在多個(gè)汽車設(shè)計(jì)中。此外,由于每個(gè)電池模塊都是無線的,因此可以在從電池化成開始,到存儲(chǔ)和組裝,再到在汽車中使用這整個(gè)過程中收集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)計(jì)算,給出電池組的剩余電量。此舉降低了電池的成本,且使電池的梯次使用(或二次壽命)更加有效,例如在存儲(chǔ)、回收或其他應(yīng)用中,降低了制造商和車主的總成本,并限制了對(duì)環(huán)境的影響。
電池的二次壽命:自給自足的電氣化生態(tài)系統(tǒng)
到2035年,整個(gè)儲(chǔ)能市場(chǎng)的年收入預(yù)計(jì)將增長到5460億美元。
來源:全球儲(chǔ)能市場(chǎng)2019年報(bào)告
雖然電動(dòng)汽車被吹捧為內(nèi)燃機(jī)和化石燃料的綠色替代品,但它有一個(gè)明顯的致命弱點(diǎn)——當(dāng)半噸重的電池?zé)o法再儲(chǔ)存驅(qū)動(dòng)汽車所需的足夠電能時(shí),該如何對(duì)其進(jìn)行處理?
如今,回收是非常普遍的選擇,但這個(gè)過程只能回收部分原材料(例如鈷和鋰),而不是回收全部?;厥粘杀靖?、不受監(jiān)管,且缺乏明確的供應(yīng)鏈。因此,能源研究所預(yù)計(jì),到2025年,全球丟棄的電動(dòng)汽車電池?cái)?shù)量將超過340萬塊,比上一年多5.5萬塊。
電池梯次使用,這是一種替代回收的方法,或者更準(zhǔn)確的說,這是一種過渡方法。在使用8到10年之后,當(dāng)汽車的鋰離子電池的充電容量下降到初始容量的70%到80%時(shí),便無法再為汽車提供動(dòng)力,需要更換。這些不再使用的電池?cái)?shù)量不斷增加,由此形成全新的市場(chǎng)機(jī)遇,有些人將其稱為電池梯次使用市場(chǎng)或電池的二次壽命市場(chǎng)。
電池二次壽命應(yīng)用可能將電池的使用時(shí)間延長5至10年,但最終具體能延長多久,取決于電池的首次使用狀況。無線電池管理系統(tǒng)技術(shù)(WBMS)持續(xù)收集電池?cái)?shù)據(jù),并將其傳輸和存儲(chǔ)在云端,使其成為詳細(xì)記錄歷史數(shù)據(jù)的理想工具。由于其無線特性,WBMS可以在電池投入使用前將電池?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在電芯中。
在車輛運(yùn)行過程中,會(huì)通過計(jì)算來了解電池的使用狀況(SoH),并可根據(jù)駕駛情況和環(huán)境條件不斷更新,提供有效數(shù)據(jù),幫助用戶了解電池組的剩余壽命。此舉為電池組設(shè)定了剩余價(jià)值,幫助降低了整體成本,同時(shí)也為電芯的下一階段使用設(shè)定了方向。
無線BMS是一種顛覆性技術(shù),簡化了電池進(jìn)入二次壽命的過程,并推動(dòng)整個(gè)行業(yè)邁入可持續(xù)發(fā)展的未來。
在電池進(jìn)入梯次使用之前,賣家可以使用這些數(shù)據(jù)生成詳細(xì)的健康狀態(tài)歷史記錄,讓買家和賣家都能評(píng)估電池的價(jià)值,并據(jù)此達(dá)成公平的交易價(jià)格。
麥肯錫咨詢公司表示:“為這些仍然有用的(電動(dòng)汽車)電池尋找可用之地可以創(chuàng)造巨大的價(jià)值,最終甚至有助于降低儲(chǔ)能成本,從而進(jìn)一步將可再生能源并入電網(wǎng)。”3 電動(dòng)汽車電池即使不再能滿足電動(dòng)汽車性能標(biāo)準(zhǔn),仍然可以進(jìn)入梯次使用,應(yīng)用于對(duì)電池性能要求放寬的儲(chǔ)能系統(tǒng)。
電氣化生態(tài)系統(tǒng)
隨著全球快速轉(zhuǎn)向采用環(huán)??沙掷m(xù)的應(yīng)用,我們需要考慮整個(gè)電氣化生態(tài)系統(tǒng)中存在的影響和障礙,這非常重要。單單只關(guān)注一個(gè)領(lǐng)域,無法實(shí)現(xiàn)更環(huán)保的未來。通過了解電氣化生態(tài)系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)行和二次壽命各個(gè)方面,并開發(fā)解決方案以配合整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展,ADI公司占據(jù)著獨(dú)特地位,將在全球范圍內(nèi)帶來碳平衡的未來。
潔凈且健康的未來前景
電力設(shè)施對(duì)我們所有人的生活都極為重要。醫(yī)院、學(xué)校、房屋、路燈和通訊都有賴它為現(xiàn)代社會(huì)提供電力。現(xiàn)在,距離第一條電線橫跨城市上空已過了一個(gè)多世紀(jì);電力行業(yè)正在經(jīng)歷第二次革命,這次革命不僅將改變?yōu)殡娋W(wǎng)供電的能源組合,還將改變配電系統(tǒng)本身——從集中到分散。只有保持平衡,才能保證地球以及我們自身的健康。
空氣顆粒物污染使全球所有婦女、男子和兒童的平均預(yù)期壽命縮短了近2年。
空氣質(zhì)量生活指數(shù)®,芝加哥大學(xué)能源政策研究所
在導(dǎo)致全球變暖的污染中,約有近一半是由燃燒化石燃料發(fā)電或取暖造成的4。電池二次回收有助于減少資源消耗和降低生態(tài)毒性。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠通過儲(chǔ)存本地產(chǎn)生的多余太陽能和風(fēng)能,并將其賣給非常耗電的能源網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)電氣化未來的承諾。與高油耗汽車相比,電動(dòng)汽車的發(fā)展速度越來越快,最終可以將城市地區(qū)的空氣污染降低50%至90%。
由此出現(xiàn)了一幅光明的、可再生的、電氣化的未來圖景,讓所有人都有機(jī)會(huì)過上更健康的生活,在更潔凈的環(huán)境中發(fā)揮自己的所有潛力。
探索當(dāng)今最令人興奮的技術(shù)進(jìn)步所帶來的前景,其中退出使用的電動(dòng)汽車(EV)電池被重新啟用、重新確定用途并投入使用,為先進(jìn)的儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)提供電能。了解如何準(zhǔn)確有效地對(duì)新電池化學(xué)物質(zhì)實(shí)施管理,以保護(hù)環(huán)境并為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力。了解先進(jìn)的無線電池管理系統(tǒng)如何幫助開啟和創(chuàng)建一個(gè)環(huán)??沙掷m(xù)且具有經(jīng)濟(jì)性的價(jià)值數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)。然后了解風(fēng)能、太陽能和其他可再生能源產(chǎn)生的剩余電能是如何被儲(chǔ)存起來,以備之后使用,從而幫助解決電網(wǎng)穩(wěn)定的難題,節(jié)省數(shù)萬億美元,并幫助我們更好地保護(hù)我們的星球。
1Rob Picheta。由于隔離緩解了大氣污染,印度人“幾十年”以來首次可以看到喜馬拉雅山。CNN,2020年4月9日。
2Melissa Locker。由于意大利仍處于隔離狀態(tài),視頻捕捉到威尼斯運(yùn)河中游動(dòng)的水母。《時(shí)代》,2020年4月22日。
3電動(dòng)汽車電池梯次使用:儲(chǔ)能市場(chǎng)最新的價(jià)值庫,麥肯錫咨詢公司,2020 年 4 月 30 日。
4David Biello. 如何解決全球變暖問題:關(guān)鍵在于能源供應(yīng)。科學(xué)美國人,2014 年 4 月 14 日。
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