新冠肺炎疫情是否會加速電氣化革命?

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202011/420516.htm

如果電氣化普及成為現實，世界會呈現圖中的樣貌。

在新冠肺炎疫情蔓延之前和之後（時隔2個月），所拍攝的義大利的衛星照片。活動量大大減少，使得汙染排放量減少，天空更明淨。

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科學可視化工作室

在全球繼續應對造成巨大生命損失且導致世界經濟嚴重停滯的新冠肺炎疫情之際，我們可以開始展望疫情過去後的世界會是什麼樣子。毫無疑問，我們彼此之間、與醫療健康行業以及服務工作人員之間互動的方式會發生變化，但新冠肺炎疫情會對環境產生間接和預期以外的影響，這一點我們很少加以討論。

在疫情發生之後，全球開始了為期數月的居家隔離，以控制疫情加劇，此舉也讓人們看到了實現碳平衡的前景，或者說未來大幅減少碳排放的希望。隨著疫情期間汽車、輪船和飛機使用頻率降低，過去數十年來我們對環境造成的負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後真實環境狀況的照片和視頻引發了巨大轟動。因為對空氣的汙染減少，30多年以來1   印度旁遮普邦的居民首次在相隔150英裡的地方看到了喜馬拉雅山，而在威尼斯河道內，因為該區域船舶停運，對水的汙染減少，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。

自然環境開始恢復，哪怕只是一瞬間。雖然以環境保護的名義無限期停滯交通運輸和交通基礎設施不是一個可行的解決方案，且此舉肯定會削弱世界經濟，但通過電氣化來實現碳平衡卻能兩者兼得。

電動汽車是電氣化的中心

 「如果洛杉磯使用電動汽車和電動公共汽車，那麼空氣每天都會很乾淨。」

加州大學聖巴巴拉分校助理教授Leah Stokes博士。

對於全球致力於實現的更可持續的電氣化未來，其核心就是電動汽車(EV)。根據世界經濟論壇的數據，「到2030年，電動乘用車的保有量將達到2.15億輛。這意味著從2018年到2030年，電動乘用車的銷量將以每年23%的速度增長。」在未來十年，全球電動汽車的普及率預計按照這種速度快速增長，對配套技術的需求也將持續增加。全球幾乎每個地區都推出了更新的電動汽車普及激勵措施，且所有大型OEM都在著手實現車系的電氣化。全球都在加大對電氣化的投入。現在正是推動加快採用電氣化技術的時機，但這需要過程，並非一夕就能完成。在整個電氣化生態系統中，仍然存在許多阻礙電動汽車普及的壁壘。

 「到2030年，全球對電池的需求量將達到2523千兆瓦時(GWh)，其中2333 GWh來自電動交通行業。」

世界經濟論壇(WEF)

遺憾的是，如今的電網基礎設施無法滿足日益增加的電動汽車的用電需求。而且，電動汽車還沒有在價格和性能上達到與內燃機汽車同等的水平，尚無法激發消費者的需求。此外，汽車製造商仍在尋找一種在車系中推廣電氣化技術的更有效、更經濟的方式。另外，如今的電動汽車電池回收和再利用項目的成本和資源都不夠經濟有效，無法保證被廣泛採用。如果不能對電動汽車電池進行再利用和回收，以進行梯次使用，那麼許多電動汽車電池最終會被扔進垃圾填埋場。這有悖目前通過採用電氣化來促進環保的初衷。

基礎設施：電氣化未來的基礎

儲能系統、電池化成和測試、電池化學成分

近年來，受電動汽車和其他電氣化技術預期採用率的影響，儲能已成為全球關注的焦點。隨著全球越來越依賴電氣化，現有電網承受的壓力可能會非常大。儲能系統(ESS)使得現代電網能夠通過使用大型電池作為緩衝器來存儲由可再生資源生成的非高峰期電能，並在用電高峰期隨時向所有用戶及所有應用（包括電動汽車充電）提供電能來保持電網穩定。儲能系統可以利用多個放置在負載點附近的緩衝器，使得現有電網能夠在不增加電線或發電廠的情況下提供更多電能，從而降低與基礎設施升級相關的成本。

據彭博新能源財經(BNEF)稱，到2030年，新增儲能容量的65%會用於將各種可再生能源接入電網，並提供各種電網服務；30%用於為住宅、商業和工業設施供電；餘下5%用於支持電動汽車基礎設施。

電池化成和測試是電動汽車電池製造過程中至關重要的一部分，因為這是判斷電池是否滿足關鍵性能和安全標準的環節。如果達不到這些標準，電池可能無法使用，或者在使用期間和梯次使用時對電池效率造成不利影響。電池化成和測試過程包括在24到36小時內對電流和電壓實施極為精準的管理。速度太快或精度不高可能會破壞電芯內部的活性化學成分，從而大大降低電池的整體容量和使用壽命。

新興的電池化學成分讓本已困難的電池化成和測試變得更加困難，給設備和電池製造商帶來了更進一步的挑戰。新化學成分要求在最嚴格的生產條件下實現更高程度的電氣測量精度，同時還需要控制成本支出。此外，要實現快速擴展，就需要製造商減小現有的化成和測試設備的尺寸大小。

約40% 的電動汽車標價都與電池相關

展望未來，我們發現磷酸鐵鋰(LiFePO)等電池化學成分的重要性與日俱增。雖然鈷基化學物質的能量密度可能比磷酸鐵鋰高出10%到20%，但鈷具有很強的生態毒性，且其開採方法飽受爭議，使其被列為衝突性材料（與侵犯人權相關）。按照目前的使用速度，全球的鈷儲量可能會在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安全性更高，且已在生產中得到充分證明（已在該行業使用超過10年），完全能夠成為領先OEM首選的技術。

運作：加快電動汽車的普及

現今的電動汽車續航裡程一般在60英裡至400英裡之間，所需的充電時間為30分鐘至12小時，具體由車輛型號和汽車充電器的類型決定，非常適合能在家實現充電的短途或通勤使用。但是，對整個汽車市場來說，續航裡程和充電時間是極為重要的因素。此外，未來十年，電動汽車市場預計將增長10倍，而為了給數以百萬計的電動車輛提供動力，採用高效的電池管理系統(BMS)來監控、管理和維護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生命周期內，在所有運行條件下都保持最高精度，以最大化電動汽車每次充電的續航裡程。

與油箱等單個儲能元件不同，電動汽車的電池組由數百或數千個協同工作的電芯組成。當電力流入或流出電池組時，必須以極高的準確度精確管理所有電芯，以確保每次充電實現最大的續航裡程。此外，雖然電子部件的成本只佔電池成本的一小部分，但卻是決定車輛續航裡程、安全性和成本的主要因素。例如，為了確保在汽車的整個生命周期內實現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）。當前的最高精度可以達到2 mV，必須確保400 V至800 V電池組的每個電芯都達到此精度。為了確保安全性，電子產品必須從一開始就經過精心設計，以完全符合全球所有嚴格且不斷演變的安全標準的要求。這些標準並不僅限於ASIL-D標準，還需要開發創新的電池功能性架構。

此外，目前還湧現了適用於BMS的顛覆性技術，而且是無線形式。ADI公司最近開發的無線電池管理系統(WBMS)以有線BMS的現有組件為基礎構建，無需再使用線束將電芯連接在一起，可以節省工程設計和開發成本，並消除相關的機械性挑戰和線束帶來的複雜性。它還使得電池組設計具有高度模塊化和可裁剪特性，因此可以反覆用在多個汽車設計中。此外，由於每個電池模塊都是無線的，因此可以在從電池化成開始，到存儲和組裝，再到在汽車中使用這整個過程中收集和存儲數據，從而實現電池狀態計算，給出電池組的剩餘電量。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、回收或其他應用中，降低了製造商和車主的總成本，並限制了對環境的影響。

電池的二次壽命：自給自足的電氣化生態系統

到2035年，整個儲能市場的年收入預計將增長到5460億美元 來源：全球儲能市場2019年報告

雖然電動汽車被吹捧為內燃機和化石燃料的綠色替代品，但它有一個明顯的致命弱點——當半噸重的電池無法再儲存驅動汽車所需的足夠電能時，該如何對其進行處理？

如今，回收是非常普遍的選擇，但這個過程只能回收部分原材料（例如鈷和鋰），而不是回收全部。回收成本高、不受監管，且缺乏明確的供應鏈。因此，能源研究所預計，到2025年，全球丟棄的電動汽車電池數量將超過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，或者更準確的說，這是一種過渡方法。在使用8到10年之後，當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，便無法再為汽車提供動力，需要更換。這些不再使用的電池數量不斷增加，由此形成全新的市場機遇，有些人將其稱為電池梯次使用市場或電池的二次壽命市場。

電池二次壽命應用可能將電池的使用時間延長5至10年，但最終具體能延長多久，取決於電池的首次使用狀況。無線電池管理系統技術(WBMS)持續收集電池數據，並將其傳輸和存儲在雲端，使其成為詳細記錄歷史數據的理想工具。由於其無線特性，WBMS可以在電池投入使用前將電池數據存儲在電芯中。

在車輛運行過程中，會通過計算來了解電池的使用狀況(SoH)，並可根據駕駛情況和環境條件不斷更新，提供有效數據，幫助用戶了解電池組的剩餘壽命。此舉為電池組設定了剩餘價值，幫助降低了整體成本，同時也為電芯的下一階段使用設定了方向。

無線BMS是一種顛覆性技術，簡化了電池進入二次壽命的過程，並推動整個行業邁入可持續發展的未來。

在電池進入梯次使用之前，賣家可以使用這些數據生成詳細的健康狀態歷史記錄，讓買家和賣家都能評估電池的價值，並據此達成公平的交易價格。

麥肯錫諮詢公司表示：「為這些仍然有用的（電動汽車）電池尋找可用之地可以創造巨大的價值，最終甚至有助於降低儲能成本，從而進一步將可再生能源併入電網。」3 電動汽車電池即使不再能滿足電動汽車性能標準，仍然可以進入梯次使用，應用於對電池性能要求放寬的儲能系統。

電氣化生態系統

隨著全球快速轉向採用環保可持續的應用，我們需要考慮整個電氣化生態系統中存在的影響和障礙，這非常重要。單單只關注一個領域，無法實現更環保的未來。通過了解電氣化生態系統、基礎設施、運行和二次壽命各個方面，並開發解決方案以配合整個生態系統的發展，ADI公司佔據著獨特地位，將在全球範圍內帶來碳平衡的未來。

潔淨且健康的未來前景

電力設施對我們所有人的生活都極為重要。醫院、學校、房屋、路燈和通訊都有賴它為現代社會提供電力。現在，距離第一條電線橫跨城市上空已過了一個多世紀；電力行業正在經歷第二次革命，這次革命不僅將改變為電網供電的能源組合，還將改變配電系統本身——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。

空氣顆粒物汙染使全球所有婦女、男子和兒童的平均預期壽命縮短了近2年。

空氣品質生活指數^®，芝加哥大學能源政策研究所

在導致全球變暖的汙染中，約有近一半是由燃燒化石燃料發電或取暖造成的4。電池二次回收有助於減少資源消耗和降低生態毒性。儲能系統能夠通過儲存本地產生的多餘太陽能和風能，並將其賣給非常耗電的能源網絡來實現電氣化未來的承諾。與高油耗汽車相比，電動汽車的發展速度越來越快，最終可以將城市地區的空氣汙染降低50%至90%。

由此出現了一幅光明的、可再生的、電氣化的未來圖景，讓所有人都有機會過上更健康的生活，在更潔淨的環境中發揮自己的所有潛力。

探索當今最令人興奮的技術進步所帶來的前景，其中退出使用的電動汽車(EV)電池被重新啟用、重新確定用途並投入使用，為先進的儲能系統(ESS)提供電能。了解如何準確有效地對新電池化學物質實施管理，以保護環境並為電動汽車提供動力。了解先進的無線電池管理系統如何幫助開啟和創建一個環保可持續且具有經濟性的價值數十億美元的產業。然後了解風能、太陽能和其他可再生能源產生的剩餘電能是如何被儲存起來，以備之後使用，從而幫助解決電網穩定的難題，節省數萬億美元，並幫助我們更好地保護我們的星球。

1Rob Picheta。由於隔離緩解了大氣汙染，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。由於義大利仍處於隔離狀態，視頻捕捉到威尼斯運河中遊動的水母。《時代》，2020年4月22日。

3電動汽車電池梯次使用：儲能市場最新的價值庫，麥肯錫諮詢公司，2020 年 4 月 30 日。

4David Biello. 如何解決全球變暖問題：關鍵在於能源供應。科學美國人，2014 年 4 月 14 日。