Naujos energijos revoliucijos potvynyje vandenilio kuro elementai ir ličio baterijos, kaip dvi pagrindinės galios technologijos, pertvarko energijos kraštovaizdį skirtingais technologiniais keliais. Vandenilio kuro elementai pasiekia nulinės emisijos energijos konvertavimą per elektrochemines reakcijas protonų mainų membranose, o ličio akumuliatoriai priklauso nuo ličio jonų interkalavimo ir deintercalation tarp teigiamų ir neigiamų elektrodų energijos kaupimui. Už šio technologinio konkurso slypi daugialypė diferencijuota konkurencija, atsižvelgiant į energijos tankį, konversijos efektyvumą, infrastruktūrą, ekonomiškumą ir dar daugiau. Jų technologinių savybių suderinamumas su taikymo scenarijais lemia jų papildomą ir simbiotinį ryšį anglies neutralumo eroje.
I. Pagrindiniai technologinių principų ir atlikimo parametrų skirtumai
Protonų mainų membranos kuro elementai (PEMFC), vandenilio kuro elementų tipas, sukuria elektrą per vandenilio ir deguonies chemines reakcijas. Jų pagrindiniai pranašumai yra energijos tankis ir žemos temperatūros pritaikomumas. Paimkite „Toyota Mirai“ kuro elementų transporto priemonę kaip pavyzdį; Jo sistemos energijos tankis siekia 33,6 kWh/kg, 168 kartus didesnis nei ličio baterijų. Vienas vandenilio degalų papildymas per tris minutes įgalina {800- kilometrų važiavimo diapazoną. Dėl šios charakteristikos yra labai tinkamos tokioms galimybėms kaip Kanados Ramiojo vandenyno geležinkelio (CPKC) vandenilio lokomotyvo (CPKC) 4,4 MW galios jėga, kai energijos suvartojimo sąnaudos yra 42% mažesnės nei dyzelino, o našumo sulaikymas viršija 95% net ir ypač šaltoje aplinkoje (-30 laipsnis).
Kita vertus, ličio baterijos pasiekia krūvį ir išmetimą per ličio jonų migraciją tarp teigiamų ir neigiamų elektrodų. „Contemporary Amperex Technology Co.“, „Limited“ (CATL) kietojo kūno akumuliatorių technologijos tyrimai ir plėtra padidėjo energijos tankis iki 500 Wh/kg. Tačiau riboja ličio jonų cheminės savybės, jų žemos temperatūros našumas (talpos skilimas 40%, esant -10 laipsniui), o energijos tankis vis dar nepatenka į vandenilio kuro elementus.
Kalbant apie konversijos efektyvumą, ličio baterijos, kaip tiesioginės energijos kaupimo įtaisai, gali pasigirti iki 90%energijos konvertavimo efektyvumo. Priešingai, vandenilio kuro elementai yra antriniame „elektros ir hidrogeno elektroniškumo“ konvertavimo procese, todėl visos grandinės efektyvumas yra tik 35–45%. Šis efektyvumo neatitikimas ypač akivaizdus keleivinių transporto priemonių sektoriuje. „Tesla“ V4 kompresorius gali pasiekti „200 kilometrų per 5 minutes“ įkrovimo greitį, o „Hyundai Nexo“ vandenilio kuro elementų transporto priemonė, nepaisant {3-} minutės vandenilio degalų papildymo, įgalinant 800- kilometrų diapazoną, tik trečdalį teritorijos khwh, palyginti su liitų baterijomis. Šios technologinės savybės lemia, kad vandenilio kuro elementai yra labiau tinkami sunkiems transportavimo ir nejudančių energijos kaupimo scenarijams, o ličio baterijos dominuoja trumpųjų nuotolių kelionių ir nešiojamųjų prietaisų pritaikymuose.
Ii. Struktūriniai infrastruktūros ir ekonominio efektyvumo prieštaravimai
Pasaulinis įkrovimo polių skaičius viršijo 18 milijonų, o Kinija sudarė 6,6 milijono vienetų. Priešingai, vandenilio degalų papildymo stočių skaičius yra mažesnis nei 400. Šis reikšmingas infrastruktūros atotrūkis tiesiogiai lemia ribotą vandenilio kuro elementų transporto priemonių skverbimąsi rinkoje, o tai išlieka mažesnė nei 1%, nepaisant galimybės pasiekti 180- dienos tarpsezoninės energijos kaupimąsi, tokius kaip Zhangjiaakou vėjo jėgainė-hidogeninei iniciatyvai. Šis apribojimas atsiranda dėl nedidelio vandenilio degalų papildymo tinklo.
Priešingai, ličio baterijos liudijo ličio geležies fosfato akumuliatorių paketų kainos sumažėjimą iki 0. 5 juanių/wh. „BYD“ „Blade“ akumuliatorių technologija, naudojant konstrukcines naujoves, padidino tūrio panaudojimą 50%, todėl elektrinės transporto priemonės, kurių kaina yra 200, 000} juanis, siekiant važiavimo diapazono, viršijančio 700 kilometrų.
Išlaidų prieštaravimas taip pat pasireiškia išteklių autonomija. Kinijos ličio išteklių priklausomybė nuo importo viršija 70%, o jos vandenilio energijos išteklių autonomijos norma siekia 98%. Šis išteklių fondo skirtumas suteikia vandenilio kuro elementus natūralų pranašumą atliekant kryžminį transportavimą, kaip parodyta statant vandenilio degalų papildymo stotis, lydinčias „Vakarų vandenilio į rytus“ dujotiekį. Nors „Toyota Mirai“ kuro elementų sistemos kaina sumažėjo nuo 50, 000 JAV dolerių iki 18, 000 JAV dolerių, tai rodo pradinį masto ekonomijos atsiradimą, dabartinė žaliosios vandenilio gamybos kaina (35 juanių/kg) išlieka 2,3 karto nuo dyzelio, o tai suvaržo jos didelio masto komercinę kainą.
Iii. Dvigubi saugos rizikos ir aplinkos charakteristikų aspektai
Vandenilio kuro elementų saugos rizika pirmiausia sutelkta į vandenilio kaupimą ir transportavimą. Nepaisant protonų mainų membranos gebėjimo užkirsti kelią tiesioginiam elektronų perdavimui, labai degi ir sprogstančiam vandenilio pobūdžiui vis tiek reikia specialių apsaugos priemonių. Kanados vandenilio lokomotyvai priima dvigubo sluoksnio vandenilio laikymo rezervuarus ir slėgio jutiklius, kad nuotėkio tikimybė būtų kontroliuojama žemiau vienos iš milijono.
Priešingai, ličio baterijų saugos pavojai daugiausia kyla dėl terminio bėgimo. CATL „nedeglinga“ akumuliatorių technologija, naudojant elektrolitų priedus ir separatorių dangas, padidėjo šilumos bėgimo trigerio temperatūra iki 180 laipsnių.
Kalbant apie aplinkos charakteristikas, vandenilio kuro elementai gali pasiekti nulinę emisiją per visą jų gyvavimo ciklą, jei vandenilio gamybai naudojama atsinaujinanti energija. „Zhangjiakou“ vėjo jėgainių ir hidrogeno projektas sumažina anglies dioksido išmetimą 120, 000 tonomis per metus. Tačiau pilkojo vandenilio (pagaminto iš iškastinio kuro) anglies spinduliuotės intensyvumas viršija benzino intensyvumą. Ličio akumuliatorių gamyba sukuria 15 tonų anglies išmetimo vienai tonui ličio karbonato, o sunkiųjų metalų, tokių kaip kobaltas ir nikelis, kasyba kelia aplinkos riziką. Nepaisant to, „Baosteel“ vandenilio pagrindu pagamintos velenų krosnies geležies gamybos technologija sumažina anglies išmetimą vienai plienui toną 50%, kai vandenilio rūda sumažina geležies rūdą, parodydama unikalią vandenilio kuro elementų vertę pramoninėje dekarbonizacijoje.
Iv. Patobulintas darbo ir bendradarbiavimo naujovių skyrius taikymo scenarijuose
Keleivių transporto priemonių sektoriuje ličio baterijos dominuoja 90% rinkos dalies dėl įkrovimo tinklų brandos. 3 „Tesla“ modelis sumažina energijos suvartojimą 100 kilometrų iki 12,5 kWh iki 4680 baterijų ir nuo ląstelių-chassis (CTC) technologijos. Priešingai, vandenilio kuro elementai padarė proveržį sunkiųjų transportavime. Suplanuotas Kinijos „vandenilio energijos koridorius“ apims tokius regionus kaip Pekino-Tianjin-Hebei sritis ir Jangdzės upės delta, sumažindama kryžminių provincinių transportavimo išlaidas vandenilio varomosioms sunkiųjų sunkvežimiams 30%, palyginti su dyzelinu.
Energijos kaupimo sektoriuje atsiranda technologinės integracijos tendencija. CATL „vandenilio-ličio hibridinės saugojimo“ sistema sumažina bendrąsias sąnaudas 40%, naudodama ličio baterijas, kad būtų galima reguliuoti momentinę galią ir vandenilio kuro elementus ilgalaikiam energijos kaupimui. Ši bendradarbiavimo naujovė buvo patvirtinta „Zhangjiakou“ žiemos olimpinėse žaidynėse, kur 10 MW vandenilio energijos kaupimo jėgainė ir ličio akumuliatoriaus energijos kaupimo stotis sudarė hibridinę sistemą, pasiekdama papildomą našumą su antro lygio atsakymu ir kasdienio lygio energijos kaupimu.
V. Ateities perspektyvos, kurias lemia technologinė iteracija ir politika
PEM elektrolizatorių energijos suvartojimas vandenilio gamybai sumažėjo iki 4 kWh/nm³, o fotoelektrinės vandenilio gamybos sąnaudos Ningxia artėja prie anglių pagrindu pagaminto vandenilio. „Toyota“ ir „BMW“ kartu sukūrė ketvirtosios kartos kuro elementų sistemą, sumažindami „Platinum Catalyst“ naudojimą 90% ir sumažina išlaidas iki 1, 000 JAV dolerių už kilovatą. Ličio akumuliatorių sektoriuje masinės kietojo kūno baterijų gamybos laiko tarpas buvo padidintas iki 2027 m. „BYD“ „Haishi 07 EV“, aprūpintas ličio mangano geležies fosfato baterijomis, pagerino žemos temperatūros diapazono sulaikymą iki 85%.
Politikos lygmeniu Europos Sąjunga įpareigoja iki 2030 m. Geležinkelio dekarbonizacijos procentą, viršijantį 50%, o Kinija įtraukė vandenilio energiją į „naują energijos transporto skatinimo katalogą“. Prognozuojama, kad iki 2040 m. Vandenilio energija sudarys 23% terminalo energijos poreikio, o ličio baterijos apims 45% mobiliųjų kelionių rinkos. Ši dvigubos kelio energijos strategija leidžia tokiems modeliams kaip „Hyundai Nexo“ pasiekti 900- kilometrų važiavimo diapazoną per vandenilio elektrinę dvigubą sistemą, o CATL ir „Honda“ kartu sukūrė „akumuliatoriaus keitimo + vandenilio energijos“ sprendimą, kad būtų užtikrintas lankstus sunkiems sunkvežimiams.
Išvada: simbiotinio sambūvio kelias į energijos revoliuciją
Vandenilio kuro elementų ir ličio baterijų konkurencija iš esmės yra rafinuotas darbo jėgos padalijimas technologiniuose scenarijuose. Ličio baterijos, turinčios savo pranašumų, sąnaudų, efektyvumo ir infrastruktūros, yra nepakeičiamos trumpų kelionių ir nešiojamųjų įrenginių programose. Vandenilio kuro elementai, turintys energijos tankio, važiavimo diapazono ir pramoninės dekarbonizacijos potencialo, yra būsimas sunkiųjų transportavimo ir stacionarios energijos kaupimo kryptis. Kaip numatyta Europos Sąjungos „dvigubo kelio energijos strategijoje“, šioje technologinėje revoliucijoje nėra vieno nugalėtojo. Tik dėl materialinių naujovių, sistemos integracijos ir politikos koordinavimo gali būti įgyvendintas energijos perėjimas pagal 2060 m. Anglies neutralumo tikslą. CATL „vandenilio-ličio hibridinės saugojimo“ sistemos technologinė praktika ir „Toyota“ „Vandenilio-elektrinė dviguba sistema“ jau apšvietė energijos revoliucijos, kuria naudojama energetinė revoliucija, ekologiškoje ateityje, kuriai būdingas vandenilio ir ličio bendradarbiavimas ir įvairovė.
