У приплині нової енергетичної революції водневі паливні елементи та літієві батареї, як дві основні енергетичні технології, переробляють енергетичний ландшафт через чіткі технологічні шляхи. Водневі паливні елементи досягають перетворення енергії нульової викиду за допомогою електрохімічних реакцій у мембранах протонового обміну, тоді як літієві батареї покладаються на інтеркаляцію та зневантаження іонів літію між позитивними та негативними електродами для зберігання енергії. За цим технологічним змаганням лежить багатовимірна диференційована конкуренція з точки зору щільності енергії, ефективності конверсії, інфраструктури, економічної ефективності тощо. Сумісність їх технологічних характеристик із сценаріями застосування визначає їх додатковий та симбіотичний зв’язок в епоху нейтралітету вуглецю.
I. Основні відмінності в технологічних принципах та параметрах продуктивності
Мембранні паливні елементи протонового обміну (PEMFC), тип водневих паливних елементів, виробляють електроенергію через хімічні реакції водню-кисню. Їх основні переваги полягають у щільності енергії та низькотемпературній пристосованості. Візьміть як приклад Toyota Mirai Fuel Cell; Її щільність енергії системи досягає 33,6 кВт\/год\/кг, в 168 разів перевищує літієві батареї. Одне заправка водню за три хвилини дозволяє 800- кілометрові руху. Ця характеристика робить його дуже придатним для таких застосувань, як 4,4 МВт тягова сила водневого локомотива канадської тихоокеанської залізниці (CPKC), де витрати на споживання енергії на 42% нижчі, ніж у дизеля, а утримання продуктивності перевищує 95% навіть у надзвичайно холодних умовах (-30 градусів).
З іншого боку, літієві батареї досягають заряду та розряду через міграцію іонів літію між позитивними та негативними електродами. Сучасна Amperex Technology Co., Limited (CATL) Дослідження та розробка твердотільних акумуляторних технологій підвищили щільність енергії до 500 Вт\/кг. Однак, обмежені хімічними властивостями іонів літію, їх низькотемпературна продуктивність (розпад потужностей на 40% при -10 градус) та щільність енергії все ще не вистачає водневих паливних елементів.
Що стосується ефективності перетворення, літієві батареї, як пристрої для прямого зберігання енергії, мають ефективність перетворення енергії до 90%. На відміну від цього, водневі паливні елементи проходять процес вторинної конверсії "електроенергетичної електроенергії", що призводить до ефективності повної ланцюга лише 35%-45%. Ця невідповідність ефективності особливо очевидна в секторі пасажирських транспортних засобів. Supercharger V4 Tesla може досягти швидкості підзарядки "200 кілометрів за 5 хвилин", тоді як автомобіль Hyundai Nexo водневого палива, незважаючи на 3- хвилину заправки водню, що дозволяє 800- кілометра, досягає лише однієї третини полиці на км. Ці технологічні характеристики диктують, що водневі паливні елементи є більш підходящими для важких транспортних та стаціонарних сценаріїв зберігання енергії, тоді як літієві батареї домінують над програмами подорожей та портативними пристроями.
Ii. Структурні суперечності в інфраструктурі та економічній ефективності
Глобальна кількість зарядних палі перевершила 18 мільйонів, а Китай становив 6,6 мільйона одиниць. На відміну від цього, кількість станцій заправки водню становить менше 400. Цей значний розрив в інфраструктурі безпосередньо призводить до обмеженого проникнення ринку транспортних засобів водневих паливних елементів, що залишається нижче 1%, незважаючи на здатність домогтися 180- денного міжсезонного зберігання енергії 8% в проектах, таких як Zhangjiakou Wind-HyDrogentive-Vydogen. Це обмеження обумовлено розрідженою мережею заправки водню.
На відміну від цього, літієві батареї стали свідками зниження ціни на пакетів акумуляторів літію заліза до 0. 5 юан\/шт. Технологія акумуляторів BYD, завдяки структурним інноваціям, збільшила використання обсягу на 50%, що дозволило електромобілям за ціною 200, 000 Юань досягти діапазону водіння, що перевищує 700 кілометрів.
Суперечність витрат також проявляється в автономії ресурсів. Китайська літієва ресурсна залежність від імпорту перевищує 70%, тоді як рівень автономії енергії водню досягає 98%. Ця різниця ресурсів надає водневим паливним елементам природну перевагу в перехресному регіональному транспорті, як це було продемонстровано при побудові станцій заправки водню, що супроводжують трубопровід "Західного водню на схід". Хоча вартість системи паливних елементів Toyota Mirai знизилася з 50, 000 доларів США до 18, 000 доларів США, що вказує на початкову появу економії масштабу, поточна вартість виробництва зеленого водню (35 юанів\/кг) залишається в 2,3 рази більше, ніж віджимання, що обмежує його велику комерціалізацію.
Iii. Подвійні міркування щодо безпеки та екологічних характеристик
Безпека ризики водневих паливних елементів в першу чергу зосереджуються навколо зберігання та транспортування водню. Незважаючи на здатність мембрани протонової обмінної мембрани запобігти прямому перенесенню електронів, високогмінний та вибухонебезпечний характер водню все ще вимагає спеціальних захисних заходів. Канадські локомотиви водню приймають двошарові резервуари для зберігання водню та датчики тиску, щоб контролювати ймовірність витоку нижче одного в мільйоні.
Навпаки, небезпеки безпеки літієвих батарей в основному випливають із теплового втікача. "Нерозгорнута" акумуляторна технологія CATL за допомогою електролітових добавок та сепараторних покриттів підвищила термічну температуру тригера втікають до 180 градусів.
Що стосується екологічних характеристик, водневі паливні елементи можуть досягти нульової емісії протягом усього життєвого циклу, якщо для виробництва водню використовується відновлювана енергія. Проект живлення вітру в Чжанджакоу зменшує викиди вуглекислого газу на 120, 000 тонн щорічно. Однак сірий водень (вироблений з викопного палива) має інтенсивність викидів вуглецю, що перевищує інтенсивність бензину. Виробництво акумуляторів літію генерує 15 тонн викидів вуглецю на тонну карбонату літію, а видобуток важких металів, таких як кобальт та нікель створюють екологічні ризики. Тим не менш, технологія виробництва валів на основі водню на основі водню зменшує викиди вуглецю на тонну сталі на 50% за рахунок зменшення водню залізної руди, демонструючи унікальне значення водневих паливних елементів у промислової декарбонізації.
Iv. Вдосконалений відділ робочої сили та спільних інновацій у сценаріях додатків
У секторі пасажирських транспортних засобів літієві батареї домінують з 90% часткою ринку через погашення мереж зарядки. Tesla Model 3 зменшує споживання енергії на 100 кілометрів до 12,5 кВт · год через 4680 батарей та технології клітин до Chassis (CTC). На відміну від цього, водневі паливні елементи здійснили прориви при важкому транспорті. Запланований Китай "енергетичний коридор водню" охоплюватиме такі регіони, як район Пекін-Тяньцзін-Хебей та дельта річки Янцзи, зменшуючи міжпрофінгіальні транспортні витрати на важкі вантажні автомобілі на 30% порівняно з дизелем.
У секторі зберігання енергії виникає тенденція технологічної інтеграції. Система "Гібридного зберігання водню-літієвих гібридів" CATL зменшує загальні витрати на 40% за допомогою літієвих акумуляторів для регулювання миттєвої потужності та водневих паливних елементів для тривалого зберігання енергії. Ця спільна інновація була затверджена під час зимових Олімпійських ігор Zhangjiakou, де електростанція для зберігання енергії на 10 МВт та станція зберігання енергії літій акумулятора утворила гібридну систему, досягаючи додаткових показників із реагуванням на другий рівень та щоденного зберігання енергії.
V. Майбутні перспективи, керовані технологічною ітерацією та політикою
Енергетичне споживання електролізерів PEM для виробництва водню знизилося до 4 кВт · год\/нм³, а вартість фотоелектричного виробництва водню в Нінгсі наближається до водню на основі вугілля. Toyota та BMW спільно розробили систему паливних елементів четвертого покоління, зменшуючи використання каталізатора платинової каталізатора на 90% і скорочуючи витрати до 1, 000 долар США за кіловат. У літієвому акумуляторному батареї часова шкала виробництва для твердотільних акумуляторів була просунута до 2027 року. BYD's Haishi 07 EV, оснащений акумуляторами фосфатів заліза літію, покращила утримання діапазону низького температури до 85%.
На рівні політики Європейський Союз передбачає рівень декарбонізації залізниць до 2030 року, а Китай включив енергію водню в "новий каталог просування енергетичного транспорту". Прогнозується, що до 2040 року енергія водню становитиме 23% попиту на енергію терміналу, тоді як літієві батареї покриють 45% мобільного ринку подорожей. Ця енергетична стратегія з подвійною треккою дозволяє таким моделям, як Hyundai Nexo досягти 900- кілометрового діапазону через діапазон водне-електричної подвійної системи, а CATL та Honda спільно розробили рішення "Swalking + воднева енергія", щоб забезпечити гнучке поповнення енергії для важких вантажівок.
Висновок: Шлях симбіотичного співіснування в енергетичній революції
Конкуренція між водневими паливними елементами та літієвими батареями по суті є вишуканим поділом праці в технологічних сценаріях. Літієві батареї, які мають переваги вартості, ефективності та інфраструктури, є незамінними у додатках для подорожей на короткі відстані та портативних пристроях. Водневі паливні елементи, що мають потенціал в щільності енергії, дальності водіння та промислової декарбонізації, являють собою майбутній напрямок для важкого транспортування та стаціонарного зберігання енергії. Як передбачено в "Двошановій енергетичній стратегії Європейського Союзу", в цій технологічній революції немає жодного переможця. Тільки завдяки матеріальній інновації, інтеграції системи та координації політики енергетичний перехід згідно з метою нейтральності вуглецю 2060 року. Технологічні практики системи "Гібрид зберігання водню-літію" CATL "та" Воднево-електрична подвійна система "Toyota вже освітлили світанок енергетичної революції в зеленому майбутньому, що характеризується співпрацею та різноманітністю водню-літію.
