В приливите на новата енергийна революция водородните горивни клетки и литиевите батерии, като две основни технологии за захранване, преобразуват енергийния пейзаж чрез различни технологични пътища. Водородни горивни клетки постигат конверсия на енергия с нулева емисия чрез електрохимични реакции в мембраните на протонния обмен, докато литиевите батерии разчитат на интеркалирането и деинтеркалацията на литиевите йони между положителни и отрицателни електроди за съхранение на енергия. Зад този технологичен конкурс се крие многоизмерна диференцирана конкуренция по отношение на енергийната плътност, ефективността на конверсията, инфраструктурата, ефективността на разходите и други. Съвместимостта на техните технологични характеристики с сценарии на приложение определя тяхната допълнителна и симбиотична връзка в ерата на въглеродния неутралитет.
I. Основни различия в технологичните принципи и параметрите на ефективността
Мембраната на мембраната на протонната мембрана (PEMFCS), вида на водородните горивни клетки, генерират електричество чрез химични реакции на водород-кислород. Основните им предимства се крият в енергийната плътност и адаптивността на ниската температура. Вземете за пример превозното средство за горивни клетки на Toyota Mirai; Неговата енергийна плътност на системата достига 33,6 kWh\/kg, 168 пъти по -голяма от тази на литиевите батерии. Единично зареждане с водород за три минути дава възможност за шофиране 800-. Тази характеристика го прави много подходящ за приложения като 4,4 MW сила на сцепление на водородния локомотив на канадската тихоокеанска железопътна линия (CPKC), където разходите за потребление на енергия са с 42% по -ниски от тези на дизела, а задържането на производителност надвишава 95% дори в изключително студени среди (-30 градус).
От друга страна, литиевите батерии постигат заряд и изхвърляне чрез миграция на литиеви йони между положителни и отрицателни електроди. Съвременната Amperex Technology Co., Limited (CATL) Изследванията и развитието на технологията на батерията с твърдо състояние имат повишена енергийна плътност до 500 wh\/kg. Въпреки това, ограничени от химичните свойства на литиевите йони, техните нискотемпературни характеристики (разпадане на капацитета от 40% при -10 градус) и енергийната плътност все още не достигат от водородните горивни клетки.
По отношение на ефективността на преобразуване, литиевите батерии, тъй като устройствата за директно съхранение на енергия се гордеят с ефективността на преобразуване на енергия до 90%. За разлика от това, водородните горивни клетки претърпяват вторичен процес на конверсия на "електричество-хидроген-електротехност", което води до ефективност на пълна верига от само 35%-45%. Това несъответствие на ефективността е особено очевидно в сектора на пътническите превозни средства. V4 Supercharger на Tesla може да постигне скорост на презареждане от "200 километра за 5 минути", докато Hyundai Nexo водородна горивна клетъчна клетка, въпреки 3- минутното зареждане на водород, което позволява 800- километров диапазон, само постига една трета от мили от мили от kWh в сравнение с литиум батери. Тези технологични характеристики диктуват, че водородните горивни клетки са по-подходящи за тежкотоварни сценарии за транспортиране и стационарно съхранение на енергия, докато литиевите батерии доминират при приложения за пътуване и преносими устройства.
II. Структурни противоречия в инфраструктурата и ефективността на разходите
Глобалният брой на зареждащите купчини надмина 18 милиона, като Китай представлява 6,6 милиона бройки. За разлика от това, броят на станциите за зареждане на водородни е по-малко от 400. Тази значителна пропаст в инфраструктурата директно води до ограниченото проникване на пазара на превозни средства с водородни горивни клетки, която остава под 1%, въпреки способността за постигане на 180- дневно междусезонно съхранение на енергия с 8% загуба в проекти като проектите на Zhangjiakou Wind-Hydrogen. Това ограничение се дължи на рядката мрежа за зареждане с водород.
За разлика от тях, литиевите батерии са свидетели на спад в цената на литиевите железни фосфатни батерии до 0. 5 юана\/wh. Технологията на батерията на BLADE на BYD, чрез структурни иновации, увеличи обема на обема с 50%, което позволява на електрическите превозни средства на цена от 200, 000 юан за постигане на диапазон на шофиране над 700 километра.
Противоречието на разходите също се проявява в автономността на ресурсите. Китайската литиева ресурсна зависимост от вноса надвишава 70%, докато степента на автономия на енергийния ресурс на водородните енергийни ресурси достига 98%. Тази разлика в дарението на ресурсите дава на водородните горивни клетки естествено предимство при междурегионалния транспорт, както е показано при изграждането на станции за зареждане на водород, придружаващи тръбопровода „Западен водород на изток“. Въпреки че цената на горивната клетъчна система на Toyota Mirai е спаднала от 50, 000 щатски долари до 18, 000 щатски долари, което показва първоначалното появяване на икономии от мащаба, текущата цена на производството на зелен водород (35 юана\/kg) остава 2,3 пъти по-голяма от тази на дизела, като ограничава мащабната си комерсиализация.
Iii. Двойни съображения за рисковете за безопасност и характеристиките на околната среда
Рисковете за безопасност от водородни горивни клетки предимно се центрират около съхранението и транспортирането на водород. Въпреки способността на мембраната за обмен на протон да предотвратява директния пренос на електрон, силно запалим и експлозивен характер на водорода все още налага специални защитни мерки. Канадските водородни локомотиви приемат двуслойни резервоари за съхранение на водород и сензори за налягане, за да контролират вероятността за изтичане под един на милион.
За разлика от тях, опасностите за безопасност на литиевите батерии произтичат главно от термично бягство. "Несъмряемата" технология на батерията на CATL, чрез електролитни добавки и покрития за сепаратор, повиши температурата на термичния удар до 180 градуса.
По отношение на характеристиките на околната среда, водородни горивни клетки могат да постигнат нулеви емисии през целия си жизнен цикъл, ако възобновяемата енергия се използва за производство на водород. Проектът за вятърна енергия на Zhangjiakou до хидроген намалява емисиите на въглероден диоксид с 120, 000 тона годишно. Въпреки това, сивият водород (произведен от изкопаеми горива) има интензитет на емисиите на въглерод, надвишаващ този на бензина. Производството на литиеви батерии генерира 15 тона въглеродни емисии на тон литиев карбонат, а добивът на тежки метали като кобалт и никел представлява рискове за околната среда. Независимо от това, технологията за желязо на базата на водородна основа на базата на базата на Baosteel намалява въглеродните емисии на тон стомана с 50% чрез намаляване на водорода на желязна руда, показвайки уникалната стойност на водородните горивни клетки в индустриалната декарбонизация.
IV. Изискано разделение на труда и съвместните иновации в сценариите на приложение
В сектора на пътническите превозни средства литиевите батерии доминират с 90% пазарен дял поради падежа на мрежите за зареждане. Tesla Model 3 намалява консумацията на енергия на 100 километра до 12,5 kWh чрез 4680 батерии и технология от клетки до час (CTC). За разлика от тях, водородни горивни клетки са направили пробив в тежкотоварния транспорт. Планираният „водороден енергиен коридор“ в Китай ще обхваща региони като района на Пекин-Тиендзин-Хебей и делтата на река Яндзъ, намалявайки разходи за междупроводни транспорт за тежки камиони с водород с 30% в сравнение с дизела.
В сектора за съхранение на енергия се очертава тенденция на технологична интеграция. Системата „Хибридно съхранение на водород-литиев хибрид“ на CATL намалява общите разходи с 40%, като използва литиеви батерии за регулиране на мигновените клетки на мощността и водородното гориво за дългосрочно съхранение на енергия. Тази съвместна иновация е валидирана по време на зимните олимпийски игри в Джанджаку, където 10 MW електроцентрала за съхранение на водородна енергия и литиева станция за съхранение на енергия образуват хибридна система, постигайки допълващи се ефективни характеристики с реакция на второ ниво и ежедневно съхранение на енергия.
V. Бъдещи перспективи, водени от технологична итерация и политика
Консумацията на енергия на PEM електролизатори за производство на водород е спаднала до 4 kWh\/nm³, а цената на производството на фотоволтаично водород при Нингксия се приближава до тази на водорода на въглища. Toyota и BMW са разработили съвместно системата за горивни клетки от четвърто поколение, намалявайки използването на платинен катализатор с 90% и намалявайки разходите до 1, 000 щатски долари на киловат. В сектора на литиевите батерии времевата линия за масово производство за батерии от твърдо състояние е напреднала до 2027 г. Haishi 07 EV на BYD, оборудвана с литиево манганско железни фосфатни батерии, подобри задържането на нискотемпературен обхват до 85%.
На ниво политика Европейският съюз налага процента на декарбонизация на железопътната линия над 50% до 2030 г., а Китай включва водородна енергия в „Новия каталог за промоция на енергийния транспорт“. Предвижда се, че до 2040 г. водородна енергия ще представлява 23% от терминалното търсене на енергия, докато литиевите батерии ще покрият 45% от пазара на мобилни пътувания. Тази енергийна стратегия с двойна песен позволява на модели като Hyundai Nexo да постигне 900- километров диапазон на шофиране през водородно-електрическа двойна система, а CATL и Honda съвместно са разработили решение за "размяна на батерията + водородна енергия", за да осигурят гъвкаво попълване на енергия за тежки камиони.
Заключение: Пътят на симбиотичното съвместно съществуване в енергийната революция
Конкуренцията между водородните горивни клетки и литиевите батерии по същество е усъвършенствано разделение на труда в технологичните сценарии. Литиевите батерии, с техните предимства в разходите, ефективността и инфраструктурата, са незаменими при приложения за пътуване на къси разстояния и преносими устройства. Водородни горивни клетки, с техния потенциал в енергийната плътност, обхвата на шофиране и индустриалната декарбонизация, представляват бъдещата посока за транспортиране на тежко натоварване и стационарно съхранение на енергия. Както предвижда в „двойната енергийна стратегия“ на Европейския съюз, в тази технологична революция няма единен победител. Само чрез материални иновации, интеграция на системата и координация на политиката може да се реализира енергийният преход по целта на въглеродния неутралитет през 2060 г. Технологичните практики на системата „водород-литиево-литиево хибридно съхранение“ и „водородно-електрическата двойна система“ вече са осветили зората на енергийната революция, която се развива в зелено бъдеще, характеризиращо се със сътрудничество и разнообразие на водород-литий.
