Водородные топливные элементы и литиевые батареи

Для каждой успешной энергетической революции в истории человечества существовала четкая основная логическая линия, которая заключалась в том, что произошел скачок плотности энергии на порядок. Например, уголь в 160 раз дороже древесины, а нефть вдвое дороже. Только когда новая энергия будет иметь преимущество сокрушительной плотности энергии, она сможет подорвать идеальную базовую сеть и промышленные вспомогательные средства, созданные долгосрочным развитием традиционной энергетики, и обратить вспять ее огромную инерцию в использовании. Это похоже на принцип 10-кратной скорости, предложенный Grove, основателем Intel, в области информационных технологий. Новая технология, которую можно успешно ниспровергнуть, когда она появляется, по сути загорается и подавляет. Например, бензиновые автомобили появились на 20 лет позже электромобилей, и ранние технологии также были более незрелыми, но с преимуществом высокой плотности энергии они заменили электромобили, как разрушительные.

Анализ водородных топливных элементов и литиевых батарей

В последние десятилетия страны активно продвигают электромобили, но доля электромобилей все еще очень мала, менее 1%. Даже последнее поколение литиевых аккумуляторов автомобиля, экстремальное значение плотности энергии составляет всего 1/40 от бензина, промышленность не спешила появляться в 10 раз быстрее скорости улучшения. Но топливные элементы все изменили. Его водород в качестве сырья, основная плотность энергии в три раза выше, чем у бензина, эффективность работы двигателя в два раза выше, чем у двигателя внутреннего сгорания, фактическая плотность в шесть раз выше, чем у бензина, преимущества очевидны. И энергия из последних ста лет эволюции человека, ее суть - это история корректировки соотношения углеводородов, чем выше содержание водорода, тем выше плотность энергии, будущее от углеродной энергии к водородной энергии - это тенденция The Times, поэтому Водородные топливные элементы более отражают историческое направление развития и, как ожидается, станут основой следующего поколения энергии.

Характеристики автомобиля в основном включают выносливость, время зарядки / водородной зарядки, выходную мощность и безопасность и т. Д. Плотность энергии топливного элемента намного выше, чем у литиевой батареи, соответствующая емкость аккумулятора, емкость быстрой зарядки и запас хода имеют естественные преимущества даже по сравнению с лучшим автомобилем класса люкс. Литиевая батарея Tesla также является существенным преимуществом. Но его удельная мощность невысока, максимальная выходная мощность зависит от системы вспомогательной аккумуляторной батареи, соответствующей максимальной скорости и индекса ускорения на 100 км, а литиевая батарея не отличается. Чтобы облегчить сравнение, мы выбираем в качестве эталона для анализа текущий основной бензиновый бензиновый автомобиль объемом 2 л, соответствующий автомобилю с литиевой батареей с углом наклона 45 градусов и выходной мощностью 100 кВт автомобиля на топливных элементах.

Сравнение плотности энергии

Литиевая батарея представляет собой замкнутую систему. Аккумулятор является только носителем энергии, и он может работать только после предварительной зарядки. Его плотность энергии зависит от плотности энергии материала электрода. Поскольку текущая плотность энергии анодных материалов намного выше, чем у анодных материалов, увеличение плотности энергии требует непрерывного улучшения анодных материалов, таких как свинцово-кислотные, никелевые и литиевые батареи. Но литий уже является самым маленьким металлическим элементом с точки зрения атомной массы. Лучшим анодным материалом, чем литий-ионный, является чисто литиевый электрод в теории, но его плотность энергии на самом деле составляет лишь четверть от плотности бензина, и его чрезвычайно трудно коммерциализировать, и он не сможет пробиться через десятилетия. Следовательно, повышение плотности энергии литиевой батареи связано с теоретическим узким местом, а пространство очень ограничено, то есть от текущих 160 Вт / кг до 300 Вт / кг максимум, даже если оно достигает только 1/120 от топливный элемент, можно сказать, стоит на старте.

Сравнение объемной плотности энергии

Основным недостатком сырого водорода в топливных элементах является его малый объем и удельная энергия. Согласно нынешней модели наддува в 700 атмосфер, его объемная плотность энергии составляет 1/3 от плотности бензина. Бак для хранения водорода топливного элемента имеет объем 100 л и вес 30 кг, что соответствует 30 л в топливном баке бензинового автомобиля. Однако двигатель на 80 л меньше двигателя внутреннего сгорания, и общая разница в объеме незначительна. Литиевый аккумулятор автомобиля разделен на три юаня и фосфат лития-железа два основных технологических маршрута, представительские предприятия для Tesla и Byd. Плотность тройной энергии выше, но безопасность низкая, что требует вспомогательных средств защиты. На 300 км требуются два типа батарей: объемом 140 и 220 л и весом 0,4 и 0,6 тонны, что намного больше, чем у топливных элементов. Забегая вперед, можно сказать, что если сплавы для хранения водорода и криогенные технологии хранения жидкого водорода станут прорывом, объем топливных элементов и плотность энергии увеличатся в 1,5 и 2 раза соответственно, а преимущества станут более очевидными.

Сравнение плотности мощности

По сути, топливный элемент можно понимать как химическую систему выработки энергии с водородом в качестве сырья, поэтому выходная мощность является относительно стабильной. Чтобы максимизировать мощность разряда, необходимо добавить систему аккумуляторных батарей. Например, Toyota Mirai - это поддерживающий аккумулятор нимх. Однако в открытой энергосистеме энергия поступает от внешнего источника. Добавление аккумуляторной батареи nimh не требует учета проблемы накопления энергии. При температуре 5-8 градусов он может удовлетворить спрос и имеет низкие требования к времени автономной работы. Хотя теоретическая эффективность разряда литиевой батареи очень высока, но, чтобы не повредить срок службы батареи, использование многих ограничений. В случае полной зарядки не может быть большой разрядки, быстрая разрядка применяется только к 0-80% диапазона. Даже в этом случае срок службы батареи в лаборатории будет сокращен всего до 600 раз при разряде с умножителем 5C, а в реальных рабочих условиях - до 400 раз. Например, даже при том, что максимальная мощность Telsa может достигать 310 кВт, фактический множитель разряда составляет всего 4С. Более того, в качестве замкнутой системы накопления энергии с низкой плотностью энергии литиевую батарею трудно обеспечить совместимостью с разрядкой высокой мощности и большим радиусом действия, если только вес батареи не будет значительно увеличен. Несмотря на то, что Tesla ИСПОЛЬЗУЕТ лучшую тройную батарею с самой высокой плотностью энергии, ее компоненты батареи весят почти полтонны.

Сравнение безопасности

В дополнение к вышеуказанным показателям безопасность, несомненно, также очень важна для автомобилей. Как замкнутая энергетическая система, литиевая батарея трудно совместима с высокой плотностью энергии и в принципе безопасна, в противном случае она эквивалентна бомбе. Следовательно, в текущем основном процессе фосфат лития-железа с низкой плотностью энергии является относительно безопасным. Аккумулятор не начинает разлагаться, пока температура аккумулятора не достигнет 500-600 градусов, что в принципе не требует слишком большого количества вспомогательных средств защиты. Тройная батарея, используемая Telsa, имеет высокую плотность энергии, но не устойчива к высоким температурам. Он разлагается при температуре 250-350 градусов и имеет низкую безопасность. Решение состоит в том, чтобы подключить более 7000 батарей параллельно, что резко снижает риск утечки или взрыва одной батареи, и даже в этом случае объединить сложную систему защиты батареи. Кроме того, хотя конструкция безопасности Telsa не привела к жертвам в предыдущих авариях, на самом деле это были очень незначительные столкновения с точки зрения самих аварий, и кузов автомобиля не пострадал. Однако батарея загорелась, что также отразилось на ее естественных недостатках с точки зрения безопасности.

Поскольку водород легко воспламеняется и взрывоопасен, безопасность топливных элементов вызывает серьезные опасения. Но согласно данным в таблице ниже, по сравнению с паром бензина и природным газом, двумя распространенными горючими газами для автомобилей, водород не хуже или даже немного лучше. Сегодняшние накопители водорода в автомобилях сделаны из углеродного волокна и могут выдержать краш-тест на скорости 80 км / ч под разными углами. Даже если авария приводит к утечке, водородные взрывы из-за необходимой высокой концентрации обычно начинают гореть до взрыва, но взорваться трудно. А водород легкий, водород системы перелива будет быстро подниматься после пожара, но в определенной степени для защиты кузова автомобиля и пассажиров. Бензин жидкий, литиевая батарея твердая, в атмосфере трудно подняться, горение происходит в днище кабины машины, вся машина быстро возгорает ломом. Линия хранения и транспортировки водорода на самом деле очень похожа на СПГ, но требует большего давления. По мере продвижения коммерциализации его общая безопасность поддается контролю.

Стоимость аккумуляторного автомобиля в основном делится на стоимость транспортного средства, стоимость сырья и вспомогательные расходы. В настоящее время топливные элементы в основном критикуют за их высокую стоимость. Однако с точки зрения развития, с развитием технологий и улучшением коммерциализации есть много возможностей для снижения затрат. Учитывая стоимость расширения энергосистемы, полная стоимость поддержки литиевых батарей на самом деле выше, чем у топливных элементов. Конкретный расчет выглядит следующим образом:

Сравнение стоимости автомобиля

Разница в стоимости между литиевой батареей, топливным элементом и традиционным бензиновым автомобилем в основном отражается в стоимости двигателя, в то время как другие компоненты не слишком отличаются. Стоимость двигателя 2-литрового бензинового автомобиля составляет около 30 000 юаней, и в будущем трудно что-либо изменить. Стоимость киловатт-часа существующей литиевой батареи составляет 1200 юаней / кВтч, которая, как ожидается, будет снижена до 1000 юаней / кВтч в будущем. Стоимость аккумулятора 45-градусного электромобиля составляет 45 000 юаней. Стоимость топливного элемента в основном состоит из аккумуляторной батареи и резервуара для хранения водорода под высоким давлением. Сейчас стоимость 100-киловаттного аккумуляторного блока составляет 100 000 юаней. Прогнозируется, что после годового производства 500 000 комплектов стоимость единицы будет снижена до 30 долларов / кВт, а именно до 20 000 юаней. Существующий резервуар для хранения водорода стоит 60 000 юаней, который, как ожидается, в будущем будет снижен до 35 000 юаней, а общая стоимость составит 55 000 юаней. В конечном итоге стоимость трех систем питания не сильно различается, поэтому стоимость автомобиля не является основной проблемой.

Сравнение стоимости сырья

Бензиновый автомобиль объемом 2 литра потребляет 10 литров топлива на 100 километров пути. Цена бензина составляет 5,8 юаней за литр, а стоимость - 58 юаней. Потребляемая мощность автомобиля с литиевой батареей на 100 км составляет 17 градусов, 0,65 юаня / кВтч, а стоимость - 11 юаней. Топливные элементы потребляют 9 кубометров водорода на 100 километров. Способы производства водорода в основном делятся на электролиз воды или химические реакции, такие как уголь в водород и природный газ в водород. Стоимость электролиза воды - это в основном электроэнергия, в среднем 5 кВт / ч и 1 кубический метр водорода. Стоимость составляет около 3,8 юаней / кубометр, но он может быть подвергнут прямому электролизу на станции гидрирования, что позволяет сэкономить на транспортных расходах. Если будет принято крупномасштабное и централизованное производство ископаемой энергии, самые низкие затраты в Китае будут заключаться в производстве водорода из угля, что составляет около 1,4 юаня за квадратный метр, в то время как дешевый природный газ в Северной Америке можно использовать по цене 0,9 юаня за квадратный метр. метр. Если мы примем за стандарт стоимость преобразования угля в газ, то стоимость сырья на 100 километров составит 12,6 юаней, что не сильно отличается от литиевой батареи.

Сравнение стоимости сопоставления

Затраты на заправочные станции, заправочные станции и зарядные станции в основном делятся на затраты на землю, затраты на оборудование и затраты на строительство, а разница в основном отражается в затратах на оборудование. Стоимость заправочной станции в основном составляет 3 миллиона юаней, зарядная станция - 4,3 миллиона юаней, заправочная станция оценивается в 15 миллионов юаней в соответствии с действующим японским стандартом, а общая стоимость заправочной станции примерно на 10 миллионов юаней выше. Согласно 15-летней амортизации годовой объем продаж составляет 10 миллионов кубических метров, поэтому амортизационная стоимость составляет 0,1 юаня / кубический метр. В небольших масштабах водород обычно перевозится автоцистернами, а расчетная стоимость фрахта составляет 0,44 юаня / квадратный метр. После расширения масштабов его можно будет транспортировать по трубопроводной сети, а стоимость снизится до 0,23 юаня / квадратный метр.

Хотя литиевые батареи в настоящее время полагаются на стандартные сетевые системы, стоимость их поддержки невысока. Но если масштабное расширение, существующая избыточность мощности сети будет в основном исчерпана, необходимо масштабное расширение в будущем. Таким образом, зарядная станция по существу переносит вспомогательные расходы на энергосистему. Поэтому при расчете стоимости всей производственной цепочки необходимо добавить стоимость электросети. Как правило, коммерческая эксплуатация зарядных станций должна соответствовать стандарту быстрой зарядки в течение одного часа, а мощность каждой зарядной станции, состоящей из 10 зарядных блоков, должна достигать 600 киловатт, что эквивалентно энергетической нагрузке сотен домашних хозяйств. большое влияние на нагрузку электросети. Соответствующая электросеть требует дополнительных инвестиций в размере 1,2 миллиона юаней для увеличения нагрузки, но годовой прирост продаж электроэнергии составляет всего 930 000 кВтч. Согласно расчету закупочной стоимости 0,65 юаня / кВтч и окупаемости инвестиций по окончании электросети через 15 лет, отпускная цена вырастет на 0,18 юаня / кВтч в зависимости от стоимости.

Измерение затрат со стороны продаж

Сеть продаж заправочных станций очень развита, и уровень прибыли в час можно использовать в качестве ориентира для расчета разумной рентабельности заправочных станций. Разница в цене составляет 0,51 юаня за квадратный метр для водородной станции и 4,9 юаня за киловатт-час для литиевой батареи. При такой цене на электроэнергию автомобиль с литиевой батареей практически не может продвигаться. В настоящее время национальное регулирование ограничивает плату за обслуживание зарядных станций на уровне 0,4 юаня / кВт · ч, но фон таков, что они сильно субсидируются. Однако ни одна отрасль не может рассчитывать на субсидии для развития в течение длительного времени. Если в будущем эффективность зарядки литиевых аккумуляторов существенно не улучшится, рентабельность предприятия на АЗС будет значительно ниже, чем у АЗС и водородных станций. Без разумной прибыли у инвесторов нет стимула продвигать зарядные станции в больших городах, где земли в настоящее время мало, а отрасль не может развиваться естественным путем. Однако низкая удельная энергия литиевой батареи слишком мала. Если добиться высокой эффективности зарядки, инженерная проблема срока службы батареи станет огромной. Более того, даже если быстрая зарядка за 3 минуты может быть реализована, мощность одной зарядной батареи должна быть до 1200 кВт, а каждая зарядная станция должна быть оборудована подстанцией 110 кВ. Его инвестиции достигают 50 миллионов юаней, занимая площадь в 5000 квадратных метров, и около 300 метров не могут иметь жилых домов, в настоящее время прибрежные города на рабочем уровне проблемы также очень велики.

Общая стоимость

Принимая во внимание все вышеупомянутые затраты, стоимость автомобилей с бензиновым двигателем, автомобилей с литиевыми аккумуляторами и автомобилей на топливных элементах на данном этапе и после полной коммерциализации составляет 58 юаней, 83 юаня, 23 юаня и 20 юаней. Поскольку разница в цене составляет значительную часть стоимости литиевой батареи, учитывая, что затраты на зарядное оборудование сваи составляют 1/3 от стоимости заправочной станции, почасовая прибыль снижается до 1,4 юаня, а совокупная стоимость остается прежней. 37 юаней, долгосрочные преимущества транспортных средств на топливных элементах по-прежнему очевидны. Фактически, корень всего этого в том, что топливные элементы имеют самую высокую плотность энергии. При коммерциализации цена, естественно, более выгодна.

Важной логикой развития транспортных средств на новой энергии является энергосбережение и защита окружающей среды, что, несомненно, более важно для Китая. В настоящее время загрязнение воздуха в Китае является не только серьезным, но и зависит от импорта нефти до 60%, 85% которого также осуществляется через контролируемый США Малаккский пролив, энергетическая безопасность стала самой большой слабостью нашей национальной безопасности. Таким образом, государство дает огромные субсидии новым энергетическим транспортным средствам, важной причиной является снижение зависимости от импорта нефти. В следующих параграфах мы сравним эти два аспекта с точки зрения энергосбережения, защиты окружающей среды и ограниченности ресурсов следующим образом:

Сравнение энергосбережения и защиты окружающей среды

В настоящее время наиболее экономичным способом получения неочищенного водорода для топливных элементов в Китае является производство водорода из угля, а исходная энергия литиевых батарей в Китае также в основном поступает от выработки электроэнергии на угле. Следовательно, оба они, по сути, являются энергией из угля, а выбросы углерода просто передаются вверх по потоку. Следовательно, будет ли достигнута экономия энергии, в основном зависит от эффективности преобразования энергии. В настоящее время автомобиль с литиевой батареей потребляет 17 градусов электроэнергии на 100 километров, что соответствует 6,8 килограммам угля. Топливный элемент потребляет 9 кубометров водорода на 100 километров с потерей 20% в звене хранения и транспортировки, что соответствует 7,3 кг угля. Бензиновый автомобиль потребляет 10 литров бензина на 100 км и выбрасывает 10 кг угля. Фактически, энергосберегающий эффект от новых энергетических транспортных средств не очевиден, его основная ценность заключается в потреблении первичной энергии от нефти до обильных запасов угля в Китае, чтобы облегчить проблему энергетической безопасности. С точки зрения защиты окружающей среды топливные элементы почти не имеют выбросов выхлопных газов, литиевые батареи имеют лишь небольшое количество выбросов, загрязнение всей отрасли в основном сосредоточено в верхнем течении. Но по сравнению с разрозненными выбросами выхлопных газов бензиновых транспортных средств, централизованный контроль загрязнения выше по потоку, несомненно, намного проще. В целом цепочка по производству топливных элементов имеет самый низкий уровень загрязнения, что можно рассматривать как лучшую экологически чистую энергию для транспортных средств.

Сравнение ограничений ресурсов

В катализаторах топливных элементов используется платина из драгоценных металлов, и существует широкое беспокойство по поводу нехватки ресурсов. В 2015 году общий мировой спрос на платину составил 270 тонн, а основными продуктами переработки и сбыта были катализаторы для очистки выхлопных газов автомобилей, ювелирные изделия и промышленность, на которые приходилось 44%, 34% и 22%. Mirai ИСПОЛЬЗУЕТ около 20 г платины на автомобиль, что на 10-15 г больше, чем бензиновый автомобиль. Если предположить, что на автомобили на топливных элементах приходится 5% мирового годового производства при среднем ежегодном увеличении потребления примерно на 56 тонн, это кажется большим шоком. Но при том же предположении годовой прирост потребления ресурсов лития составляет 80 000 тонн, что соответствует производству 40 000 тонн в год. Фактически, влияние еще больше, о чем свидетельствует стремительный рост цен на литиевую руду в этом году. Кроме того, среднесрочная цель оптимизации Toyota - снизить потребление платины на 75% и реализовать извлечение платины из катализатора. Если любая из вышеперечисленных целей будет достигнута, ограничение ресурсов платины будет в основном решено.

Сравнение степени коммерциализации

С точки зрения коммерциализации топливный элемент и автомобиль с литиевой батареей разделены примерно на пять лет. Они все еще находятся на пороге коммерциализации, и точка взрыва ожидается около 2020 года. В настоящее время Япония и США являются ведущими странами мира с точки зрения технологий, особенно в области легковых автомобилей. В 2015 году массовое производство Mirai практически достигло начального уровня коммерциализации. Напротив, Китай добился немногих достижений в области индустриализации топливных элементов. Только baic foton и saic motor производили автобусы на топливных элементах для Олимпийских игр 2008 года и всемирной выставки 2010 года, и они все еще находятся в стадии демонстрации технологий. Однако преимуществом Китая является его большой экономический размер, а с развитием технологий топливных элементов он может быстро наверстать упущенное.

Будущее энергетики и реструктуризация промышленности

В настоящее время вся глобальная энергия по-прежнему поступает из пограничной энергии, генерируемой солнечным ядерным синтезом, с общей выходной мощностью 1,8 * 1013. По индексу Кардашева он все еще находится в стадии планетарной цивилизации. В будущем, если мы хотим и дальше совершать прорывы, мы должны добиться управляемого ядерного синтеза. Только так мы сможем достичь начальных условий 1016-звездной цивилизации. Один килограмм изотопов водорода может генерировать сотни миллионов киловатт электроэнергии, что эквивалентно одному килограмму морской воды, эквивалентному 300 литрам бензина. Электролиз воды в водород будет чрезвычайно дешевым, управляемый ядерный синтез + водородная энергия станет окончательной комбинацией энергетической структуры. Нефть может быть полностью освобождена от низкокачественного топлива, а стоимость различного нефтяного сырья будет снижена до степени, которую можно вообразить, что также открывает бесконечные возможности для реконструкции человеческой промышленной системы в будущем. . Это будет прекрасная эпоха!

На протяжении всей истории человечества каждая энергетическая революция приводила к реструктуризации целых промышленных систем и даже к смене глобального лидерства. Первая промышленная революция сделала Британию, а вторая промышленная революция сделала Америку. Если в будущем автомобили на топливных элементах смогут полностью заменить автомобили, работающие на нефтяном топливе, вся промышленная система, поддерживающая нефть, будет подорвана, и ценность технологических преимуществ, накопленных развитыми странами в эпоху двигателей внутреннего сгорания за последние 200 лет, будет значительно снижена. , что также дает нашей стране шанс обогнать на повороте. Если мы сможем воспользоваться этой исторической возможностью, у нас есть все шансы стать лидером в создании промышленных систем следующего поколения. Япония, как первая страна, разработавшая литиевые батареи, в основном отказалась от исследований и разработок транспортных средств с литиевыми батареями и решительно атаковала топливные элементы. Логика, лежащая в основе этого, стоит глубоко задуматься.

Страница содержит содержимое машинного перевода.