Водородный топливный элемент VS литий-ионный аккумулятор

Ясно, что главная задача каждой успешной энергетической инновации в истории человечества состоит в том, чтобы повысить плотность энергии. Например, энергетическая плотность угля в 160 раз выше, чем у древесины, а энергетическая плотность нефти в 2 раза выше, чем у угля. Только когда новая энергия получит подавляющее преимущество в отношении плотности энергии, она сможет обратить вспять инерционное применение традиционной энергии с давно готовой базовой сетью и промышленными вспомогательными устройствами. Основатель INTEL Гроув из ИТ придерживается принципа десятикратности. Это означает, что, как только появляется чрезвычайно новая технология, она становится непреодолимой. Например, бензиновый автомобиль был изобретен на 20 лет позже электромобиля с незрелой ранней технологией, но он по-прежнему быстро заменяет электромобиль из-за высокой плотности энергии.

Анализ водородных топливных элементов и литий-ионных аккумуляторов

В последние годы электромобили широко продвигаются во всем мире, но их доля по-прежнему составляет менее 1%, потому что раньше электромобили нарушали цель повышения плотности энергии во время инноваций. Экстремальная плотность энергии у литий-ионных аккумуляторов последнего поколения составляет всего 1/40 от плотности бензиновых. В производстве аккумуляторов трудно добиться 10-кратного прогресса. Однако топливный элемент полностью меняет это состояние. Основанный на водороде в качестве сырья, он имеет в три раза базовую плотность энергии, чем бензин, эффективность работы электромотора в два раза выше, чем у двигателя внутреннего сгорания, а его фактическая плотность в 6 раз больше, чем у бензина. Его преимущества очевидны. Исходя из истории эволюции энергетических ресурсов за последние сто лет, мы можем выяснить, что это, по сути, история модификации отношения углерода к водороду. Чем больше водорода, тем выше плотность энергии. Преобразование ресурсов из углерода в водород имеет тенденцию. Следовательно, вполне вероятно, что водородный топливный элемент станет следующей важной энергетикой.

Основными характеристиками автомобиля являются выносливость, время зарядки / водородной зарядки, выходная мощность, безопасность и т. Д. Плотность энергии топливного элемента намного выше, чем у литий-ионного аккумулятора. Топливный элемент имеет преимущества по емкости, быстрой зарядке и долговечности. Даже по сравнению с литий-ионным аккумулятором Tesla он по-прежнему имеет отличную производительность. Однако у него нет высокой удельной мощности. Максимальная выходная мощность зависит от системы вспомогательных аккумуляторных батарей. Между топливным элементом и литий-ионным аккумулятором мало разницы по максимальной скорости и показателю ускорения на километр. Для дальнейшего анализа возьмем бензиновый автомобиль с объемом газа 2 л, автомобиль с литий-ионным аккумулятором под углом 45 градусов и автомобиль на топливных элементах с выходной мощностью 100 кВт в качестве примеров ниже.

Плотность энергии

Как одна из аккумуляторных батарей, литий-ионный аккумулятор представляет собой замкнутую систему. Аккумулятор является носителем энергии, без зарядки работать не может. Его плотность энергии зависит от материалов электродов. Чтобы увеличить плотность энергии, нам необходимо обновить анодные материалы от свинцово-кислотных, никелевых до литиевых, потому что удельная энергия катодных материалов намного выше, чем у анодных материалов. Однако Li - это металлический элемент с наименьшим атомным весом. Единственный материал анода, который лучше, чем ион лития, - это литиевый электрод с плотностью энергии в 4 раза меньшей, чем у бензина. Кроме того, литиевый электрод имеет технологическую сложность при коммерциализации и практически не изготавляется в течение десятка лет. Следовательно, он может повысить плотность энергии только со 160 Втч / кг в настоящее время до 300 Втч / кг из-за теоретического узкого места. Даже когда это становится реальностью, это всего лишь 1/120 топливного элемента. Сначала это обречено на провал.

Объемная плотность энергии

Основным недостатком водородного материала топливного элемента является отсутствие большой объемной плотности энергии. В настоящее время этот вопрос, как правило, решается повышением давления. По режиму давления 700 барометрических давлений его объемная удельная энергия составляет 1/3 бензина. Что касается пробега на 300 км, то объем водородного бака топливного элемента составляет 100 л, вес - 30 кг, эквивалентный топливный бак бензинового автомобиля - 30 л. К счастью, объем электромотора на 80 л меньше, чем у двигателя внутреннего сгорания, поэтому общий объем у них такой же. Существует два основных технологических метода получения тройного фосфата лития и фосфата лития-железа в транспортных средствах с литий-ионными аккумуляторами. Представителями являются Tesla и BYD. Ternary имеет более высокую плотность энергии, но низкие характеристики безопасности и требует вспомогательного защитного устройства. Объем этих двух типов аккумуляторов составляет 140 л и 220 л, а вес составляет 0,4 тонны и 0,6 тонны для пробега на 300 километров. Оба они выше топливного элемента. Если сплав для хранения водорода и технология хранения жидкого водорода при низких температурах смогут выжить, объемная плотность энергии топливного элемента увеличится в 1,5 и 2 раза по отдельности. Его преимущества будут более очевидными.

Удельная мощность

Топливный элемент - это, по сути, химическая энергетическая система из водородного сырья, поэтому его выходная мощность стабильна. Чтобы повысить мощность разряда, ему нужна система аккумуляторных батарей, такая как Toyota Mirai, вспомогательная батарея NI-MH. Как открытая энергосистема, энергия поступает от внешнего входа, вспомогательная батарея NI-MH не имеет проблем с накоплением энергии, которая может соответствовать требованиям при температуре 5-8 ℃, имеет низкие требования к сроку службы и небольшие ограничения по обслуживанию во время фактическое приложение. Несмотря на то, что проектная эффективность разряда высока, существует множество ограничений по обслуживанию, чтобы продлить срок службы литий-ионной батареи. Он не может разряжаться с высокой скоростью после полной зарядки. Быстрая разрядка должна быть в пределах 0-80%. Тем не менее, срок службы в лаборатории по-прежнему сокращается в 600 раз при 5 ° C и в 400 раз при фактическом применении. Например, фактическая скорость разряда Telsa составляет 4 ° C, даже если его максимальная мощность составляет 310 кВт. Как герметичная система накопления энергии с низкой плотностью энергии, высокая мощность разряда и большой ресурс работы не могут быть совместимы, если не сделать существенного увеличения веса батареи. Вес аккумуляторной батареи составляет почти полтонны после использования тройной батареи с лучшей плотностью энергии в настоящее время.

Показатели безопасности

Показатели безопасности также очень важны для автомобилей. В качестве герметичной системы накопления энергии высокая плотность энергии и характеристики безопасности несовместимы, иначе батарея взорвется. Таким образом, при использовании стандартной техники показатели безопасности батареи Lifepo4 с низкой плотностью энергии являются хорошими, и она не начнет разлагаться только при температуре 500-600 ℃, поэтому нет необходимости готовить так много вспомогательного защитного оборудования. Тройная батарея Telsa имеет высокую плотность энергии, но не имеет высокой термостойкости, она разлагается при 250-350 ℃ с плохими характеристиками безопасности. Решение заключается в параллельном подключении более 7000 батарей, что снижает утечку и взрыв отдельных батарей. Кроме того, ему необходимо сложное защитное устройство. Из-за конструкции безопасности Telsa пострадавших в нескольких предыдущих авариях нет, но пожарная батарея отражает ее инстинктивно низкие показатели безопасности.

Поскольку водород легко воспламеняется и взрывоопасен, использование его в топливных элементах в качестве сырья повлияет на показатели безопасности. Однако по сравнению с паром топлива и природным газом они оба являются популярным горючим газом для автомобилей, а водород имеет более высокие показатели безопасности. В настоящее время накопитель водорода изготовлен из углеродного волокна, и батарея исправна во время обнаружения пересечения в нескольких направлениях на скорости 80 км / ч. Даже если автомобильная авария приводит к утечке, водороду трудно взорваться, потому что для взрыва требуется высокая концентрация, но он горит вначале. Кроме того, водород имеет легкий вес. Горящий водород поднимается вверх после вытекания устройства, защищающего автомобиль и пассажиров. Напротив, бензин находится в жидком состоянии, литий-ионный аккумулятор - в твердом состоянии. Ни один из них не может легко взлететь в воздух. Они будут гореть под автомобилем, и тогда машина быстро уйдет в утиль. Хранение и транспортировка водорода аналогичны СПГ и требуют большего давления. По мере продвижения коммерциализации его показатели безопасности можно контролировать все лучше и лучше.

Стоимость аккумуляторного автомобиля делится на стоимость всего автомобиля, стоимость сырья и стоимость сборки. В настоящее время основным недостатком топливных элементов является стоимость. Что касается разработки, то стоимость может быть снижена из-за быстрого развития и коммерциализации технологий. Учитывая, что стоимость расширения электросети, общая стоимость сборки литий-ионного аккумулятора будет выше, чем у топливного элемента. Расчет выглядит следующим образом:

Стоимость всего автомобиля

Стоимость двигателя является самой разной частью стоимости всего автомобиля между литий-ионным аккумулятором, топливным элементом и бензином. Стоимость двигателя 2-литрового бензинового автомобиля составляет около 30 000 юаней, что, возможно, мало изменится в будущем. В последнее время стоимость литий-ионных аккумуляторов составляет 1200 юаней / кВтч, а в будущем она может снизиться до 1000 юаней / кВтч. Стоимость аккумулятора 45-градусного электромобиля составляет 45000 юаней. Основные затраты на топливный элемент - это аккумуляторная батарея и резервуар для хранения высокого давления. Аккумулятор мощностью 100 кВт сейчас стоит 100000 юаней. Прогнозируется, что стоимость единицы снизится до 30 долларов за киловатт, что составляет 20 000 юаней в юанях после годового производства 500 000 единиц. Резервуар для хранения водорода сейчас стоит 60 000 юаней. Она может снизиться до 35 000 юаней, а общая стоимость составит 55 000 юаней. Стоимость этих трех видов энергосистем еще долго не будет различаться. Стоимость всего автомобиля - не главный вопрос.

Сырье

Бензиновый автомобиль объемом 2 л потребляет 10 л бензина на километр. Бензин стоит 5,8 юаней за литр, итого 58 юаней. Энергопотребление автомобиля на литиево-ионном аккумуляторе на километр составляет 17 кВтч. это стоит 0,65 юаня / кВтч, а всего 11 юаней. Топливный элемент потребляет 9 м3 водорода на километр. Основными методами производства водорода являются электролиз воды или химическая реакция, такая как получение водорода из угля, природного газа и т. Д. Стоимость электролиза воды составляет в среднем 5 кВт · ч и 1 м3 воды. Стоит около 3,8 юаней / м3. Электролизовать можно на водородной заправке, чтобы сэкономить деньги на транспортировку. Если использовать ископаемую энергию для массового производства. Стоимость водорода, полученного из угля, самая дешевая и составляет около 1,4 юаня / м3. Северная Америка может использовать недорогой природный газ, который стоит 0,9 юаня / м3. Возьмите за стандарт стоимость производства водорода из угля, стоимость сырья на километр составляет 12,6 юаней. Он мало чем отличается от литий-ионного аккумулятора.

Стоимость сборки

Затраты на водородную заправку, АЗС, зарядную станцию делятся на стоимость земли, стоимость объекта и стоимость строительства. Их основные отличия заключаются в стоимости помещения. Заправочная станция обычно стоит 3000 000 юаней, зарядная станция стоит около 4300 000 юаней, а стоимость водородной заправочной станции составляет 15 000 000 юаней на основе недавнего стандарта Японии. Для сравнения, стоимость водородной заправочной станции в целом на 10 000 000 юаней или около того выше, чем у других. Согласно 15-летней амортизации, если объем продаж водорода составляет 10 миллионов кубометров, стоимость амортизации составит 0,1 юаня / м3. Обычно малотоннажный водород транспортируется в цистернах, стоимость перевозки которых составляет 0,44 юаня / м3. Водород в больших объемах можно транспортировать по трубопроводу, и тогда его стоимость снизится до 0,23 юаня / м3.

Хотя стоимость сборки литий-ионных аккумуляторов невысока в зависимости от завершенной энергосистемы, в будущем ее необходимо расширять, потому что оставшаяся часть недавней энергосистемы будет исчерпана после крупномасштабной популяризации. Зарядная станция относит стоимость сборки к электросети, поэтому не забудьте обратить внимание на стоимость электросети при расчете стоимости всей отраслевой цепочки. Зарядная станция промышленной эксплуатации будет соответствовать стандарту быстрой зарядки не менее 1 часа. Мощность зарядной станции, образованной 10 зарядными батареями, составляет 600 кВт, что соответствует сотням бытовых электрических нагрузок и сильно влияет на электросеть. Для расширения энергосистемы необходимо инвестировать более 1,2 миллиона юаней. Однако годовой объем продаж составляет всего 930 000 кВтч. Рассчитайте как 0,65 юаня / кВтч и, основываясь на прогнозе 15-летней амортизации, отпускная цена должна увеличиться на 0,18 юаня / кВтч по сравнению с себестоимостью.

Стоимость продажи

Развитая торговая сеть АЗС. Прибыль в час может быть расчетным стандартом разумной рентабельности АЗС. Разница в цене на водородную заправочную станцию составляет 0,51 юаня за кубический метр, в то время как литий-ионный аккумулятор составляет 4,9 юаня за кВтч, что противоречит расширению использования литий-ионных аккумуляторов в автомобиле. В настоящее время верхний предел платы за обслуживание зарядной станции, установленный правительством, составляет 0,4 юаня / кВтч с крупной субсидией. Однако нет ни одной отрасли, которая могла бы развиваться за счет долгосрочных субсидий. Если в будущем не удастся повысить эффективность заряда литий-ионных аккумуляторов, прибыль предприятия будет намного ниже, чем у АЗС и водородных заправок. Без разумной отдачи инвестор не будет стимулировать продвижение зарядных станций из-за дороговизны в городе, так что отрасль не может нормально развиваться. Плотность энергии литий-ионной батареи настолько мала, что это большая проблема для метода жизненного цикла, если вынуждает стремиться к высокой эффективности зарядки. Даже если выполнить 3-минутную быструю зарядку, мощность соответствующей отдельной зарядной батареи должна достигнуть 1200 кВт. Для каждой зарядной станции требуется дополнительная трансформаторная подстанция 110 кВ. Инвестиции составят 50 миллионов юаней, стоимость станции составит 5000 ㎡, жилые дома не допускаются ближе 300 метров, и это огромная проблема реализации в большом прибрежном городе.

Общая стоимость

В целом, затраты на сто километров бензинового автомобиля, автомобиля с литий-ионным аккумулятором, автомобиля на топливных элементах до и после коммерциализации составляют 58 юаней, 83 юаня, 23 юаня и 20 юаней. Разница в себестоимости имеет высокую долю от общей стоимости. Учитывая, что инвестиции в зарядную батарею составляют 1/3 от водородной станции, общая стоимость составляет 37 юаней, даже уменьшая прибыль до 1,4 юаня в час. Транспортное средство на топливных элементах имеет очевидное преимущество в долгосрочной стоимости из-за высокой плотности энергии топливных элементов. Стоимость топливных элементов ниже, чем у любых других батарей в том же состоянии коммерциализации.

Одной из важнейших составляющих разработки новых энергетических транспортных средств является охрана окружающей среды, которая в нашей стране более важна. В настоящее время загрязнение воздуха в нашей стране становится все хуже и хуже. Кроме того, взаимозависимость торговли нефтью от импорта достигает 60%. 85% нефти необходимо пройти через Малакку, контролируемую Америкой. Энергетическая безопасность становится самым большим недостатком нашей национальной безопасности. Поэтому, чтобы уменьшить взаимозависимость импорта, правительство выплачивает большие субсидии на новые энергетические автомобили. Давайте сравним различия в энергосбережении, защите окружающей среды и ограниченности ресурсов следующим образом:

Энергосбережение и охрана окружающей среды

Наиболее экономичным способом производства сырья для топливных элементов является угледобыча. Электроэнергия литий-ионных аккумуляторов в нашей стране также в основном вырабатывается углем. Следовательно, оба эти материала происходят из угля, выбросы углерода передаются последнему процессу. Нам нужно проверить эффективность преобразования энергии, чтобы понять, являются ли они экологически чистыми. В настоящее время автомобиль с литий-ионным аккумулятором потребляет 17 кВтч на сотню километров, что составляет 6,8 кг угля. Топливный элемент потребляет 9 м3 на сотню километров, теряет 20% при транспортировке, что составляет 7,3 кг угля. Бензиновый автомобиль потребляет 10 литров бензина, а его выбросы углерода эквивалентны 10 килограммам угля. Энергосберегающий эффект от нового энергетического автомобиля не очевиден. Его основная ценность состоит в том, чтобы передавать потребление первичной энергии с нефти на уголь с обильными ресурсами, что может во многом помочь в обеспечении энергетической безопасности. Что касается защиты окружающей среды, то у автомобиля на топливных элементах почти нет выбросов выхлопных газов, а у автомобиля с литиево-ионным аккумулятором очень мало выбросов. Загрязнение этой отрасли в основном связано с последним процессом. По сравнению с обработкой выхлопных газов, контроль загрязнения на последнем процессе будет проще. В целом топливный элемент имеет более низкое загрязнение, чем любая другая энергия во всей производственной цепочке, и может считаться лучшей экологически чистой энергией.

Ограничение ресурсов

Топливный элемент нуждается в катализаторе из благородного металла платины, что может привести к ограничению ресурсов. В 2015 году мировой спрос на платину составляет 270 тонн. Он широко используется в катализаторах очистки выхлопных газов автомобилей, ювелирных изделий и промышленности. Индивидуальные пропорции составляют 44%, 34% и 22%. Расход платины у велосипеда Mirai составляет около 20 г, что на 10-15 г больше, чем у бензинового автомобиля. Если годовой объем производства автомобилей на топливных элементах составляет 5% от мирового, годовой рост потребления составляет около 56 тонн, что, похоже, вызывает большой шок. Однако, если годовой объем добычи лития составляет 80 000 тонн, соответствующий годовой объем производства в 40 000 тонн сильно шокирует, что может быть доказано резким скачком цен на литиевую руду в этом году. Среднесрочная цель Toyota - снизить потребление платины на 75% и реализовать переработку катализатора. Если одна из вышеперечисленных целей будет достигнута, ограничение ресурсов платины может быть почти решено.

Состояние коммерциализации

Что касается коммерциализации, то между автомобилем на топливных элементах и автомобилем с литий-ионным аккумулятором существует пятилетний разрыв. В настоящее время он все еще находится в стадии коммерциализации и может добиться больших успехов в 2020 году. Страны с ведущими мировыми технологиями - это Япония и Америка в настоящее время, особенно Япония - почти единственная страна, имеющая отличную технику на легковых автомобилях. Mirai, запущенная в массовое производство в 2015 году, в основном соответствует первоначальным стандартам коммерциализации. Для сравнения, в отечественной аккумуляторной индустрии никого не хватает. Только Beiqi Foton и SAIC производили автобусы на топливных элементах на Олимпийских играх 2008 года и World Expo в 2010 году, но они все еще находятся на демонстрационной стадии. По мере развития технологий топливных элементов наша страна может быстро добиться большого прогресса с большой экономией.

Энергия будущего и реконструкция промышленной системы

В последнее время глобальная энергия исходит от энергии края ядерного синтеза Солнца, а общая выходная мощность составляет 1,8 * 1013. По шкале Кардашева он все еще находится в состоянии планетарной цивилизации. Чтобы удовлетворить первоначальные потребности 1016 звездной цивилизации, необходимо реализовать управляемый ядерный синтез. В этот момент 1 килограмм изотопа водорода может производить более 100 миллионов киловатт-часов, что эквивалентно 1 килограмму морской воды на 300 литров нефти. Вода превращается в нефть - это больше не мечта, и энергия больше не проблема, мешающая человеческому развитию. Стоимость производства водорода электролизом воды будет ниже, а управляемый ядерный синтез и водородная энергия станут окончательной комбинацией энергетической структуры. Тогда нефть может уйти из топливной зоны, стоимость различных видов материалов на нефтяной основе упадет до невероятной цены, что может сделать бесконечную возможность реконструкции производственной системы в будущем. Это будет прекрасная эпоха.

На протяжении всей истории человечества каждая энергетическая революция приводит к реконструкции всей промышленной системы и даже к смене страны-лидера в мире. Первая промышленная революция сделала Англию ведущей страной в мире, а вторая промышленная революция сделала Америку. Если в будущем автомобиль на топливных элементах полностью заменит автомобиль на нефтяном топливе, вся промышленная система, основанная на нефти, будет подорвана, техническое превосходство, накопленное развитой страной за последние 200 лет, быстро сократится, и это может быть хорошим шансом для нас превзойти. Когда мы воспользуемся этой исторической возможностью, мы, вероятно, станем ведущей страной в следующей отраслевой системе. Япония является первой страной, которая изобрела ионно-литиевый аккумулятор, поэтому нам стоит рассмотреть причину отказа Японии от НИОКР по автомобилю с литий-ионным аккумулятором, а также его перехода к автомобилю с топливными элементами.