Сравнительный анализ водородных топливных элементов и литиевых батарей

Литиевая батарейка

«Литиевая батарея» - это тип батареи, в которой в качестве материала отрицательного электрода используется металлический литий или литиевый сплав, а также используется неводный раствор электролита. Литий-металлические батареи были впервые предложены и изучены Гилбертом Н. Льюисом в 1912 году. В 1970-х годах MSWhitTIngham предложил и начал исследования литий-ионных батарей. Из-за очень активных химических свойств металлического лития обработка, хранение и использование металлического лития очень требовательны к окружающей среде. Поэтому литиевые батареи давно не использовались. С развитием науки и техники литиевые батареи стали мейнстримом.

Литиевые батареи можно условно разделить на две категории: литий-металлические батареи и литий-ионные батареи. Литий-ионные батареи не содержат металлического лития и являются перезаряжаемыми. Литий-металлический аккумулятор пятого поколения для аккумуляторных батарей появился на свет в 1996 году. Его безопасность, удельная емкость, скорость саморазряда и соотношение цены и качества лучше, чем у литий-ионных аккумуляторов. Из-за собственных высоких технических требований только несколько компаний в стране производят такие литий-металлические батареи.

Анализ водородных топливных элементов и литиевых батарей

Водородный топливный элемент

Водородный топливный элемент - это батарея, в которой водород используется в качестве химического элемента для хранения энергии. Основной принцип - это обратная реакция электролизованной воды, которая поставляет водород и кислород на анод и катод соответственно. После того, как водород диффундирует наружу через анод и вступает в реакцию с электролитом, электроны попадают на катод через внешнюю нагрузку.

Характеристики водородных топливных элементов Не загрязняющие окружающую среду топливные элементы являются экологически чистыми. Это происходит за счет электрохимических реакций, а не сгорания (пар, дизельное топливо) или накопления энергии (аккумулятор) - наиболее типичное традиционное решение для резервного питания. При сгорании выделяются такие загрязнители, как газы COx, NOx, SOx и пыль. Как упоминалось выше, топливные элементы производят только воду и тепло. Если водород производится из возобновляемых источников энергии (фотоэлектрические панели, ветровая энергия и т. Д.), Весь цикл представляет собой законченный процесс, который не производит вредных выбросов.

Бесшумный топливный элемент работает тихо, а уровень шума составляет всего около 55 дБ, что эквивалентно уровню обычного разговора. Это делает топливный элемент подходящим для установки внутри помещения или там, где есть предел шума на улице.

Эффективность высокоэффективных топливных элементов может достигать более 50%, что определяется конверсионными свойствами топливных элементов. Он напрямую преобразует химическую энергию в электрическую, без промежуточного преобразования тепловой энергии и механической энергии (генератор).

Анализ водородных топливных элементов и литиевых батарей

Сравнительный анализ водородных топливных элементов и литиевых батарей

Мировой энергетический ландшафт приближается к канун больших перемен

На протяжении всей истории человечества прогресс цивилизации в основном определялся увеличением энергоемкости. В ранней сельскохозяйственной цивилизации власть в основном базировалась на людях и домашнем скоте, древесине и другой биоэнергетике. Выходная мощность была очень ограниченной. Это также было ограничено пропускной способностью суши. Экономика могла развиваться только на низком уровне после промышленной революции 18 века, когда были паровые машины и двигатели внутреннего сгорания. Продвигайте, основная энергия превратилась в ископаемое топливо, представленное углем и нефтью, плотность энергии увеличилась в сотни раз, а ВВП наконец-то прорвался через оковы «ловушки Мальтуса», показывая экспоненциальный рост. В настоящее время структура мировой энергетики составляет 33% сырой нефти, 24% природного газа, 30% угля, 4% ядерной энергетики, 7% гидроэнергетики и 2% новой энергии. Ископаемая энергия находится в абсолютном доминирующем положении. Но, глядя в будущее, мы полагаем, что энергетическая структура человека достигла кануна еще одного серьезного изменения, и ожидается, что нефть будет полностью заменена в течение 30 лет. Водородная энергия, представленная топливными элементами, станет новым ведущим источником энергии!

Нефтяная эра полностью сменится

Самая большая проблема, с которой сталкивается развитие сельскохозяйственной цивилизации на поздней стадии, заключается в том, что ограниченные земельные ресурсы в конечном итоге не могут поддерживать дальнейший рост населения. Ископаемая энергия, как невозобновляемый ресурс, также сталкивается с ограничениями, связанными с нехваткой ресурсов. Согласно линейной экстраполяции роста потребления за последние 20 лет, мировые доказанные запасы нефти могут поддерживать только 30 лет. Даже если технический прогресс может продлить жизнь нефти на десятилетия, это все равно день полезного света по сравнению с человеческими существами. История, длившаяся не менее тысячи лет, до сих пор не имеет значения. Более того, учитывая, что текущий уровень разведки уже достаточен, вероятность открытия недорогостоящих крупных нефтяных месторождений очень мала, а стоимость добычи потенциального предложения будет становиться все выше и выше. В конечном итоге это будет стимулировать быстрое ускорение коммерциализации альтернативных источников энергии. Например, разработка автомобилей с литиевыми аккумуляторами сейчас идет полным ходом, поэтому экономическое истощение запасов нефти может произойти раньше. В будущем вопрос о том, кто сможет полностью заменить масло и стать автомобильным топливом нового поколения, станет очень критичным.

Топливный элемент против литиевой батареи, кто выиграет

В настоящее время основным техническим направлением замены нефтяных транспортных средств являются литиевые батареи и топливные элементы. Самым большим преимуществом топливных элементов является высокая плотность энергии, которая в 120 раз больше, чем у литиевых батарей. Однако литиевая батарея запущена раньше, степень коммерциализации выше, стоимость всего транспортного средства ниже, а для зарядки можно использовать существующую систему электросети. По сравнению с поддерживающей сетью всей гидрогенизации и подачи водорода топливного элемента, строительство должно начинаться с нуля, а стоимость должна быть ниже. Следовательно, ядро конкуренции между ними - это конкуренция плотности энергии и стоимости. Снижение затрат - это инженерная проблема, которая может быть решена путем коммерциализации, в то время как плотность энергии сталкивается с узким местом в области фундаментальной науки, практически без решения. Таким образом, разница между ними - это, по сути, разница между «дао и технологиями». В долгосрочной перспективе топливные элементы, несомненно, будут иметь больший потенциал и, как ожидается, станут следующим поколением базовой энергии для транспортных средств.

Увеличение плотности энергии - основная логика линии

Каждая успешная энергетическая революция в истории человечества имеет четкую главную логическую линию, которая заключается в увеличении плотности энергии на порядок. Если уголь в 160 раз больше, чем дрова, то нефть в 2 раза выше угля. Новая энергия может только подорвать идеальную базовую сеть и промышленную поддержку, установленную долгосрочным развитием, и обратить вспять ее огромную инерцию использования, только с преимуществами уплотнения плотности энергии. Это похоже на принцип 10-кратной скорости, предложенный основателем Гроувом в области информационных технологий, то есть, как только появляется новая технология, которую можно успешно ниспровергнуть, это, по сути, искра, и ее невозможно остановить. Например, бензиновые автомобили на 20 лет позже электромобилей. Ранние технологии также являются более незрелыми, но благодаря преимуществу высокой плотности энергии они заменили электромобили.

Анализ водородных топливных элементов и литиевых батарей

В последние десятилетия, хотя страны активно продвигают электромобили, их доля по-прежнему очень мала, менее 1%. Суть в том, что в прошлом электромобили нарушали основную логику улучшения плотности энергии. Даже у последнего поколения автомобилей с литий-ионными аккумуляторами чрезвычайная плотность энергии составляет всего 1/40 от бензина, который, естественно, промышленность не может улучшить в 10 раз быстрее. Но появление топливных элементов полностью изменило статус-кво. Он использует водород в качестве сырья, базовая плотность энергии в три раза выше, чем у бензина, эффективность работы двигателя в два раза выше, чем у двигателя внутреннего сгорания, а фактическая плотность в шесть раз выше, чем у бензина. Более того, из истории эволюции энергии человека в прошлом веке, это, по сути, история корректировки соотношения углеводородов. Чем выше содержание водорода, тем выше плотность энергии. Будущий переход от углеродной энергии к водородной энергии - это тенденция времени. Таким образом, топливные элементы, использующие водородную энергию, несомненно, более отражают направление исторического развития и, скорее всего, станут основным источником энергии для следующего поколения.

Характеристики автомобиля - это, в основном, выносливость, время зарядки / зарядки, выходная мощность и безопасность. Плотность энергии топливных элементов намного выше, чем у литиевых батарей. Соответствующая емкость аккумулятора, быстрая зарядка и запас хода имеют естественное преимущество, даже если сравнивать его с топовым роскошным автомобилем Tesla с литиевыми батареями. Однако его удельная мощность невысока, а максимальная выходная мощность зависит от системы вспомогательных аккумуляторных батарей. Соответствующие максимальная скорость и 100-километровый индекс ускорения и литиевая батарея мало чем отличаются. Для сравнения мы выбираем в качестве аналитического эталона текущий основной автомобиль с бензиновым двигателем 2 л, который соответствует автомобилю с литиевой батареей с углом наклона 45 градусов, и автомобиль с выходной мощностью 100 кВт с топливным аккумулятором.

Сравнение плотности энергии

Литиевая батарея представляет собой замкнутую систему. Аккумулятор - всего лишь носитель энергии. Для запуска его необходимо зарядить заранее. Плотность энергии зависит от плотности энергии материала электрода. Поскольку плотность энергии материала отрицательного электрода намного больше, чем плотность энергии положительного электрода в настоящее время, увеличение плотности энергии требует непрерывного улучшения материала положительного электрода, такого как свинцово-кислотный, никелевый, и литиевые батареи. Однако литий уже является металлическим элементом с наименьшим атомным весом. Катодный материал с улучшенными ионами лития теоретически представляет собой только чистый литиевый электрод, но плотность энергии составляет всего 1/4 от плотности энергии бензина, а коммерческая технология чрезвычайно сложна. Надежды на прорыв нет. Следовательно, увеличение плотности энергии литиевых батарей связано с теоретическими узкими местами, а пространство очень ограничено. В лучшем случае он увеличивается с нынешних 160 Втч / кг до 300 Втч / кг. Даже если он достигает только 1/120 топливного элемента, можно сказать, что он теряется на стартовой линии.

Сравнение объемной плотности энергии

Основным недостатком водорода, используемого в качестве сырья для топливных элементов, является невысокая объемная плотность энергии. Сейчас, в основном, для решения этой проблемы применяется наддув. При нынешнем герметичном режиме 700 атмосфер объемная плотность энергии составляет 1/3 бензина. Также на пробеге 300 километров объем топливного бака для хранения водорода составляет 100 л, вес - 30 кг, что соответствует топливному баку бензинового транспортного средства - 30 л, но объем двигателя на 80 л меньше, чем у двигателя внутреннего сгорания, общий объем не сильно отличается . Транспортные средства с литиевыми аккумуляторами делятся на два основных технических маршрута: трехкомпонентные и литий-фосфатные. Представителями являются Tesla и BYD. Плотность тройной энергии выше, но безопасность невысока. Требуется вспомогательное защитное оборудование. Две батареи, необходимые для пробега на 300 километров, имеют объем 140 л и 220 л соответственно, а вес составляет 0,4 тонны и 0,6 тонны, что намного больше, чем у топливных элементов. Заглядывая в будущее Если удастся сломать технологию хранения водорода и низкотемпературного жидкого водорода, объемная плотность энергии топливного элемента увеличится в 1,5 и 2 раза соответственно, и преимущество будет более очевидным.

Сравнение плотности мощности

Топливный элемент можно рассматривать как химическую систему выработки энергии, использующую водород в качестве сырья, поэтому выходная мощность является относительно стабильной. Чтобы максимизировать мощность разряда, необходимо добавить систему аккумуляторных батарей. Например, Toyota Mirai - опорный никель-водородный аккумулятор. Однако в открытой энергосистеме энергия поступает от внешнего источника. Дополнительная никель-металлгидридная батарея не требует учета проблемы накопления энергии. Пока он составляет 5-8 градусов, он может удовлетворить спрос, а время автономной работы невелико в случае ограниченного использования. Хотя теоретическая эффективность разряда литиевых батарей очень высока, чтобы не повредить срок службы батареи, существует множество ограничений на использование. В случае полной зарядки его нельзя разрядить с большой скоростью, а быстрый разряд применим только в интервале 0-80%. Даже в этом случае при разрядке 5C срок службы батареи в лаборатории сократится всего до 600 раз, а в реальных условиях - до 400 раз. Например, даже если Telsa имеет максимальную мощность 310 кВт, фактическая скорость разряда составляет всего 4 ° C. . Более того, литиевые батареи используются в качестве замкнутых систем хранения энергии с низкой плотностью энергии, а высокая мощность разряда и большой запас хода в принципе затруднены, если вес батареи не будет значительно увеличен. Несмотря на то, что Tesla использует нынешнюю тройную батарею с лучшей плотностью, ее компоненты весят почти полтонны.

Анализ водородных топливных элементов и литиевых батарей

Сравнение безопасности

Помимо вышеперечисленных показателей, для автотранспортных средств, несомненно, важна безопасность. Как замкнутая энергетическая система, литиевые батареи трудно совместимы с в принципе высокой плотностью энергии и безопасностью, в противном случае они эквивалентны бомбам. Следовательно, в основном технологическом процессе фосфат лития-железа с низкой плотностью энергии лучше с точки зрения безопасности, а разложение начинается, когда температура батареи достигает 500-600 градусов, и в основном не требует слишком большого количества вспомогательного оборудования для 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 значительно снижает риск утечки из одной батареи, и даже комбинацию сложного устройства защиты батареи. И в предыдущем периоде произошло несколько аварий, хотя благодаря конструкции безопасности Telsa пострадавших не было, но с точки зрения самой аварии это было на самом деле очень легкое столкновение, и кузов не получил никаких повреждений, но аккумулятор был в огне. Это также отражает его естественные недостатки с точки зрения безопасности.

Топливные элементы обычно беспокоятся о своей безопасности из-за горючести и взрывоопасности сырья. Однако, как мы показали в таблице ниже, безопасность водорода неплохая или даже немного лучше, чем у двух обычных горючих газов, таких как бензин и природный газ. В настоящее время автомобильные накопители водорода изготавливаются из материалов из углеродного волокна, которые могут остаться невредимыми при испытании на многоугловое столкновение со скоростью 80 км / ч. Даже если автомобильная авария вызывает утечку из-за высокой концентрации взрыва водорода, он обычно начинает гореть до взрыва, но взорваться трудно. Кроме того, газообразный водород имеет легкий вес, а водород в системе перелива будет быстро подниматься после пожара, но тело и пассажиры в некоторой степени защищены. Бензин жидкий, литиевая батарея твердая, в атмосферу трудно подняться, горение происходит внизу кабины, и весь автомобиль быстро уйдет на пенсию. Связь для хранения и транспортировки водорода очень похожа на СПГ, но требуется большее давление. По мере продвижения коммерциализации его общая безопасность все еще находится под контролем.

Стоимость аккумуляторных транспортных средств в основном делится на стоимость транспортных средств, стоимость сырья и вспомогательные расходы. В настоящее время наиболее распространенной проблемой топливных элементов является их слишком высокая стоимость, но с точки зрения развития, по мере развития технологий и роста коммерциализации, есть большие возможности для снижения затрат. Если литиевая батарея учитывает стоимость расширения емкости на стороне сети, общая стоимость поддержки все равно выше, чем у топливного элемента. Конкретный расчет выглядит следующим образом:

Сравнение стоимости автомобиля

Литиевые батареи, топливные элементы и традиционные автомобили с бензиновым двигателем, разница в общих расходах на транспортные средства в основном отражается в стоимости двигателя, а другие компоненты не сильно отличаются. Стоимость 2-литрового бензинового двигателя составляет около 30 000 юаней, и в будущем сложно что-то изменить. Текущая стоимость электроэнергии литиевой батареи составляет 1200 юаней / кВтч, и ожидается, что в будущем она упадет до 1000 юаней / кВтч, электромобиль с углом наклона 45 градусов, стоимость батареи составляет 45000 юаней. Стоимость топливных элементов - это в основном аккумуляторная батарея и резервуар для хранения водорода под высоким давлением. Теперь батарея на 100 кВт стоит 100 000 юаней. После того, как ожидается, что годовой объем производства составит 500 000 единиц, стоимость единицы будет снижена до 30 долларов США / кВт, то есть 20 000 юаней. Стоимость существующего резервуара для хранения водорода составляет 60 000 юаней, и ожидается, что в будущем она упадет до 35 000 юаней при общей стоимости 55 000 юаней. В конечном итоге стоимость трех энергосистем не сильно отличается. Видно, что стоимость всего автомобиля не является основным вопросом.

Сравнение стоимости сырья

Расход топлива бензиновой машины объемом 2 литра составляет 10 литров на 100 километров, а цена бензина - 5,8 юаня / л. Стоимость 58 юаней. Автомобиль с литиевым аккумулятором потребляет 17 киловатт на километр, а его стоимость составляет 0,65 юаня / кВтч. Стоимость 11 юаней. Топливный элемент потребляет 9 квадратных метров водорода на 100 километров. Метод производства водорода в основном делится на электролизованную воду или химическую реакцию, такую как производство водорода из угля и производство водорода из природного газа. Стоимость электролизованной воды - это в основном электричество, в среднем 5 градусов электричества и 1 квадрат водорода. Стоимость составляет около 3,8 юаней за квадрат, но его можно подвергнуть электролизу непосредственно на водородной заправке, что сэкономит транспортные расходы. Если используется крупномасштабное централизованное производство ископаемой энергии, самые низкие внутренние затраты связаны с производством угля в водород, что составляет около 1,4 юаня / квадратный метр. В Северной Америке можно использовать дешевый природный газ по цене 0,9 юаня за квадратный метр. Если принять за норму стоимость угольного газа, то стоимость сырья на 100 километров составляет 12,6 юаня, что мало чем отличается от литиевых батарей.

Сравнение стоимости сопоставления

Стоимость водородной заправочной станции, заправочной станции и зарядной станции в основном делится на стоимость земли, стоимость оборудования и стоимость строительства. Разница в основном отражается на стоимости оборудования. Стоимость заправочной станции в основном составляет 3 миллиона юаней, зарядной станции - 4,3 миллиона юаней, а заправочная станция водородом основана на действующих японских стандартах.

Страница содержит содержимое машинного перевода.