مسابقه فناوری بین سلولهای سوخت هیدروژن و باتری های لیتیوم: رقابت متفاوت از اصول به سناریوهای کاربردی

در موج انقلاب انرژی جدید ، سلولهای سوخت هیدروژن و باتری های لیتیوم ، به عنوان دو فناوری قدرت اصلی ، در حال تغییر شکل چشم انداز انرژی از طریق مسیرهای تکنولوژیکی مجزا هستند. سلولهای سوخت هیدروژن از طریق واکنشهای الکتروشیمیایی در غشای تبادل پروتون ، تبدیل انرژی به صفر می رسند ، در حالی که باتری های لیتیوم به متقابل و تخریب یون های لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی برای ذخیره انرژی متکی هستند. در پشت این مسابقه فناوری ، رقابت تمایز چند بعدی از نظر تراکم انرژی ، راندمان تبدیل ، زیرساخت ها ، مقرون به صرفه بودن و موارد دیگر نهفته است. سازگاری ویژگی های فناوری آنها با سناریوهای کاربردی ، رابطه مکمل و همزیستی آنها را در دوران بی طرفی کربن تعیین می کند.

I. تفاوت های اساسی در اصول فناوری و پارامترهای عملکرد

سلولهای سوختی غشای تبادل پروتون (PEMFCS) ، نوع سلولهای سوخت هیدروژن ، از طریق واکنشهای شیمیایی هیدروژن-اکسیژن برق تولید می کنند. مزایای اصلی آنها در چگالی انرژی و سازگاری با دمای پایین است. به عنوان نمونه وسیله نقلیه سلول سوخت Toyota Mirai را در نظر بگیرید. چگالی انرژی سیستم آن به 33.6 کیلووات ساعت بر کیلوگرم ، 168 برابر باتری های لیتیوم می رسد. یک سوخت گیری هیدروژن در سه دقیقه محدوده رانندگی {5}}}} را امکان پذیر می کند. این ویژگی باعث می شود آن را برای برنامه های کاربردی مانند نیروی کشش 4.4 مگاواتی از راه آهن اقیانوس آرام کانادایی (CPKC) هیدروژن ، که در آن هزینه های مصرف انرژی 42 ٪ پایین تر از دیزل است ، بسیار مناسب باشد و حفظ عملکرد حتی در محیط های بسیار سرد نیز از 95 ٪ فراتر رود (درجه {10} درجه)).

از طرف دیگر ، باتری های لیتیوم از طریق مهاجرت یون های لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی به اتهام و تخلیه می رسند. شرکت فناوری Amperex معاصر ، تحقیقات محدود (CATL) و توسعه فناوری باتری با حالت جامد ، چگالی انرژی را به 500 WH\/kg افزایش داده است. با این حال ، محدود به خواص شیمیایی یون های لیتیوم ، عملکرد دمای پایین آنها (پوسیدگی ظرفیت 40 ٪ در درجه {4}})) و چگالی انرژی هنوز از سلولهای سوخت هیدروژن کم می شود.

از نظر راندمان تبدیل ، باتری های لیتیوم ، به عنوان دستگاه های ذخیره سازی انرژی مستقیم ، دارای راندمان تبدیل انرژی تا 90 ٪ هستند. در مقابل ، سلولهای سوخت هیدروژن تحت یک فرآیند تبدیل ثانویه "برق-هیدروژن الکتریسیته" قرار می گیرند ، که منجر به راندمان تمام زنجیره ای تنها 35 ٪ -45 ٪ می شود. این اختلاف کارآیی به ویژه در بخش وسایل نقلیه مسافر مشهود است. سوپر شارژر V4 تسلا می تواند به سرعت شارژ "200 کیلومتر در 5 دقیقه" دست یابد ، در حالی که وسیله نقلیه سلول سوخت هیدروژن هیدروژن هیوندای Nexo ، علی رغم یک سوخت گیری هیدروژن {9}} mine که امکان ایجاد یک کیلومتر {10} کیلومتر {800-}} را فراهم می کند ، فقط یک سوم از پترداختهای معیار به طور کلی در مقایسه با لیتوم. این خصوصیات فن آوری حاکی از آن است که سلولهای سوخت هیدروژن برای حمل و نقل سنگین و سناریوهای ذخیره انرژی ثابت مناسب تر هستند ، در حالی که باتری های لیتیوم بر سفر به مسافت کوتاه و کاربردهای دستگاه قابل حمل حاکم هستند.

ii. تضادهای ساختاری در زیرساخت ها و مقرون به صرفه

تعداد جهانی شمع های شارژ از 18 میلیون نفر فراتر رفته است که چین 6.6 میلیون دستگاه را به خود اختصاص داده است. در مقابل ، تعداد ایستگاه های سوخت گیری هیدروژن کمتر از 400 نفر است. این شکاف قابل توجه در زیرساخت ها به طور مستقیم منجر به نفوذ محدود در بازار وسایل نقلیه سلولی سوخت هیدروژن می شود ، که با وجود توانایی دستیابی به ذخیره انرژی بین روز 5 {5}} روزانه با سرعت 8 ٪ از دست دادن در پروژه هایی مانند ابتکار عمل بادگیر Zhangjiakou Wind-To-Hydrogen. این محدودیت به دلیل شبکه سوخت گیری هیدروژن پراکنده است.

در مقابل ، باتری های لیتیوم شاهد کاهش قیمت باتری های فسفات لیتیوم آهن به 0 5 یوان\/WH بودند. فناوری باتری تیغه BYD ، از طریق نوآوری ساختاری ، 50 ٪ میزان استفاده از حجم را افزایش داده است و وسایل نقلیه برقی را با قیمت 200 ، {4}}} یوان برای دستیابی به دامنه رانندگی بیش از 700 کیلومتر فراهم می کند.

تضاد هزینه همچنین در استقلال منابع تجلی می یابد. وابستگی منابع لیتیوم چین به واردات بیش از 70 ٪ است ، در حالی که میزان استقلال منابع انرژی هیدروژن آن به 98 ٪ می رسد. این اختلاف وقف منابع به سلولهای سوخت هیدروژن مزیت طبیعی در حمل و نقل متقابل منطقه می دهد ، همانطور که در ساخت ایستگاه های سوخت گیری هیدروژن همراه با خط لوله "هیدروژن غربی به شرق" نشان داده شده است. اگرچه هزینه سیستم سلول سوخت Toyota Mirai از 50 کاهش یافته است ، {4}}} دلار آمریکا به 18 ، {6} دلار} دلار آمریکا ، که نشان دهنده ظهور اولیه اقتصاد مقیاس است ، هزینه فعلی تولید هیدروژن سبز (35 یوان\/کیلوگرم) 2.3 برابر دیزل است که باعث می شود تجارت بزرگ آن را محدود کند.

iii ملاحظات دوگانه خطرات ایمنی و خصوصیات محیطی

خطرات ایمنی سلولهای سوختی هیدروژن در درجه اول در حین ذخیره و حمل و نقل هیدروژن قرار دارد. با وجود توانایی غشای تبادل پروتون در جلوگیری از انتقال مستقیم الکترون ، ماهیت بسیار قابل اشتعال و انفجاری هیدروژن هنوز هم اقدامات محافظتی ویژه ای را ضروری می کند. لوکوموتیوهای هیدروژن کانادایی مخازن ذخیره سازی هیدروژن دو لایه و سنسورهای فشار را برای کنترل احتمال نشت زیر یک در یک میلیون اتخاذ می کنند.

در مقابل ، خطرات ایمنی باتری های لیتیوم عمدتاً ناشی از فراری حرارتی است. فناوری باتری "غیر قابل اعتماد" CATL ، از طریق مواد افزودنی الکترولیت و پوشش های جداکننده ، دمای محرک فراری حرارتی را تا 180 درجه بالا می برد.

با توجه به خصوصیات محیطی ، در صورت استفاده از انرژی تجدید پذیر برای تولید هیدروژن ، سلولهای سوخت هیدروژن می توانند در طول چرخه عمر خود به صفر برسند. پروژه باد قدرت به هیدروژن Zhangjiakou باعث کاهش انتشار دی اکسید کربن توسط 120 ، {4} tons سالانه می شود. با این حال ، هیدروژن خاکستری (تولید شده از سوخت های فسیلی) دارای شدت انتشار کربن بیش از بنزین است. تولید باتری لیتیوم 15 تن انتشار کربن در هر تن کربنات لیتیوم تولید می کند و استخراج فلزات سنگین مانند کبالت و نیکل خطرات محیطی را به همراه دارد. با این وجود ، فناوری ساخت آهن سازی کوره مبتنی بر هیدروژن Baosteel باعث کاهش انتشار کربن در هر تن فولاد با 50 ٪ از طریق کاهش هیدروژن سنگ آهن می شود و ارزش منحصر به فرد سلولهای سوخت هیدروژن را در دفع کربن سازی صنعتی نشان می دهد.

IV بخش تصفیه شده کار و نوآوری مشترک در سناریوهای کاربردی

در بخش وسایل نقلیه مسافر ، باتری های لیتیوم به دلیل بلوغ شبکه های شارژ ، با سهم 90 ٪ بازار مسلط هستند. Tesla Model 3 مصرف انرژی در هر 100 کیلومتر به 12.5 کیلووات ساعت از طریق 4680 باتری و فناوری سلول به شاسی (CTC) کاهش می یابد. در مقابل ، سلولهای سوخت هیدروژن در حمل و نقل سنگین پیشرفت هایی را ایجاد کرده اند. برنامه ریزی شده "کریدور انرژی هیدروژن" چین مناطقی مانند منطقه پکن-تیانجین-هبی و دلتای رودخانه یانگ تسه را پوشش می دهد و هزینه های حمل و نقل بین المللی را برای کامیون های سنگین هیدروژن در مقایسه با دیزل کاهش می دهد.

در بخش ذخیره انرژی ، روند ادغام فناوری در حال ظهور است. سیستم ذخیره سازی هیبریدی هیدروژن-لیتیوم CATL با استفاده از باتری های لیتیوم برای تنظیم انرژی فوری و سلولهای سوخت هیدروژن برای ذخیره انرژی طولانی مدت ، 40 ٪ هزینه های کلی را کاهش می دهد. این نوآوری مشترک در المپیک زمستانی Zhangjiakou تأیید شد ، جایی که یک نیروگاه ذخیره انرژی هیدروژن 10 مگاواتی و یک ایستگاه ذخیره انرژی باتری لیتیوم یک سیستم ترکیبی تشکیل داد و با پاسخ به سطح دوم و ذخیره انرژی سطح روزانه ، عملکرد مکمل را بدست آورد.

V. چشم اندازهای آینده ناشی از تکرار و سیاست فناوری

مصرف انرژی الکترولیزرهای PEM برای تولید هیدروژن به 4 کیلووات ساعت در نانومتر کاهش یافته است ، و هزینه تولید هیدروژن فتوولتائیک در نینگکسیا به هیدروژن مبتنی بر زغال سنگ نزدیک می شود. Toyota و BMW به طور مشترک سیستم سلول سوخت نسل چهارم را توسعه داده اند و میزان مصرف کاتالیزور پلاتین را 90 ٪ کاهش داده و هزینه های آن را به 1 ، {5}}} دلار در هر کیلووات کاهش داده اند. در بخش باتری لیتیوم ، جدول زمانی تولید انبوه برای باتری های حالت جامد تا سال 2027 پیشرفت کرده است. Haishi 07 EV BYD ، مجهز به باتری های فسفات آهن منگنز لیتیوم ، حفظ دامنه درجه حرارت پایین را به 85 ٪ بهبود بخشیده است.

در سطح سیاست ، اتحادیه اروپا تا سال 2030 میزان دکربن سازی راه آهن بیش از 50 ٪ را صادر می کند و چین در "کاتالوگ جدید ارتقاء حمل و نقل انرژی" انرژی هیدروژن را شامل می شود. پیش بینی می شود که تا سال 2040 ، انرژی هیدروژن 23 ٪ از تقاضای انرژی ترمینال را به خود اختصاص دهد ، در حالی که باتری های لیتیوم 45 ٪ از بازار سفر موبایل را پوشش می دهند. این استراتژی انرژی دوتایی ، مدلهایی مانند Hyundai Nexo را قادر می سازد تا از طریق یک سیستم دوتایی هیدروژن برقی ، به یک محدوده رانندگی 900- برسند و CATL و هوندا به طور مشترک یک راه حل "تعویض باتری + انرژی هیدروژن" را ایجاد کرده اند تا انرژی انعطاف پذیر برای کامیون های سنگین فراهم شود.

نتیجه گیری: مسیر همزیستی همزیستی در انقلاب انرژی

رقابت بین سلولهای سوخت هیدروژن و باتری های لیتیوم در اصل یک بخش تصفیه شده از نیروی کار در سناریوهای فناوری است. باتری های لیتیوم با استفاده از مزایای هزینه ، کارآیی و زیرساخت ها ، در سفر با مسافت کوتاه و برنامه های دستگاه قابل حمل غیر قابل تعویض هستند. سلولهای سوخت هیدروژن با پتانسیل خود در چگالی انرژی ، دامنه رانندگی و دکربن سازی صنعتی ، جهت آینده برای حمل و نقل سنگین و ذخیره انرژی ثابت را نشان می دهند. همانطور که در "استراتژی انرژی دو مسیر" اتحادیه اروپا پیش بینی شده است ، هیچ برنده واحدی در این انقلاب تکنولوژیکی وجود ندارد. فقط از طریق نوآوری مادی ، ادغام سیستم و هماهنگی سیاست می توان انتقال انرژی را تحت هدف بی طرفی کربن 2060 تحقق بخشید. شیوه های تکنولوژیکی سیستم ذخیره سازی هیبریدی هیدروژن-لیتیوم CATL و "سیستم دوگانه هیدروژن برقی" تویوتا قبلاً طلوع آفتاب انقلاب انرژی را در آینده ای سبز که با همکاری هیدروژن-لیتیوم و تنوع مشخص شده است ، روشن کرده است.