V plimi nove energetske revolucije vodikove gorivne celice in litijeve baterije kot dve osnovni tehnologiji moči preoblikujejo energetsko pokrajino skozi različne tehnološke poti. Vodikove gorivne celice dosežejo pretvorbo energije ničelne emisije z elektrokemijskimi reakcijami v membranah protonske izmenjave, medtem ko se litijeve baterije zanašajo na interkalacijo in deinterkalacijo litijevih ionov med pozitivnimi in negativnimi elektrodami za shranjevanje energije. Za tem tehnološkim tekmovanjem se skriva večdimenzionalna različna konkurenca v smislu gostote energije, učinkovitosti pretvorbe, infrastrukture, stroškovne učinkovitosti in še več. Združljivost njihovih tehnoloških značilnosti s scenariji uporabe določa njihov komplementarni in simbiotski odnos v dobi nevtralnosti ogljika.
I. Temeljne razlike v tehnoloških načelih in parametrih uspešnosti
Protonske membranske gorivne celice (PEMFCS), vrsta vodikovih gorivnih celic, proizvajajo elektriko s kemičnimi reakcijami vodikovega kisika. Njihove temeljne prednosti so v gostoti energije in nizkotemperaturne prilagodljivosti. Kot primer vzemite vozilo Toyota Mirai za gorivno celico; Gostota energije sistema dosega 33,6 kWh\/kg, 168 -krat večja od litijevih baterij. Eno samo vodikovo dolivanje v treh minutah omogoča vožnjo 800-}. Zaradi te značilnosti je zelo primerna za aplikacije, kot je 4,4 MW vlečna sila kanadske pacifiške železniške lokomotive (CPKC), kjer so stroški porabe energije za 42% nižji od stroškov dizla, zadrževanje uspešnosti pa presega 95% tudi v izjemno hladnih okoljih (-30}).
Po drugi strani litijeve baterije dosežejo naboj in odvajanje s selitvijo litijevih ionov med pozitivnimi in negativnimi elektrodami. Raziskave in razvoj trdnih baterijskih tehnologij sodobne Amperex Technology Co., Limited (CATL), so povečali gostoto energije na 500 WH\/kg. Vendar pa omejujejo kemijske lastnosti litijevih ionov, njihova nizkotemperatura (zmogljivost razpada 40% pri -10 stopnji) in gostota energije še vedno ne dosegajo vodikovih gorivnih celic.
Glede na učinkovitost pretvorbe se litijeve baterije kot neposredne naprave za shranjevanje energije ponašajo z učinkovitostjo pretvorbe energije kar 90%. V nasprotju s tem so vodikove gorivne celice podvržene sekundarnemu postopku pretvorbe "električne energije-volilne-elektro-električnosti", kar ima za posledico celotno verižno učinkovitost le 35%–45%. To neskladje učinkovitosti je še posebej očitno v sektorju osebnih vozil. Teslin V4 polnilnik lahko doseže hitrost ponovnega polnjenja "200 kilometrov v 5 minutah", medtem ko Hyundai Nexo vodikovo gorivno celično vozilo, kljub 3-} minutnemu vodikovemu gorivu, ki omogoča 800-} kilometer, doseže samo eno-tretjino mileage. Te tehnološke značilnosti narekujejo, da so vodikove gorivne celice bolj primerne za scenarije prevoza in stacionarnega shranjevanja energije, medtem ko litijeve baterije prevladujejo na potovanjih na kratke razdalje in prenosne aplikacije naprav.
Ii. Strukturna protislovja v infrastrukturi in stroškovna učinkovitost
Globalno število polnilnih pilotov je preseglo 18 milijonov, Kitajska pa je predstavljala 6,6 milijona enot. Nasprotno pa število postaj za dolivanje vodika znaša manj kot 400. Ta pomembna vrzel v infrastrukturi neposredno vodi do omejenega trga prodora vozil vodikovih gorivnih celic, kar ostane pod 1%, kljub zmožnosti doseganja 180- dnevne pobude za pobudo, kot je 8-odstotno hitrost izgube v projektih. Ta omejitev je posledica redke mreže za dolivanje vodika.
V nasprotju s tem so bile litijeve baterije priča o upadu cene litijevih železovih fosfatnih baterij na 0. 5 yuan\/wh. BYD -ova tehnologija baterij Blade s strukturnimi inovacijami je povečala porabo glasnosti za 50%, kar omogoča električnim vozilom po ceni 200, 000 juan, da doseže doseg vožnje, ki presega 700 kilometrov.
Stroškovno protislovje se kaže tudi v avtonomiji virov. Kitajska odvisnost od litijevega vira od uvoza presega 70%, medtem ko njegova avtonomija vodikovih energijskih virov doseže 98%. Ta razlika v daritvi virov daje vodikovi gorivnim celicam naravno prednost pri medregionalnem prevozu, kot je prikazano pri gradnji postaj za dolivanje vodika, ki spremljajo cevovod "zahodni vodik do vzhoda". Čeprav so stroški sistema gorivnih celic Toyota Mirai padli s 50, 000 ameriški dolarji na 18, 000 ameriški dolarji, kar kaže na začetni nastanek ekonomije obsega, sedanji stroški proizvodnje zelenega vodika (35 yuan\/kg) ostaja 2,3-krat večji od diezela, ki se zavzema za velike višine.
Iii. Dvojna vprašanja varnostnih tveganj in okoljskih značilnosti
Varnostna tveganja gorivnih celic vodika se osredotočajo predvsem na shranjevanje in prevoz vodika. Kljub zmožnosti membrane protonske izmenjave, da prepreči neposreden prenos elektronov, zelo vnetljiva in eksplozivna narava vodika še vedno zahteva posebne zaščitne ukrepe. Kanadske vodikove lokomotive sprejmejo dvoslojne rezervoarje za shranjevanje vodika in tlačne senzorje, da nadzorujejo verjetnost puščanja pod enim na milijon.
V nasprotju s tem varnostne nevarnosti litijevih baterij izhajajo predvsem iz toplotnega pobega. CATL-jeva "nepremišljena" tehnologija baterij s pomočjo elektrolitnih dodatkov in ločevalnih premazov je povišala temperaturo toplotnega pobega na 180 stopinj.
Glede okoljskih značilnosti lahko vodikove gorivne celice v celotnem življenjskem ciklu dosežejo ničelno emisijo, če se za proizvodnjo vodika uporablja obnovljiva energija. Projekt Zhangjiakou Winter-to-vodik zmanjšuje emisije ogljikovega dioksida za 120, 000 tone letno. Vendar ima sivi vodik (proizveden iz fosilnih goriv) intenzivnost emisij ogljika, ki presega intenzivnost bencina. Proizvodnja litijeve baterije ustvarja 15 ton emisij ogljika na tono litijevega karbonata, rudarjenje težkih kovin, kot sta kobalt in nikelj, predstavlja okoljska tveganja. Kljub temu Baosteel-jeva tehnologija za izdelavo gredi na osnovi vodika zmanjšuje emisije ogljika na tono jekla za 50% z zmanjšanjem vodika železove rude, kar prikazuje edinstveno vrednost vodikovih gorivnih celic pri industrijski dekarbonizaciji.
Iv. Rafinirano delitev dela in inovacije za sodelovanje v scenarijih uporabe
V sektorju osebnih vozil prevladujejo litijeve baterije z 90 -odstotnim tržnim deležem zaradi zapadlosti polnilnih omrežij. Tesla Model 3 zmanjšuje porabo energije na 100 kilometrov na 12,5 kWh s pomočjo 4680 baterij in tehnologije celice do chasis (CTC). V nasprotju s tem so vodikove gorivne celice prebole pri prevozu s težkim delom. Kitajski načrtovani "vodikov energetski koridor" bo zajel regije, kot sta območje Peking-Tianjin-Hebei in delta reke Yangtze, kar bo zmanjšalo med provincialnim stroški prevoza za težke tovornjake, ki jih poganjajo vodik, za 30% v primerjavi z dizlom.
V sektorju za shranjevanje energije se pojavlja trend tehnološke integracije. CATL-ov sistem "vodikovo-litijev hibridni pomnilnik" zmanjšuje skupne stroške za 40% z uporabo litijevih baterij za uravnavanje trenutne energijske in vodikove gorivne celice za dolgotrajno shranjevanje energije. Ta skupna inovacija je bila potrjena med zimskimi olimpijskimi igrami Zhangjiakou, kjer sta 10 MW elektroenergetska postaja za shranjevanje energije v vodiku in litijeva baterija za shranjevanje energije tvorila hibridni sistem, ki je dosegla komplementarno zmogljivost z odzivom na drugo mesto in dnevno shranjevanje energije.
V. Prihodnje perspektive, ki jih vodijo tehnološka iteracija in politika
Poraba energije PEM elektrolizatorjev za proizvodnjo vodika se je zmanjšala na 4 kWh\/nm³, stroški fotovoltaične proizvodnje vodika v Ningxia pa se približujejo strošku vodika na osnovi premoga. Toyota in BMW sta skupaj razvila sistem gorivnih celic četrte generacije, kar je zmanjšalo porabo platine katalizatorja za 90% in zmanjšalo stroške na 1, 000 ameriške dolarje na kilovat. V sektorju litijeve baterije je bila časovna premica za množično proizvodnjo za baterije v trdnih stanju napredna do leta 2027. BYD's Haishi 07 EV, opremljen z litijevim manganovim železom fosfatnim baterijam, je izboljšala zadrževanje nizkotemperaturnega območja na 85%.
Na ravni politike Evropska unija do leta 2030 nalaga stopnjo dekarbonizacije železnice, ki presega 50%, Kitajska pa je vključila vodikovo energijo v "nov katalog promocije energije." Predvideva se, da bo do leta 2040 energija vodikove energije predstavljala 23% povpraševanja po končni energiji, medtem ko bodo litijeve baterije zajemale 45% trga mobilnih potovanj. Ta dvojna energetska strategija omogoča modelom, kot je Hyundai Nexo, dosežejo 900- kilometrski razpon skozi dvojni sistem vodika, CATL in Honda pa sta skupaj razvili "zamenjavo baterije + vodikove energije", da bi zagotovili prilagodljivo energijo za težke napetosti.
Zaključek: Pot simbiotskega sobivanja v energetski revoluciji
Konkurenca med vodikovimi gorivnimi celicami in litijevimi baterijami je v bistvu rafinirana delitev dela v tehnoloških scenarijih. Litijeve baterije so s svojimi prednosti stroškov, učinkovitosti in infrastrukture nenadomestljive pri potovanju na kratke razdalje in prenosne aplikacije naprav. Vodikove gorivne celice s svojim potencialom na področju energije, vožnje in industrijske dekarbonizacije predstavljajo prihodnjo smer za prevoz težkega in stacionarno skladiščenje energije. Kot predvideno v "Dvojni energetski strategiji" Evropske unije ", v tej tehnološki revoluciji ni nobenega zmagovalca. Le z materialnimi inovacijami, integracijo sistema in usklajevanjem politike se lahko uresniči energijski prehod v okviru cilja nevtralnosti ogljika 2060. Tehnološke prakse CATL-ovega "vodikovega litijevega hibridnega shranjevanja" sistema in Toyotinega "vodikovega električnega dvojnega sistema" so že osvetlile zore energijske revolucije v zeleni prihodnosti, za katero je značilno sodelovanje z vodikom-litijem in raznolikostjo.
