Uue energiarevolutsiooni tõusulainel kujundavad vesinikkütuseelemendid ja liitiumpatareisid kui kaks põhitehnoloogiat energiamaastikku erinevate tehnoloogiliste radade kaudu. Vesinikkütuse rakud saavutavad nullheitega energia muundamise prootonivahetusmembraanides elektrokeemiliste reaktsioonide kaudu, liitiumpatareisid aga sõltuvad liitiumioonide interkalatsioonist ja deintercaleerimisest positiivsete ja negatiivsete elektroodide vahel energia salvestamiseks. Selle tehnoloogilise võistluse taga on mitmemõõtmeline diferentseeritud konkurents energiatiheduse, muundamise efektiivsuse, infrastruktuuri, kulutõhususe ja muu osas. Nende tehnoloogiliste omaduste ühilduvus rakendusstsenaariumidega määrab nende täiendavad ja sümbiootilised suhted süsiniku neutraalsuse ajastul.
I. Põhimõttelised erinevused tehnoloogilistes põhimõtetes ja tulemuslikkuse parameetrites
Vesinikkütuserakkude tüüp prootonivahetusmembraani kütuseelemendid (PEMFC) toodavad vesiniku-hapniku keemiliste reaktsioonide kaudu elektrit. Nende põhieelised on energiatiheduse ja madala temperatuuriga kohanemisvõime osas. Võtke näiteks Toyota Mirai kütuseelemendi sõiduk; Selle süsteemi energiatihedus ulatub 33,6 kWh/kg, 168 korda liitiumpatareisid. Üks vesiniku tankimine kolme minutiga võimaldab 800- kilomeetri sõiduvahemikku. See omadus muudab selle väga sobivaks selliste rakenduste jaoks nagu Kanada Vaikse ookeani raudtee (CPKC) vesiniku veduri 4,4 MW veojõud, kus energiatarbimiskulud on 42% madalamad kui diiselmootoril ja jõudluse säilitamine ületab 95% isegi äärmiselt külma keskkonna ({10}} kraad).
Teisest küljest saavutavad liitiumpatareisid liitiumioonide migratsiooni kaudu positiivsete ja negatiivsete elektroodide vahelise migratsiooni kaudu. Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL) tahkis akutehnoloogia uurimisel ja arendamisel on energiatihedus 500 WH/kg. Kuid liitiumioonide keemiliste omaduste, nende madala temperatuuriga jõudluse (mahutavuse lagunemine 40% -10 kraadi juures) ja energiatihedus ei jää endiselt vesinikukütuseelementide rakkudest.
Konversioonifektiivsuse osas on liitiumakud otsese energiasalvestusseadmena energia muundamise efektiivsusega koguni 90%. Seevastu vesinikukütuse rakud läbivad sekundaarse muundamise protsessi "elektrihüdrogeenielektrilisuse", mille tulemuseks on ainult 35–45%. See tõhususe erinevus ilmneb eriti reisijate sõidukite sektoris. Tesla V4 ülelaadur võib saavutada taastumiskiiruse "200 kilomeetrit 5 minutiga", samal ajal kui Hyundai Nexo vesinikkütuseelemendi lahtri sõiduk, hoolimata 3- minutilise vesiniku tankimisest, mis võimaldab 800- kilomeetri vahemikku, saavutab vaid ühe kolm kolm-kolm RE-i aataid võrreldes Lititiumiga. Need tehnoloogilised omadused dikteerivad, et vesinikkütuseelemendid sobivad paremini raskeveokite transpordi- ja statsionaarsete energia salvestamise stsenaariumide jaoks, samas kui liitiumpatareisid domineerivad lühiajalistes reisides ja kaasaskantavates seadmetes.
Ii. Infrastruktuuri ja kulutõhususe struktuursed vastuolud
Globaalne laadimisvaiade arv on ületanud 18 miljonit, Hiina moodustab 6,6 miljonit ühikut. Seevastu vesiniku tankimisjaamade arv on vähem kui 400. See märkimisväärne lünka infrastruktuuris viib vesinikukütuseelementide sõidukite piiratud turule tungimiseni, mis jääb alla 1%, hoolimata võimest saavutada 180- päevane hooajaline energiasalvestus koos 8% -lise kahjumimääraga sellistes projektides nagu Zhangjiakou-hyss-to-hydroen-initiatsioon. See piirang on tingitud hõreda vesiniku tankimisvõrgust.
Seevastu liitiumpatareisid on olnud liitiumraudse fosfaatpatarei hinna languse languseni 0. 5 Yuan/WH. BYD terade akutehnoloogia on konstruktsiooniinnovatsiooni kaudu suurendanud mahu kasutamist 50%, võimaldades elektrisõidukitel hinnaga 200, 000 jüaan, et saavutada sõiduvahemik üle 700 kilomeetrit.
Kulude vastuolu avaldub ka ressursside autonoomias. Hiina liitiumiressursside sõltuvus impordist ületab 70%, samas kui vesinik energiaressursside autonoomia määr ulatub 98%-ni. See ressursside sihtkapitali erinevus annab vesinikkütuseelemendi rakkudele loodusliku eelise regioonidevahelise transpordi korral, nagu näitas vesiniku tankimisjaamade ehitamisel, mis on kaasas torujuhtmega "West vesinikuni". Kuigi Toyota Mirai kütuseelemendi süsteemi maksumus on langenud 50-lt, 000 USA dollaritelt 18, 000 USA dollariteni, mis näitab mastaabisäästu esialgset tekkimist, jääb rohelise vesiniku tootmise praegune maksumus (35 jüaani/kg) 2,3 korda suurendades selle suure skaalaga kaupluse.
Iii. Ohutusriskide ja keskkonnaomaduste kahesugused kaalutlused
Vesinikkütuserakkude ohutusriskid keskenduvad peamiselt vesiniku säilitamisele ja transpordile. Vaatamata prootonivahetusmembraani võimele vältida otsest elektronide ülekandmist, nõuab vesiniku väga tuleohtlik ja plahvatusohtlik olemus siiski erilisi kaitsemeetmeid. Kanada vesiniku vedurid võtavad kasutusele topeltkihilised vesiniku säilitusmahutid ja rõhuandurid, et kontrollida lekke tõenäosust alla ühe miljonist.
Seevastu liitiumpatareide ohutusohtud tulenevad peamiselt termilisest põgenemisest. CATL-i "mittepõlematu" akutehnoloogia on elektrolüütide lisandite ja eraldaja kattete kaudu tõstnud termilise põgenenud käivitaja temperatuuri 180 kraadi.
Keskkonnaomaduste osas võivad vesinikukütuse rakud saavutada kogu elutsükli jooksul nullheite, kui vesiniku tootmiseks kasutatakse taastuvenergiat. Zhangjiakou tuulevõimsus-hüdrogeeniprojekt vähendab süsinikdioksiidi heitkoguseid 120 võrra, 000 tonni aastas. Halli vesiniku (toodetud fossiilkütustest) on aga süsinikuheite intensiivsus, mis ületab bensiini. Liitiumaku tootmine toodab liitiumkarbonaadi tonni kohta 15 tonni süsinikuheidet ning raskmetallide nagu koobalt ja nikkel kaevandamine kujutab endast keskkonnariske. Sellegipoolest vähendab Baosteeli vesinikupõhine võlli ahjude tootmistehnoloogia süsinikuheidet terasest tonni kohta 50%, rauamaagi vesiniku vähendamise kaudu, näidates vesinikukütuserakkude ainulaadset väärtust tööstuslikus dekarboniseerimisel.
IV. Rafineeritud tööjaotus ja koostööaldis innovatsioon rakenduste stsenaariumides
Reisijate sõidukite sektoris domineerivad liitiumpatareisid laadimisvõrkude tähtaja tõttu 90% -lise turuosaga. Tesla mudel 3 vähendab energiatarbimist 100 kilomeetri kohta kuni 12,5 kWh kuni 4680 aku ja raku ja tšassi (CTC) tehnoloogia kohta. Seevastu vesinikukütuse rakud on teinud läbimurde raskevedude transportimisel. Hiina kavandatud "vesiniku energiakoridor" hõlmab selliseid piirkondi nagu Peking-Tianjin-Hebei piirkond ja Yangtse jõe delta, vähendades vesinikumootoriga raskeveokite ristprovintsidevahelisi transpordikulusid 30% võrreldes diiselmootoriga.
Energiasalvestussektoris on tekkis tehnoloogilise integratsiooni suundumus. CATL-i "vesiniku-liitiumi hübriid säilitamine" vähendab üldkulusid 40%, kasutades liitiumpatareisid hetkelise võimsuse reguleerimiseks ja vesinikkütuseelementide reguleerimiseks pikaajaliseks energia säilitamiseks. See koostöö uuendus valideeriti Zhangjiakou taliolümpiamängude ajal, kus 10 MW vesiniku energiasalvestusjaama ja liitiumaku aku energia salvestusjaam moodustasid hübriidsüsteemi, saavutades täiendava jõudluse teise taseme reageerimise ja igapäevase energiasalvestusega.
V. Tehnoloogilise iteratsiooni ja poliitika põhjustatud tulevikuväljavaated
PEM-elektrolüüside energiatarbimine vesiniku tootmiseks on langenud 4 kWh/nm³-ni ja fotogalvaanilise vesiniku tootmise kulud Ningxias läheneb söepõhisele vesinikule. Toyota ja BMW on ühiselt välja töötanud neljanda põlvkonna kütuseelementide süsteemi, vähendades plaatina katalüsaatori kasutamist 90% ja vähendades kulusid 1-ni, 000 USA dollareid kilovati kohta. Liitiumakusektoris on tahkispatareide masstootmise ajakava edenenud 2027. aastani. BYD's Haishi 07 EV, mis on varustatud liitiummangaani raua fosfaatpatareidega, on parandanud madala temperatuuriga vahemiku peetust 85%-ni.
Poliitilisel tasandil volitab Euroopa Liit raudtee dekarboniseerimise määra üle 50% 2030. aastaks ning Hiina on lisanud vesiniku energiat "uues energiatranspordi reklaamikataloogis". Prognooside kohaselt moodustab vesiniku energia 2040. aastaks 23% terminaalse energiavajadusest, liitiumpatareisid aga 45% mobiilse reisiturust. See kahe raja energiastrateegia võimaldab sellistel mudelitel nagu Hyundai Nexo saavutada 900-} kilomeetri sõiduvahemik vesiniku-elektrilise kahesüsteemi kaudu ning CATL ja Honda on ühiselt välja töötanud "aku vahetamise + vesiniku energia" lahenduse, et pakkuda raskeveokite paindlikku energiat.
Järeldus: sümbiootilise kooseksisteerimise tee energiarevolutsioonis
Konkurents vesinikukütuseelementide ja liitiumpatareide vahel on tehnoloogiliste stsenaariumide korral sisuliselt rafineeritud tööjaotus. Liitiumpatareisid, millel on nende eelised kulud, tõhusus ja infrastruktuur, on lühiajaliste reiside ja kaasaskantavate seadmerakenduste korral asendamatud. Vesinikkütuseelemendid, millel on nende potentsiaal energiatiheduse, sõiduulatus ja tööstuslik dekarbonsaliseerimine, tähistavad raskevedude ja statsionaarse energiasalvestuse tulevast suunda. Nagu Euroopa Liidu "kahepoolse energiastrateegia" ettenägemisega, pole selles tehnoloogilises revolutsioonis ühtegi võitjat. Ainult materiaalse innovatsiooni, süsteemi integreerimise ja poliitilise koordineerimise kaudu saab energiat üleminekut süsiniku neutraalsuse 2060. aasta eesmärgi all realiseerida. CATL-i "vesiniku-liitiumi hübriidse ladustamise" süsteemi ja Toyota "vesiniku-elektrilise duaalse süsteemi" tehnoloogilised tavad on juba valgustanud energiarevolutsiooni usseerimist rohelises tulevikus, mida iseloomustab vesiniku-liitiumi koostöö ja mitmekesisus.
