Jaunās enerģijas revolūcijas plūdmaiņā ūdeņraža kurināmā elementi un litija baterijas kā divas galvenās jaudas tehnoloģijas pārveido enerģijas ainavu, izmantojot atšķirīgus tehnoloģiskos ceļus. Ūdeņraža degvielas šūnas sasniedz nulles emisijas enerģijas pārveidošanu, izmantojot elektroķīmiskās reakcijas protonu apmaiņas membrānās, savukārt litija baterijas paļaujas uz litija jonu starpkalāciju un deintercalāciju starp pozitīvajiem un negatīvajiem elektrodiem enerģijas uzkrāšanai. Aiz šī tehnoloģiskā konkursa slēpjas daudzdimensionāla diferencēta konkurence enerģijas blīvuma, pārveidošanas efektivitātes, infrastruktūras, rentabilitātes un daudz ko citu ziņā. Viņu tehnoloģisko īpašību savietojamība ar pielietojuma scenārijiem nosaka to papildinošās un simbiotiskās attiecības oglekļa neitralitātes laikmetā.
I. Tehnoloģisko principu un veiktspējas parametru būtiskas atšķirības
Protonu apmaiņas membrānas kurināmā elementi (PEMFC), kas ir ūdeņraža kurināmā šūnu veids, ražo elektrību, izmantojot ūdeņraža-skābekļa ķīmiskās reakcijas. Viņu galvenās priekšrocības ir enerģijas blīvuma un zemas temperatūras pielāgošanās spēja. Kā piemēru ņemiet Toyota Mirai degvielas šūnu transportlīdzekli; Tās sistēmas enerģijas blīvums sasniedz 33,6 kWh\/kg, 168 reizes vairāk nekā litija baterijām. Viens ūdeņraža uzpildīšana trīs minūtēs ļauj braukt ar braukšanas diapazonu 800- kilometru. Šis raksturlielums padara to ļoti piemērotu tādām lietojumprogrammām kā 4,4 MW vilces spēks Kanādas Klusā okeāna dzelzceļa (CPKC) ūdeņraža lokomotīvē, kur enerģijas patēriņa izmaksas ir par 42% zemākas nekā dīzeļdegvielai, un veiktspējas saglabāšana pārsniedz 95% pat ārkārtīgi aukstā vidē (-30 grāds).
No otras puses, litija baterijas sasniedz lādiņu un izlādi, migrējot litija jonus starp pozitīvajiem un negatīvajiem elektrodiem. Mūsdienu Amperex Technology Co., Limited (CATL) cietvielu akumulatoru tehnoloģijas izpētei un izstrādei ir paaugstināts enerģijas blīvums līdz 500 WH\/kg. Tomēr, ierobežojot litija jonu ķīmiskās īpašības, to zemas temperatūras veiktspēja (40% jaudas samazinājums pie -10 pakāpes) un enerģijas blīvums joprojām ir atkarīgs no ūdeņraža degvielas elementiem.
Runājot par pārveidošanas efektivitāti, litija baterijas kā tiešās enerģijas uzkrāšanas ierīces var lepoties ar enerģijas pārveidošanas efektivitāti pat par 90%. Turpretī ūdeņraža kurināmā elementi notiek "elektrības-hidrogēna-elektrības" sekundārā pārveidošanas procesā, kā rezultātā pilnas ķēdes efektivitāte ir tikai 35%–45%. Šī efektivitātes neatbilstība ir īpaši acīmredzama pasažieru transportlīdzekļu nozarē. Tesla V4 Supercharger var sasniegt uzlādēšanas ātrumu "200 kilometri 5 minūtēs", savukārt Hyundai Nexo ūdeņraža degvielas šūnu transportlīdzeklis, neskatoties uz 3- minūtes ūdeņraža uzpildīšanu, kas nodrošina 800- kilometra diapazonu, tikai vienu trešdaļu no nobraukuma sasniedz, salīdzinot ar litiju. Šīs tehnoloģiskās īpašības nosaka, ka ūdeņraža kurināmā elementi ir piemērotāki lieljaudas pārvadājumiem un stacionāriem enerģijas uzglabāšanas scenārijiem, savukārt litija baterijas dominē īsā attāluma ceļojuma un portatīvo ierīču lietojumos.
II. Strukturālās pretrunas infrastruktūrā un rentabilitātē
Globālais uzlādes pāļu skaits ir pārsniedzis 18 miljonus, un Ķīna veido 6,6 miljonus vienību. Turpretī ūdeņraža degvielas uzpildes staciju skaits ir mazāks par 400. Šī ievērojamā infrastruktūras plaisa tieši noved pie ierobežotās ūdeņraža kurināmā elementu transportlīdzekļu izplatības, kas paliek zem 1%, neskatoties uz spēju sasniegt 180- Dienas starpsezonas enerģijas uzglabāšanu ar 8% zaudējumu līmeni tādos projektos kā Zhangjiakouk vēja jaudas-hidrogēna iniciatīvā. Šis ierobežojums ir saistīts ar nelielu ūdeņraža degvielas uzpildes tīklu.
Turpretī litija baterijas ir piedzīvojušas litija dzelzs fosfāta akumulatoru cenu kritumu līdz 0. 5 juaņas\/wh. BYD asmeņu akumulatora tehnoloģija, izmantojot strukturālas inovācijas, ir palielinājusi apjoma izmantošanu par 50%, ļaujot elektriskiem transportlīdzekļiem, kuru cena ir 200, 000 Yuan, lai sasniegtu braukšanas diapazonu, kas pārsniedz 700 kilometrus.
Izmaksu pretruna izpaužas arī resursu autonomijā. Ķīnas litija resursu atkarība no importa pārsniedz 70%, savukārt tās ūdeņraža enerģijas resursu autonomijas ātrums sasniedz 98%. Šī resursu piešķīruma starpība dod ūdeņraža degvielas šūnām dabiskas priekšrocības pārrobežu pārvadāšanā, kā parādīts ūdeņraža uzpildīšanas staciju veidošanā, kas pievienota “rietumu ūdeņraža uz austrumiem” cauruļvadu. Lai arī Toyota Mirai degvielas elementu sistēmas izmaksas ir samazinājušās no 50, 000 ASV dolāriem līdz 18, 000 ASV dolāri, norādot uz sākotnējo apjomradīto ietaupījumu parādīšanos, pašreizējās zaļās ūdeņraža ražošanas izmaksas (35 juaņu\/kg) paliek 2,3 reizes vairāk nekā dīzeļa, ierobežojot lielas vērtības komercializāciju.
III. Divkārši apsvērumi par drošības riskiem un vides īpašībām
Ūdeņraža kurināmā elementu drošības riski galvenokārt koncentrējas uz ūdeņraža uzglabāšanu un transportēšanu. Neskatoties uz protonu apmaiņas membrānas spēju novērst tiešu elektronu pārnešanu, ūdeņraža ļoti viegli uzliesmojošais un sprādzienbīstamais raksturs joprojām prasa īpašus aizsardzības pasākumus. Kanādas ūdeņraža lokomotīves pieņem divslāņu ūdeņraža uzglabāšanas tvertnes un spiediena sensorus, lai kontrolētu noplūdes varbūtību zem viena miljona.
Turpretī litija bateriju drošības apdraudējumi galvenokārt rodas no termiskā bēgšanas. CATL "nešautā" akumulatora tehnoloģija, izmantojot elektrolītu piedevas un separatoru pārklājumus, ir paaugstinājusi termisko bēguļojošo sprūda temperatūru līdz 180 grādiem.
Attiecībā uz vides īpašībām ūdeņraža kurināmā šūnas visā dzīves ciklā var sasniegt nulles emisiju, ja ūdeņraža ražošanai tiek izmantota atjaunojamā enerģija. Zhangjiakou vēja jaudas-hidrogēna projekts samazina oglekļa dioksīda emisijas par 120, 000 tonnas gadā. Tomēr pelēkajam ūdeņradim (ražots no fosilā kurināmā) ir oglekļa emisijas intensitāte, kas pārsniedz benzīna intensitāti. Litija akumulatora ražošana rada 15 tonnas oglekļa izmešu uz tonnu litija karbonāta, un smago metālu, piemēram, kobalta un niķeļa riskus rada vides riski. Neskatoties uz to, Baosteel uz ūdeņraža bāzes vārpstas krāsns veidošanas tehnoloģija samazina oglekļa emisijas uz tonnu tērauda par 50%, samazinot ūdeņradi dzelzs rūdu, parādot ūdeņraža kurināmā elementu unikālo vērtību rūpnieciskajā dekarbonizācijā.
Iv. Rafinēta darba un sadarbības inovāciju dalīšana lietojumprogrammu scenārijos
Pasažieru transportlīdzekļu nozarē litija baterijas dominē ar 90% tirgus daļu, pateicoties uzlādes tīklu termiņam. Tesla 3. modelis samazina enerģijas patēriņu uz 100 kilometriem līdz 12,5 kWh līdz 4680 baterijām un šases līdz šasei (CTC) tehnoloģijai. Turpretī ūdeņraža kurināmā elementi ir veikuši atklājumus lieljaudas pārvadājumos. Ķīnas plānotais "ūdeņraža enerģijas koridors" aptvers tādus reģionus kā Pekinas-Tianjin-Hebei apgabals un Yangtze upes delta, samazinot savstarpējās provinces pārvadāšanas izmaksas ar ūdeņradi darbināmām smagajām kravas automašīnām par 30%, salīdzinot ar dīzeļdegvielu.
Enerģijas uzglabāšanas nozarē parādās tehnoloģiskās integrācijas tendence. CATL "ūdeņraža-litija hibrīda uzglabāšanas" sistēma samazina kopējās izmaksas par 40%, izmantojot litija baterijas, lai regulētu momentānu jaudu un ūdeņraža kurināmā elementus ilgtermiņa enerģijas uzkrāšanai. Šis sadarbības inovācija tika apstiprināta Zhangjiakou ziemas olimpisko spēļu laikā, kur 10 MW ūdeņraža enerģijas uzglabāšanas spēkstacija un litija akumulatora enerģijas uzkrāšanas stacija veidoja hibrīda sistēmu, panākot papildu veiktspēju ar otrā līmeņa reakciju un ikdienas līmeņa enerģijas uzkrāšanu.
V. Nākotnes izredzes, kuras virza tehnoloģiskā iterācija un politika
PEM elektrolizeru enerģijas patēriņš ūdeņraža ražošanai ir samazinājies līdz 4 kWh\/nm³, un fotoelektriskās ūdeņraža ražošanas izmaksas Ningxia tuvojas ogļu bāzes ūdeņradim. Toyota un BMW ir kopīgi izstrādājuši ceturtās paaudzes degvielas elementu sistēmu, samazinot platīna katalizatora lietojumu par 90% un samazinot izmaksas līdz 1, 000 ASV dolāri par kilovatu. Litija akumulatoru nozarē cietvielu bateriju masveida ražošanas grafiks ir palielināts līdz 2027. gadam. BYD Haishi 07 eV, kas aprīkots ar litija mangāna dzelzs fosfāta baterijām, ir uzlabojis zemas temperatūras diapazona saglabāšanu līdz 85%.
Politikas līmenī Eiropas Savienība pilnvaro dzelzceļa dekarbonizācijas līmeni, kas līdz 2030. gadam pārsniedz 50%, un Ķīna ir iekļāvusi ūdeņraža enerģiju "jaunās enerģijas pārvadāšanas veicināšanas katalogā". Tiek prognozēts, ka līdz 2040. gadam ūdeņraža enerģija veidos 23% no termināļa enerģijas pieprasījuma, savukārt litija baterijas aptvers 45% no mobilā ceļojumu tirgus. Šī divkāršā enerģijas stratēģija ļauj tādiem modeļiem kā Hyundai Nexo, lai panāktu 900- kilometru braukšanas diapazonu caur ūdeņraža-elektrisko divkāršo sistēmu, un CATL un Honda ir kopīgi izstrādājuši "akumulatora apmaiņas + ūdeņraža enerģijas" risinājumu, lai nodrošinātu elastīgu enerģijas nomaiņu smagajiem kravas automašīnām.
Secinājums: simbiotiskās līdzāspastāvēšanas ceļš enerģijas revolūcijā
Konkurence starp ūdeņraža kurināmā elementiem un litija baterijām būtībā ir izsmalcināta darbaspēka dalīšana tehnoloģiskos scenārijos. Litija baterijas ar to priekšrocībām izmaksās, efektivitātē un infrastruktūrā ir neaizvietojamas īsās distances ceļojuma un portatīvo ierīču lietojumprogrammās. Ūdeņraža degvielas šūnas ar enerģijas blīvuma potenciālu, braukšanas diapazonu un rūpniecisko dekarbonizāciju atspoguļo turpmāko virzienu lieljaudas transportēšanai un stacionārai enerģijas uzkrāšanai. Kā paredzēts Eiropas Savienības "Dual Track Enerģijas stratēģijā", šajā tehnoloģiskajā revolūcijā nav vienas uzvarētāja. Tikai ar materiālu inovāciju palīdzību sistēmas integrācija un politikas koordinācija var tikt realizēta enerģijas pāreja saskaņā ar 2060. gada oglekļa neitralitātes mērķi. CATL "ūdeņraža-litija hibrīda uzglabāšanas" sistēmas un Toyota "ūdeņraža un elektriskās divkāršās sistēmas" tehnoloģiskā prakse jau ir izgaismojusi enerģijas revolūcijas un daudzveidības raksturīgo enerģijas revolūcijas un daudzveidības rītausmu.
