התחרות הטכנולוגית בין תאי דלק מימן לסוללות ליתיום: תחרות מובחנת מעקרונות לתרחישי יישום

בשפל של מהפכת האנרגיה החדשה, תאי דלק מימן וסוללות ליתיום, כשתי טכנולוגיות כוח ליבה, מעצבות מחדש את נוף האנרגיה דרך מסלולי טכנולוגיה מובחנים. תאי דלק מימן משיגים המרת אנרגיה של פליטת אפס באמצעות תגובות אלקטרוכימיות בממברנות חילופי פרוטון, ואילו סוללות ליתיום מסתמכות על האינטרקטציה והדיאטרציה של יוני ליתיום בין אלקטרודות חיוביות לשליליות לאחסון אנרגיה. מאחורי התחרות הטכנולוגית הזו טמונה תחרות רב-ממדית מובחנת מבחינת צפיפות האנרגיה, יעילות המרה, תשתיות, יעילות עלות ועוד. תאימות המאפיינים הטכנולוגיים שלהם עם תרחישי יישום קובעת את מערכת היחסים המשלימה והסימביוטית שלהם בעידן נייטרליות הפחמן.

I. הבדלים מהותיים בעקרונות הטכנולוגיים ובפרמטרים של ביצועים

תאי דלק ממברנה של פרוטון (PEMFCS), סוג תאי דלק מימן, מייצרים חשמל באמצעות תגובות כימיות מימן-חמצן. יתרונות הליבה שלהם טמונים בצפיפות אנרגיה וביכולת הסתגלות בטמפרטורה נמוכה. קח כדוגמה את רכב תאי הדלק של טויוטה מיראי; צפיפות האנרגיה המערכתית שלה מגיעה ל -33.6 קוט"ש\/ק"ג, פי 168 מזו של סוללות ליתיום. תדלוק מימן יחיד בשלוש דקות מאפשר טווח נהיגה {5}} קילומטר. מאפיין זה הופך אותו למתאים מאוד ליישומים כמו כוח המתיחה של 4.4 מגה -וואט של קטר המימן של הרכבת האוקיאנוס השקט (CPKC), כאשר עלויות צריכת האנרגיה נמוכות ב -42% מאלה של דיזל, ושמירה על הביצועים עולה על 95% אפילו בסביבות קרות במיוחד (-30 תואר).

מצד שני, סוללות ליתיום משיגות מטען ופריקה דרך נדידת יוני ליתיום בין אלקטרודות חיוביות ושליליות. המחקר והפיתוח של Amperex Technology Co., Limited (CATL) של טכנולוגיית סוללות במצב מוצק העלו את צפיפות האנרגיה ל -500 וואט\/ק"ג. עם זאת, מוגבלים על ידי התכונות הכימיות של יוני ליתיום, ביצועי הטמפרטורה הנמוכה שלהם (ריקבון קיבולת של 40% במידה {4}}) וצפיפות האנרגיה עדיין נופלת מתאי דלק מימן.

מבחינת יעילות ההמרה, סוללות ליתיום, כמכשירי אחסון אנרגיה ישירים, מתהדרים ביעילות המרת אנרגיה עד 90%. לעומת זאת, תאי דלק מימן עוברים תהליך המרה משני של "חשמל-מימן-חשמלי", וכתוצאה מכך יעילות שרשרת מלאה של 35%–45%בלבד. אי התאמה יעילות זו ניכרת במיוחד בתחום רכב הנוסעים. מגדש העל V4 של טסלה יכול להשיג מהירות טעינה של "200 ק"מ תוך 5 דקות", ואילו רכב תאי הדלק של יונדאי Nexo מימן, למרות תדלוק מימן 3- דקה המאפשר טווח {10}} קילומטר, רק משיג שיר של המילאז 'לליטה. מאפיינים טכנולוגיים אלה מכתיבים כי תאי דלק מימן מתאימים יותר לתחבורה כבדה ותרחישים לאחסון אנרגיה נייחים, ואילו סוללות ליתיום חולשות על נסיעות למרחקים קצרים ויישומי מכשירים ניידים.

II. סתירות מבניות בתשתיות ובעלות יעילות

המספר העולמי של ערימות הטעינה עלה על 18 מיליון, כאשר סין מהווה 6.6 מיליון יחידות. לעומת זאת, מספר תחנות התדלוק המימן עומד על פחות מ -400. פער משמעותי זה בתשתיות מוביל ישירות לחדירת השוק המוגבלת של רכבי תאי דלק מימן, שנשארים מתחת ל -1% למרות היכולת להשיג {5}} אחסון אנרגיה צולבת של 8% בפרויקטים של שיעור אובדן של 8% בפרויקטים של זיהוקו-הידג'אוקו. מגבלה זו נובעת מרשת תדלוק מימן דליל.

לעומת זאת, סוללות ליתיום היו עדים לירידה במחיר של סוללות ליתיום ברזל פוספט לליטיום ליתיום ל 0. 5 Yuan\/WH. טכנולוגיית סוללות הלהב של BYD, באמצעות חדשנות מבנית, הגבירה את השימוש בנפח ב -50%, מה שמאפשר לרכבים חשמליים במחיר של 200, 000 יואן כדי להשיג טווח נסיעה העולה על 700 ק"מ.

סתירה עלות באה לידי ביטוי גם באוטונומיה של המשאבים. התלות במשאב הליתיום של סין ביבוא עולה על 70%, ואילו שיעור האוטונומיה של משאב אנרגיית המימן שלה מגיע ל 98%. הפרש ההקצאה של משאב זה מעניק לתאי דלק מימן יתרון טבעי בהובלה חוצה אזורית, כפי שהודגם בבניית תחנות תדלוק מימן המלוות את הצינור "המערבי למימן למזרח". למרות שהעלות של מערכת תאי הדלק של טויוטה מיראית צנחה מ- 50, 000 דולר ארה"ב ל -18, 000 דולר אמריקאי, המציינת את הופעתם הראשונית של כלכלות קנה מידה, העלות הנוכחית של ייצור מימן ירוק (35 יואן\/ק"ג) נשארת פי 2.3 של דיזל, חילוץ מסחריון מסחרי גדול.

III. שיקולים כפולים של סיכוני בטיחות ומאפיינים סביבתיים

סיכוני הבטיחות של תאי דלק מימן מתרכזים בעיקר סביב אחסון ותחבורה של מימן. למרות היכולת של קרום חילופי הפרוטון למנוע העברת אלקטרונים ישירה, האופי הדליק והנפיץ ביותר של מימן עדיין מחייב אמצעי הגנה מיוחדים. קטרי מימן קנדיים מאמצים מיכלי אחסון מימן שכבה כפולה וחיישני לחץ לשלוט בהסתברות הדליפה מתחת למיליון אחד ממיליון.

לעומת זאת, סכנות הבטיחות של סוללות ליתיום נובעות בעיקר מברחה תרמית. טכנולוגיית הסוללה "הלא-מוחלטת" של CATL, באמצעות תוספי אלקטרוליטים וציפוי מפריד, העלתה את טמפרטורת ההדק התרמית לריחה תרמית ל -180 מעלות.

לגבי מאפיינים סביבתיים, תאי דלק מימן יכולים להשיג פליטת אפס לאורך מחזור חייהם אם משתמשים באנרגיה מתחדשת לייצור מימן. פרויקט הכוח של Zhangjiakou Power-to-Hydrogen מפחית פליטות פחמן דו חמצני עד 120, 000 טון מדי שנה. עם זאת, למימן אפור (המיוצר מדלקים מאובנים) יש עוצמת פליטת פחמן העולה על זו של בנזין. ייצור סוללות ליתיום מייצר 15 טון פליטת פחמן לטון של ליתיום פחמתי, וכריית מתכות כבדות כמו קובלט וניקל מציבות סיכונים סביבתיים. אף על פי כן, טכנולוגיית תנורי הברזל מבוסס מימן מבוסס מימן של Baosteel מפחיתה את פליטת הפחמן לטון פלדה ב- 50% באמצעות הפחתת מימן של עפרות ברזל, ומציגה את הערך הייחודי של תאי דלק מימן בפירוק תעשייתי.

Iv. חלוקת עבודה מעודנת וחדשנות שיתופית בתרחישי יישומים

בתחום רכב הנוסעים, סוללות ליתיום חולשות עם נתח שוק של 90% בגלל פירעון רשתות הטעינה. TESLA מודל 3 מפחית את צריכת האנרגיה לכל 100 ק"מ ל 12.5 קוט"ש דרך 4680 סוללות וטכנולוגיית תא לרכבה (CTC). לעומת זאת, תאי דלק מימן ביצעו פריצות דרך בהובלה כבדה. "מסדרון אנרגיית המימן" המתוכנן של סין יכסה אזורים כמו אזור בייג'ינג-טיאנג'ין-הביי ודלתא נהר יאנגצה, ויפחית את עלויות ההובלה החוצה-פרובינציאליות עבור משאיות כבדות המונעות על ידי מימן ב -30% בהשוואה לסולר.

בענף אחסון האנרגיה, מגמה של אינטגרציה טכנולוגית מתגלה. מערכת "האחסון ההיברידי של CATL," Catl "מפחיתה את העלויות הכוללות ב- 40% על ידי שימוש בסוללות ליתיום כדי לווסת את הכוח המיידי ותאי דלק מימן לאחסון אנרגיה לטווח הארוך. חידוש שיתופי זה קיבל תוקף במהלך אולימפיאדת החורף של ג'נג'יאקו, שם תחנת חשמל לאחסון אנרגיה מימן של 10 מגה-וואט ותחנת אחסון אנרגיה לסוללות ליתיום הקימו מערכת היברידית, והשיגה ביצועים משלימים עם תגובה ברמה השנייה ואחסון אנרגיה ברמה היומית.

V. סיכויים עתידיים המונעים על ידי איטרציה ומדיניות טכנולוגית

צריכת האנרגיה של אלקטרוליזרים של PEM לייצור מימן ירדה ל -4 קוט"ש\/ננומטר, ועלות ייצור המימן הפוטו-וולטאי בנינגקסיה מתקרבת לזו של מימן מבוסס פחם. טויוטה וב.מ.וו פיתחו במשותף את מערכת תאי הדלק מהדור הרביעי, והפחיתו את השימוש בזרז פלטינה ב -90% וקיצץ עלויות ל -1, 000 דולרים אמריקאיים לקילוואט. בענף סוללות ליתיום, ציר הזמן של ייצור המוני לסוללות במצב מוצק הועבר לשנת 2027. Haishi 07 EV של BYD, מצויד בסוללות ליתיום מנגן ברזל פוספט, שיפר את שמירה על טווח הטמפרטורה הנמוכה ל 85%.

ברמת המדיניות, האיחוד האירופי מחייב את שיעור הפירוק של הרכבת העולה על 50% עד שנת 2030, וסין כללה אנרגיית מימן ב"קטלוג קידום תחבורה אנרגטי חדש ". צפוי כי עד שנת 2040, אנרגיית המימן תהיה מהווה 23% מהביקוש לאנרגיה סופנית, ואילו סוללות ליתיום יכסה 45% משוק הנסיעות הניידות. אסטרטגיית אנרגיה כפולה-מסלול זו מאפשרת לדגמים כמו יונדאי נקסו להשיג טווח נסיעה 900- קילומטר דרך מערכת כפולה מימן-חשמלית, וקטל והונדה פיתחו במשותף "פיתרון של הסוללה + אנרגיה מימן" כדי לספק חידוש אנרגיה גמישה למשאיות כבדות.

מסקנה: הדרך של דו קיום סימביוטי במהפכת האנרגיה

התחרות בין תאי דלק מימן לסוללות ליתיום היא למעשה חלוקת עבודה מעודנת בתרחישים טכנולוגיים. סוללות ליתיום, עם היתרונות שלהן בעלות, יעילות ותשתיות, אינן ניתנות להחלפה ביישומי נסיעות למרחקים קצרים וביישומי מכשירים ניידים. תאי דלק מימן, עם הפוטנציאל שלהם בצפיפות אנרגיה, בטווח הנסיעה ובפחירת תעשייה, מייצגים את הכיוון העתידי לתחבורה כבדה ואחסון אנרגיה נייחת. כפי שנצפה ב"אסטרטגיית האנרגיה הכפולה של האיחוד האירופי ", אין שום זוכה בודד במהפכה טכנולוגית זו. רק באמצעות חדשנות מהותית, שילוב מערכות ותיאום מדיניות יכול לממש את מעבר האנרגיה תחת יעד נייטרליות הפחמן של 2060. הפרקטיקות הטכנולוגיות של מערכת "מימן-ליתיום היברידי" של CATL ומערכת המערכת הכפולה-חשמלית של טויוטה, כבר האירו את שחר מהפכת האנרגיה בעתיד ירוק המאופיין בשיתוף מימן-ליתיום ומגוון.