Pilas de combustible de hidrógeno y baterías de litio

Por cada revolución energética exitosa en la historia de la humanidad, ha habido una línea lógica principal clara, que es que ha habido un salto de orden de magnitud en la densidad de energía. Por ejemplo, el carbón es 160 veces más caro que la madera y el petróleo es dos veces más caro. Solo cuando la nueva energía tiene la ventaja de aplastar la densidad de energía, podrá subvertir la red básica perfecta y las instalaciones de apoyo industrial establecidas por el desarrollo a largo plazo de la energía tradicional y revertir su enorme inercia en el uso. Esto es similar al principio de velocidad de 10 veces propuesto por grove, el fundador de Intel, en el campo de las TI. La nueva tecnología que se puede subvertir con éxito una vez que aparece es básicamente ardiente y abrumadora. Por ejemplo, los autos de gasolina aparecieron 20 años después que los autos eléctricos, y la tecnología temprana también era más inmadura, pero con la ventaja de la alta densidad energética, reemplazaron a los autos eléctricos como devastadores.

Análisis de pilas de combustible de hidrógeno y baterías de litio

En las últimas décadas, los países han promovido vigorosamente los vehículos eléctricos, pero la proporción de vehículos eléctricos sigue siendo muy baja, menos del 1%. Incluso la última generación de automóviles con batería de litio, el valor extremo de su densidad de energía es solo 1/40 de la gasolina, la industria ha tardado en aparecer 10 veces la velocidad de mejora. Pero las pilas de combustible han cambiado todo eso. Su hidrógeno como materia prima, la densidad de energía básica es tres veces mayor que la de la gasolina, la eficiencia de trabajo del motor es dos veces mayor que la del motor de combustión interna, la densidad real es seis veces mayor que la de la gasolina, las ventajas son obvias. Y la energía de los últimos cien años de evolución humana, su esencia es la historia del ajuste de la relación de hidrocarburos, cuanto mayor es el contenido de hidrógeno, mayor densidad de energía, el futuro de la energía del carbono a la energía del hidrógeno es la tendencia de The Times, por lo que el La pila de combustible de hidrógeno es más representativa de la dirección de desarrollo histórico y se espera que se convierta en la base de la próxima generación de energía.

El rendimiento del vehículo incluye principalmente resistencia, tiempo de carga / carga de hidrógeno, potencia de salida y seguridad, etc. La densidad de energía de la celda de combustible es mucho más alta que la batería de litio, la capacidad correspondiente de la batería, la capacidad de carga rápida y el rango tienen ventajas naturales, incluso en comparación con el automóvil de lujo superior La batería de litio de Tesla también es una ventaja sustancial. Pero su densidad de potencia no es alta, la potencia de salida máxima depende del sistema de batería de energía auxiliar, la velocidad máxima correspondiente y el índice de aceleración de 100 km y la batería de litio no es diferente. Para facilitar la comparación, seleccionamos el vehículo de gasolina de desplazamiento de gas de 2L de corriente principal actual, correspondiente al vehículo de batería de litio de 45 grados y la potencia de salida del vehículo de celda de combustible de 100KW como punto de referencia del análisis.

Comparación de densidad energética

Como tipo de batería, la batería de litio es un sistema cerrado. La batería es solo un portador de energía y solo puede funcionar después de haber sido cargada por adelantado. Su densidad de energía depende de la densidad de energía del material del electrodo. Dado que la densidad de energía actual de los materiales del ánodo es mucho mayor que la de los materiales del ánodo, el aumento de la densidad de energía requiere la actualización continua de los materiales del ánodo, como las baterías de plomo-ácido, series de níquel y litio. Pero el litio ya es el elemento metálico más pequeño en términos de peso atómico. Un mejor material de ánodo que el ión de litio es solo un electrodo de litio puro en teoría, pero su densidad de energía es en realidad solo una cuarta parte de la de la gasolina, y es extremadamente difícil de comercializar y no podrá abrirse paso durante décadas. Por tanto, la mejora de la densidad energética de la batería de litio está sujeta al cuello de botella teórico, y el espacio es muy limitado, es decir, de los 160Wh / KG actuales a 300Wh / KG como máximo, incluso si alcanza solo 1/120 de la pila de combustible, se puede decir que está en la línea de salida.

Comparación de densidad de energía volumétrica

La principal desventaja del hidrógeno crudo en las pilas de combustible es su bajo volumen y densidad energética. Según el modelo de presurización actual de 700 atmósferas, su densidad de energía volumétrica es 1/3 de la de la gasolina. El tanque de almacenamiento de hidrógeno de la celda de combustible tiene un volumen de 100 litros y un peso de 30 kg, lo que corresponde a 30 litros en el tanque de combustible del automóvil a gasolina. Sin embargo, el motor es 80 L más pequeño que el motor de combustión interna y la diferencia de volumen general no es significativa. El automóvil con batería de litio se divide en tres yuanes y el fosfato de hierro y litio dos rutas tecnológicas principales, empresas representativas de Tesla y byd. La densidad de energía ternaria es mayor, pero la seguridad es deficiente, lo que requiere equipo de protección de seguridad auxiliar. Los dos tipos de baterías requeridas para 300 km son 140L y 220L de volumen y 0.4ty 0.6t de peso, ambos mucho más altos que las celdas de combustible. De cara al futuro, si las aleaciones de almacenamiento de hidrógeno y las tecnologías de almacenamiento de hidrógeno líquido criogénico pueden ser un gran avance, el volumen de la celda de combustible y la densidad de energía aumentarán en 1,5 y 2 veces respectivamente, y las ventajas serán más obvias.

Comparación de densidad de potencia

En esencia, la pila de combustible puede entenderse como un sistema de generación de energía química con hidrógeno como materia prima, por lo que la potencia de salida es relativamente estable. Para maximizar la potencia de descarga, se debe agregar el sistema de batería de potencia. Por ejemplo, Toyota Mirai es una batería nimh de apoyo. Sin embargo, como sistema de energía abierto, su energía proviene de una entrada externa. La adición de la batería nimh no necesita considerar el problema del almacenamiento de energía. Con una longitud de 5-8 grados, puede satisfacer la demanda y tiene pocos requisitos de duración de la batería. Aunque la eficiencia de descarga teórica de la batería de litio es muy alta, pero para no dañar la vida útil de la batería, el uso de muchas restricciones. En el caso de que la carga completa no pueda ser una descarga de gran velocidad, la descarga rápida solo se aplica al 0-80% del rango. Aun así, el ciclo de vida de la batería en el laboratorio se acortará a solo 600 veces cuando se descargue a un multiplicador de 5C, y se reducirá aún más a 400 veces en condiciones de trabajo reales. Por ejemplo, aunque la potencia máxima de Telsa puede alcanzar los 310KW, el multiplicador de descarga real es solo 4C. Además, como sistema de almacenamiento de energía cerrado con baja densidad de energía, la batería de litio es difícil de ser compatible con descargas de alta potencia y alto rango a menos que el peso de la batería aumente considerablemente. Aunque Tesla UTILIZA la mejor batería ternaria con la mayor densidad de energía, los componentes de la batería pesan casi media tonelada.

Comparación de seguridad

Además de los indicadores anteriores, sin duda la seguridad también es muy importante para los vehículos de motor. Como sistema de energía cerrado, la batería de litio es difícil de ser compatible con alta densidad de energía y seguridad en principio, de lo contrario es equivalente a bomba. Por lo tanto, en el proceso principal actual, el fosfato de hierro y litio con baja densidad de energía es relativamente seguro. La batería no comienza a descomponerse hasta que la temperatura de la batería alcanza los 500-600 grados, lo que básicamente no requiere demasiado equipo auxiliar de protección. La batería ternaria que utiliza Telsa tiene una alta densidad energética, pero no es resistente a altas temperaturas. Se descompondrá a 250-350 grados y tiene poca seguridad. La solución es conectar más de 7.000 baterías en paralelo, lo que reduce drásticamente el riesgo de que una sola batería tenga fugas o explote, e incluso combinando un complejo sistema de protección de baterías. Además, aunque el diseño de seguridad de Telsa no provocó víctimas en los accidentes anteriores, en realidad fueron colisiones muy leves en cuanto a los accidentes en sí mismos, y la carrocería no sufrió lesiones. Sin embargo, la batería se incendió, lo que también reflejó sus desventajas naturales en la seguridad.

Dado que el hidrógeno es inflamable y explosivo, existe una preocupación generalizada sobre la seguridad de las pilas de combustible. Pero según los datos de la siguiente tabla, en comparación con el vapor de gasolina y el gas natural, dos gases combustibles comunes para los vehículos, el hidrógeno no es peor ni un poco mejor. Las unidades de almacenamiento de hidrógeno de los automóviles de hoy en día están hechas de fibra de carbono y pueden sobrevivir a una prueba de choque a 80 km / h en múltiples ángulos. Incluso si el accidente resulta en una fuga, las explosiones de hidrógeno, debido a la alta concentración requerida, generalmente comienzan a arder antes de la explosión, pero es difícil explotar. Y el hidrógeno es ligero, el hidrógeno del sistema de desbordamiento aumentará rápidamente después del incendio, pero hasta cierto punto para proteger la carrocería y los pasajeros. La gasolina es líquida, la batería de litio es sólida, es difícil elevarse en la atmósfera, la combustión está en la parte inferior de la cabina del automóvil, todo el automóvil disparará chatarra rápidamente. El enlace de almacenamiento y transporte de hidrógeno es en realidad muy similar al GNL, pero requiere más presión. Con la promoción de la comercialización, su seguridad general es controlable.

El costo del automóvil de batería se divide principalmente en costo del vehículo, costo de la materia prima y costo de apoyo. En la actualidad, las pilas de combustible son más criticadas por su elevado coste. Sin embargo, desde la perspectiva del desarrollo, con el avance de la tecnología y la mejora de la comercialización, hay mucho margen para la reducción de costos. Teniendo en cuenta el costo de la expansión de la red eléctrica, el costo de soporte integral de la batería de litio es en realidad más alto que el de la celda de combustible. El cálculo específico es el siguiente:

Comparación de costos de vehículos

La diferencia de costo entre la batería de litio, la celda de combustible y el vehículo de gasolina tradicional se refleja principalmente en el costo del motor, mientras que los otros componentes no son demasiado diferentes. El costo del motor de un automóvil de gasolina de 2 litros es de aproximadamente 30,000 yuanes, y es difícil tener muchos cambios en el futuro. El costo por kilovatio hora de la batería de litio existente es de 1200 yuanes / kWh, que se espera que se reduzca a 1000 yuanes / kWh en el futuro. El costo de la batería de un vehículo eléctrico de 45 grados es de 45.000 yuanes. El costo de la celda de combustible es principalmente el paquete de baterías y el tanque de almacenamiento de hidrógeno de alta presión. Ahora el costo de la batería de 100kw es de 100.000 yuanes. Se prevé que después de la producción anual de 500.000 juegos, el costo unitario se reducirá a 30 dólares / KW, es decir, 20.000 yuanes. El tanque de almacenamiento de hidrógeno existente cuesta 60.000 yuanes, que se espera que se reduzca a 35.000 yuanes en el futuro, con un costo total de 55.000 yuanes. A largo plazo, el costo de los tres sistemas de energía no difiere mucho, por lo que el costo del vehículo no es el problema principal.

Comparación de costos de materias primas

Un coche de gasolina de 2 litros consume 10 litros de combustible cada 100 kilómetros. El precio de la gasolina es de 5,8 yuanes / L y el costo es de 58 yuanes. El consumo de energía de 100 km del vehículo con batería de litio es de 17 grados, 0,65 yuanes / KWH, y el costo es de 11 yuanes. Las pilas de combustible consumen 9 metros cúbicos de hidrógeno cada 100 kilómetros. Los métodos de producción de hidrógeno se dividen principalmente en electrólisis de agua o reacciones químicas, como carbón a hidrógeno y gas natural a hidrógeno. El costo de la electrólisis del agua es principalmente electricidad, con un promedio de 5 KWH y 1 metro cúbico de hidrógeno. El costo es de aproximadamente 3,8 yuanes / metro cúbico, pero se puede electrolizar directamente en la estación de hidrogenación, lo que ahorra el costo de transporte. Si se adopta la producción centralizada y a gran escala de energía fósil, el costo más bajo en China es producir hidrógeno a partir del carbón, que es de aproximadamente 1,4 yuanes por metro cuadrado, mientras que el gas natural barato en América del Norte se puede utilizar a 0,9 yuanes por metro cuadrado. metro. Si tomamos el costo del carbón a gas como estándar, el costo de la materia prima de 100 kilómetros es de 12,6 yuanes, que no es muy diferente de la batería de litio.

Comparación de costos coincidentes

Los costos de las estaciones de servicio, gasolineras y estaciones de carga se dividen principalmente en costos de terrenos, costos de equipos y costos de construcción, y las diferencias se reflejan principalmente en los costos de equipos. La estación de servicio es básicamente de 3 millones de yuanes, la estación de carga es de 4,3 millones de yuanes, la estación de servicio se estima en 15 millones de yuanes según el estándar japonés actual, y el costo total de la estación de servicio es aproximadamente 10 millones de yuanes más alto. Según 15 años de depreciación, el volumen de ventas anual es de 10 millones de metros cúbicos, por lo que el costo de depreciación es de 0,1 yuanes / metro cúbico. A pequeña escala, el hidrógeno se transporta generalmente en camiones cisterna y el flete estimado es de 0,44 yuanes / metro cuadrado. Una vez que se amplía la báscula, se puede transportar mediante una red de tuberías y el costo se reducirá a 0,23 yuanes / metro cuadrado.

Aunque las baterías de litio actualmente dependen de sistemas de red disponibles en el mercado, el costo de mantenerlas es bajo. Pero si la expansión a gran escala, la redundancia de la capacidad de la red existente se agotará básicamente, debe ser una expansión a gran escala en el futuro. Por lo tanto, la estación de carga esencialmente externaliza los costos de soporte a la red eléctrica. Por lo tanto, al calcular el costo de toda la cadena industrial, se debe agregar el costo de la red eléctrica. En general, la operación comercial de las estaciones de carga debe cumplir con el estándar de carga rápida de una hora como mínimo, y la potencia de cada estación de carga compuesta por 10 pilas de carga debe alcanzar los 600 kilovatios, lo que equivale a la carga de energía de cientos de hogares y tiene un gran impacto en la carga de la red eléctrica. La red eléctrica correspondiente necesita una inversión adicional de 1,2 millones de yuanes para expandir la carga, pero el aumento anual de las ventas de electricidad es de solo 930.000 KWH. Según el cálculo del costo de compra de 0,65 yuanes / KWH y la recuperación de la inversión por parte de la red eléctrica finalizan en 15 años, el precio de venta aumentará en 0,18 yuanes / KWH sobre la base del costo.

Medición de costos por el lado de las ventas

La red de ventas de estaciones de servicio es muy madura y el nivel de beneficio por hora se puede utilizar como referencia para calcular el rendimiento razonable de las estaciones de servicio. La diferencia de precio es de 0,51 yuanes por metro cuadrado para una estación de hidrógeno y de 4,9 yuanes por kilovatio hora para una batería de litio. Bajo este precio de la electricidad, el vehículo con batería de litio básicamente no puede promocionarse. En la actualidad, la regulación nacional limita la tarifa de servicio de las estaciones de carga a 0,4 yuanes / KWH, pero el trasfondo es que están fuertemente subsidiadas. Sin embargo, ninguna industria puede depender de las subvenciones para desarrollarse durante mucho tiempo. Si la eficiencia de carga de la batería de litio no se mejora significativamente en el futuro, la rentabilidad de la empresa en la estación de servicio será significativamente menor que la de las estaciones de servicio y las estaciones de hidrógeno. Sin retornos razonables, los inversores no tienen ningún incentivo para promover estaciones de carga en las grandes ciudades donde la tierra es actualmente escasa y la industria no puede desarrollarse de forma natural. Sin embargo, la baja densidad de energía de la batería de litio es demasiado baja. Si se fuerza una alta eficiencia de carga, el desafío de ingeniería de la vida útil del ciclo de la batería será enorme. Además, incluso si se puede realizar la carga rápida de 3 minutos, la potencia de una sola pila de carga debe ser de hasta 1200 kw, y cada estación de carga debe estar equipada con una subestación de 110 kv. Su inversión es tan alta como 50 millones de yuanes, cubriendo un área de 5,000 metros cuadrados, y alrededor de 300 metros no pueden tener edificios residenciales, por ahora las ciudades costeras en el nivel operativo del desafío también es muy grande.

Coste total

Teniendo en cuenta todos los costos anteriores, el costo de los vehículos a gasolina, los vehículos con batería de litio y los vehículos con celdas de combustible en esta etapa y después de la comercialización total es de 58 yuanes, 83 yuanes, 23 yuanes y 20 yuanes. Dado que la diferencia de precio representa una alta proporción del costo de la batería de litio, considerando que la inversión del equipo de pila de carga es 1/3 de la de la estación de servicio, la ganancia por hora se reduce a 1,4 yuanes, y el costo integral sigue siendo 37 yuanes, la ventaja de costos a largo plazo del vehículo de celda de combustible sigue siendo muy obvia. De hecho, la raíz de todo esto es que las pilas de combustible tienen la mayor densidad energética. Cuando se comercializa, el costo es naturalmente ventajoso.

Una lógica importante del desarrollo de vehículos de nueva energía es el ahorro de energía y la protección del medio ambiente, que sin duda es más importante para China. En la actualidad, la contaminación del aire de China no solo es grave, sino que también depende de las importaciones de petróleo hasta en un 60%, 85% de las cuales también a través del estrecho de malaca controlado por Estados Unidos, la seguridad energética se ha convertido en la mayor debilidad de nuestra seguridad nacional. Por lo tanto, el estado otorga enormes subsidios a los vehículos de nueva energía, una razón importante es aliviar la dependencia de las importaciones de petróleo. En los siguientes párrafos, compararemos los dos aspectos de conservación de energía, protección ambiental y limitación de recursos, de la siguiente manera:

Comparación de ahorro de energía y protección del medio ambiente.

En la actualidad, el medio más económico de hidrógeno en bruto de celdas de combustible en China es producir hidrógeno a partir del carbón, y la energía en bruto de las baterías de litio en China también proviene principalmente de la generación de energía con carbón. Por lo tanto, ambos son esencialmente energía del carbón, y las emisiones de carbono simplemente se transfieren al flujo ascendente. Por lo tanto, si se logra la conservación de energía depende principalmente de la eficiencia de conversión de energía. En la actualidad, el automóvil con batería de litio consume 17 grados de electricidad cada 100 kilómetros, lo que corresponde a 6,8 kilogramos de carbón. La pila de combustible consume 9 metros cúbicos de hidrógeno cada 100 kilómetros, con una pérdida del 20% en el enlace de almacenamiento y transporte, correspondiente a 7,3 kilogramos de carbón. Un coche de gasolina consume 10 litros de gasolina cada 100 km y emite 10 kg de carbón. De hecho, el efecto de ahorro de energía de los vehículos de nueva energía no es obvio, su valor fundamental radica en el consumo de energía primaria del petróleo a las abundantes reservas de carbón de China, para aliviar el problema de la seguridad energética. Desde la perspectiva de la protección del medio ambiente, las pilas de combustible casi no tienen emisiones de escape, las baterías de litio tienen solo una pequeña cantidad de emisiones, la contaminación de toda la industria se concentra principalmente en el upstream. Pero comparado con lidiar con las emisiones dispersas de escape de los vehículos de gasolina, el control centralizado de la contaminación aguas arriba es sin duda mucho menos difícil. En general, la cadena de la industria de las pilas de combustible tiene la menor contaminación, lo que puede considerarse como la mejor energía para vehículos ecológicos.

Comparación de restricciones de recursos

Los catalizadores de pilas de combustible utilizan el platino, un metal precioso, y existe una preocupación generalizada por las limitaciones de recursos. En 2015, la demanda global total de platino fue de 270 toneladas, y los principales productos posteriores fueron el catalizador de limpieza de gases de escape de automóviles, la joyería y la industria, que representaron el 44%, 34% y 22%. Mirai UTILIZA alrededor de 20 g de platino por vehículo, 10-15 g más que un automóvil de gasolina. Suponiendo que los vehículos de pila de combustible representen el 5% de la producción anual mundial, con un aumento anual medio en el consumo de alrededor de 56 toneladas, parece una gran sorpresa. Pero bajo el mismo supuesto, el aumento anual en el consumo de recursos de litio es de 80.000 toneladas, lo que corresponde a la producción de 40.000 toneladas por año. De hecho, el impacto es mayor, como lo ha demostrado el alza del precio del mineral de litio este año. Además, el objetivo de optimización a mediano plazo de Toyota es reducir el consumo de unidades de platino en un 75% y lograr la recuperación de platino del catalizador. Si se logra alguno de los objetivos anteriores, la restricción de recursos de platino básicamente se resuelve.

Comparación de grado de comercialización

En términos de comercialización, la pila de combustible y el vehículo con batería de litio tienen una diferencia de aproximadamente cinco años. Todavía están en vísperas de la comercialización, y se espera que el punto de explosión sea alrededor de 2020. En la actualidad, Japón y Estados Unidos son los países líderes del mundo en términos de tecnología, especialmente en el campo de los turismos. En 2015, la producción en masa de Mirai básicamente alcanzó el estándar de entrada de comercialización. Por el contrario, China ha logrado pocos logros en el campo de la industrialización de las pilas de combustible. Solo baic foton y saic motor han producido autobuses de pila de combustible para los Juegos Olímpicos de 2008 y la exposición mundial de 2010, y todavía se encuentran en la etapa de demostración tecnológica. Sin embargo, la ventaja de China es su gran tamaño económico y, con la madurez de la tecnología de pilas de combustible, tiene la capacidad de ponerse al día rápidamente.

El futuro de la energía y la reestructuración de la industria

En la actualidad, toda la energía global todavía proviene de la energía de borde generada por la fusión nuclear solar, con una potencia de salida total de 1.8 * 1013. Según el índice de kardashev, todavía se encuentra en la etapa de civilización planetaria. En el futuro, si queremos seguir logrando avances, debemos lograr una fusión nuclear controlable. Solo de esta manera podemos lograr las condiciones iniciales de la civilización de 1016 estrellas. Un kilogramo de isótopos de hidrógeno podría generar cientos de millones de kilovatios de electricidad, equivalente a un kilogramo de agua de mar equivalente a 300 litros de gasolina. La electrólisis del agua en hidrógeno será extremadamente económica, la fusión nuclear controlable + la energía del hidrógeno se convertirá en la combinación definitiva de estructura energética. El petróleo puede liberarse por completo del campo de combustibles de gama baja, y el costo de diversas materias primas a base de petróleo se reducirá en una medida que se pueda imaginar, lo que también brinda infinitas posibilidades para la reconstrucción del sistema industrial humano en el futuro. . ¡Será una época muy hermosa!

A lo largo de la historia de la humanidad, cada revolución energética ha tenido como resultado la reestructuración de sistemas industriales completos e incluso el cambio de liderazgo mundial. La primera revolución industrial hizo Gran Bretaña y la segunda revolución industrial hizo América. Si los vehículos de pila de combustible pueden reemplazar completamente a los vehículos de petróleo en el futuro, todo el sistema industrial que sustenta el petróleo se subvertirá y el valor de las ventajas tecnológicas acumuladas por los países desarrollados en la era de los motores de combustión interna en los últimos 200 años se reducirá considerablemente. , lo que también le da a nuestro país la oportunidad de adelantar en una curva. Si podemos aprovechar esta oportunidad histórica, tendremos todas las posibilidades de convertirnos en el líder de la próxima generación de sistemas industriales. Japón, como el primer país en desarrollar baterías de litio, básicamente ha abandonado la investigación y el desarrollo de vehículos con baterías de litio y ha atacado enérgicamente la celda de combustible. Vale la pena pensar profundamente en la lógica que hay detrás.

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