Nov 10, 2018 Pageview:769
La clara tarea principal de cada innovación energética exitosa en la historia de la humanidad es mejorar el número de densidad de energía. Por ejemplo, la densidad energética del carbón es 160 veces mayor que la de la madera y la densidad energética del petróleo es 2 veces mayor que la del carbón. Solo cuando la nueva energía obtenga las abrumadoras ventajas sobre la densidad de energía, podrá revertir la aplicación inercial de la energía tradicional con una red subyacente completa de larga duración y un auxiliar industrial. El principio de 10 veces lo aplica Grove in IT, el fundador de INTEL, lo que significa que una vez que aparece la tecnología extremadamente nueva, es abrumadora. Por ejemplo, el automóvil de gasolina se inventó 20 años después que el automóvil eléctrico, con tecnología temprana inmadura, pero aún reemplaza rápidamente al automóvil eléctrico por una alta densidad de energía.
Análisis de pila de combustible de hidrógeno y batería de iones de litio
Los automóviles eléctricos se promueven ampliamente en todo el mundo en los últimos años, pero la proporción sigue siendo inferior al 1%, porque el automóvil eléctrico antes violó el propósito de mejorar la densidad de energía durante la innovación. La densidad de energía extrema del automóvil con batería de iones de litio de última generación es solo 1/40 de la de la gasolina. Es difícil progresar a un ritmo diez veces mayor en la industria de las baterías. Sin embargo, la pila de combustible cambia totalmente esta condición. Basado en hidrógeno como materia prima, tiene tres veces la densidad de energía básica que la gasolina, la eficiencia de trabajo del motor eléctrico es dos veces mayor que la del motor de combustión interna y su densidad real es 6 veces mayor que la gasolina. Sus ventajas son obviamente. Datando de la historia evolutiva de los recursos energéticos en los últimos cien años, podemos descubrir que es esencialmente una historia de modificación de la relación carbono-hidrógeno. Cuanto más contenido de hidrógeno, mayor densidad de energía. La transformación de recursos de carbono a hidrógeno es una tendencia. Por lo tanto, es posible que la pila de combustible de hidrógeno sea la próxima potencia energética esencial.
Las principales prestaciones del automóvil son la resistencia, el tiempo de carga / carga de hidrógeno, la potencia de salida, el rendimiento de seguridad, etc. La densidad de energía de la pila de combustible es mucho mayor que la de la batería de iones de litio. La pila de combustible tiene ventajas en cuanto a capacidad, carga rápida y resistencia. Incluso en comparación con la batería de iones de litio de Tesla, sigue teniendo un gran rendimiento. Sin embargo, no tiene una alta densidad de potencia. La potencia de salida máxima depende del sistema de batería de potencia auxiliar. Hay poca diferencia entre la pila de combustible y la batería de iones de litio en la velocidad máxima y el índice de aceleración por kilómetro. Para un análisis más detallado, tomemos un automóvil de gasolina con desplazamiento de gas de 2L, un automóvil con batería de iones de litio de 45 grados y un vehículo de celda de combustible con una potencia de salida de 100KW como ejemplos a continuación.
Densidad de energia
Como una de las baterías de almacenamiento, la batería de iones de litio es un sistema cerrado. La batería es un portador de energía, no puede funcionar sin cargarse. Su densidad de energía depende de los materiales de los electrodos. Para aumentar la densidad de energía, necesitamos actualizar los materiales del ánodo de plomo-ácido, a base de níquel, a litio, porque la densidad de energía de los materiales del cátodo es mucho mayor que la de los materiales del ánodo. Sin embargo, Li es el elemento metálico con menor peso atómico. El único material de ánodo que es mejor que el ion de litio es el electrodo de litio con 1/4 de la densidad de energía de la gasolina. Además, el electrodo de litio tiene dificultades tecnológicas en la comercialización y apenas hace el proceso dentro de una docena de años. Por lo tanto, solo puede actualizar la densidad de energía de 160Wh / KG en la actualidad a 300Wh / KG, debido al cuello de botella teórico. Incluso cuando hace que esto se haga realidad, es solo 1/120 de la celda de combustible. Está condenado a ser un fracaso al principio.
Densidad de energía volumétrica
La principal deficiencia del material de hidrógeno de la pila de combustible es la falta de densidad de energía de alto volumen. Este problema tiende a resolverse elevando la presión en la actualidad. Según el modo de presión de 700 presiones barométricas, su densidad de energía volumétrica es 1/3 de la gasolina. En cuanto a la carrera de 300 kilómetros, el volumen del tanque de hidrógeno de la celda de combustible es de 100L, el peso es de 30 KG, el tanque de combustible equivalente de un automóvil de gasolina es de 30L. Afortunadamente, el volumen del motor eléctrico es 80L más pequeño que el del motor de combustión interna, por lo que tienen un volumen total similar. Hay dos tipos de técnicas de tecnología convencional para el fosfato de hierro y litio ternario de vehículos con batería de iones de litio. Las empresas representativas son Tesla y BYD. El ternario tiene una densidad de energía más alta pero un rendimiento de seguridad deficiente y necesita un dispositivo de protección auxiliar. Los volúmenes de estos dos tipos de baterías son 140L y 220L, y el peso es de 0,4 toneladas y 0,6 toneladas para 300 kilómetros de carrera. Ambos son más altos que la pila de combustible. Si la aleación de almacenamiento de hidrógeno y la tecnología de almacenamiento de hidrógeno líquido a baja temperatura pueden pasar, la densidad de energía volumétrica de la celda de combustible aumentará 1,5 veces y 2 veces por separado. Sus ventajas serán más evidentes.
Densidad de poder
La pila de combustible es esencialmente un sistema de energía química de materia prima de hidrógeno, por lo que su potencia de salida es estable. Para actualizar la energía de descarga, necesita un sistema de batería de energía, como Toyota Mirai, batería auxiliar NI-MH. Como un sistema de energía abierto, la energía proviene de una entrada externa, la batería auxiliar NI-MH no tiene problemas de almacenamiento de energía, que puede cumplir con el requisito de 5-8 ℃, tiene un bajo requisito de ciclo de vida y tiene pocas restricciones de servicio durante aplicación real. Aunque la eficiencia de descarga del diseño es alta, existen muchas restricciones de servicio para proteger el ciclo de vida de la batería de iones de litio. No se puede descargar a alta velocidad después de cargarse completamente. La descarga rápida debe estar dentro del 0-80%. Sin embargo, el ciclo de vida en el laboratorio todavía se reduce a 600 veces la descarga en 5C y se reduce a 400 veces durante la aplicación real. Por ejemplo, la tasa de descarga real de Telsa es 4C, incluso si su potencia máxima es 310KW. Como sistema de almacenamiento de energía de sellado con baja densidad de energía, la descarga de alta potencia y el alto kilometraje de resistencia no pueden ser compatibles, a menos que aumente sustancialmente el peso de la batería. El peso de la batería es de casi media tonelada después de usar la batería ternaria con la mejor densidad de energía en la actualidad.
Rendimiento de seguridad
El desempeño de seguridad también es muy esencial para los vehículos de motor. Como sistema de almacenamiento de energía de sellado, la alta densidad de energía y el rendimiento de seguridad no pueden ser compatibles, o la batería explotará. Por lo tanto, durante las técnicas convencionales, el rendimiento de seguridad de la batería Lifepo4 con baja densidad de energía es bueno y no comenzará a descomponerse solo cuando la temperatura sea de 500-600 ℃, por lo que no es necesario preparar tantos equipos auxiliares de protección. La batería ternaria de Telsa tiene una alta densidad de energía, pero no tiene resistencia a altas temperaturas, se descompondrá a 250-350 ℃ con un rendimiento de seguridad deficiente. La solución es conectar más de 7000 baterías en paralelo, lo que reduce la fuga y la explosión de una sola batería. Además, también necesita un complicado dispositivo de protección. No hubo víctimas en los varios accidentes anteriores debido al diseño de seguridad de Telsa, pero la batería contra incendios refleja su instintivo desempeño deficiente en seguridad.
Debido a que el hidrógeno es inflamable y explosivo, la pila de combustible que lo usa como materia prima afectará el desempeño de seguridad. Sin embargo, en comparación con el vapor de combustible y el gas natural, ambos son gases inflamables populares para los automóviles y el rendimiento de seguridad del hidrógeno es mejor. Hoy en día, el dispositivo de almacenamiento de hidrógeno está hecho de material de fibra de carbono y no hay ningún problema con la batería durante la detección de intersecciones multidireccionales a 80 km / h. Incluso si el accidente automovilístico provoca una fuga, es difícil que el hidrógeno explote porque necesita una alta concentración para la explosión, pero se quema al principio. Además, el hidrógeno tiene un peso ligero. El hidrógeno en combustión sube después de que se filtra el dispositivo, que protege el automóvil y los pasajeros. Por el contrario, la gasolina está en estado líquido, la batería de iones de litio está en estado sólido. Ninguno de los dos puede ser fácil de elevar por el aire. Se quemarán debajo del automóvil y luego el automóvil se desguazará rápidamente. El almacenamiento y transporte de hidrógeno son similares al GNL y necesitan más presión. A medida que se promueve la comercialización, su desempeño en materia de seguridad puede controlarse cada vez mejor.
El costo del vehículo a batería se divide en el costo del automóvil completo, el costo de la materia prima y el costo de ensamblaje. En la actualidad, el principal defecto de la pila de combustible es el coste. En cuanto al desarrollo, el costo puede reducirse debido al rápido desarrollo y comercialización de la tecnología. Dado que el costo de la expansión de la red eléctrica, el costo total de ensamblaje de la batería de iones de litio será más alto que el de la celda de combustible. El cálculo es el siguiente:
Costo de todo el automóvil
El costo del motor es la parte más diferente del costo del automóvil completo entre el automóvil de la batería de iones de litio, la celda de combustible y la gasolina. El costo del motor de un automóvil de gasolina de 2 litros es de alrededor de 30.000 yuanes, lo que puede tener poca diferencia en el futuro. Recientemente, el costo de la batería de iones de litio es de 1200 yuanes / kWh, y puede disminuir a 1000 yuanes / kWh en el futuro. El costo de la batería de un vehículo eléctrico de 45 grados es de 45.000 yuanes. Los principales costos de la celda de combustible son el paquete de baterías y el tanque de almacenamiento de alta presión. La batería de 100KW cuesta ahora 100.000 yuanes. Se prevé que el costo por unidad disminuirá a 30 dólares / KW, que es de 20.000 yuanes en RMB, después de la producción anual de 500.000 piezas. El tanque de almacenamiento de hidrógeno cuesta ahora 60.000 yuanes. Puede disminuir a 35.000 yuanes y el costo total es de 55.000 yuanes. Los costos de estos tres tipos de sistemas de energía tendrán poca diferencia durante mucho tiempo. El costo del automóvil completo no es el problema principal.
Materia prima
Un coche de gasolina de 2 litros consume 10 litros de gasolina por kilómetro. La gasolina cuesta 5,8 yuanes por litro, por lo que cuesta 58 yuanes en total. El consumo de energía por kilómetro de coche con batería de iones de litio es de 17 kWh. cuesta 0,65 yuanes / kWh y 11 yuanes en total. La pila de combustible consume 9 m3 de hidrógeno por kilómetro. Los principales métodos de producción de hidrógeno son la electrólisis del agua o la reacción química, como la producción de hidrógeno mediante carbón, gas natural, etc. El costo de la electrólisis del agua es de electricidad, 5kWh y 1 m3 en promedio. Cuesta alrededor de 3,8 yuanes / m3. Puede electrolizar en la estación de repostaje de hidrógeno, a fin de ahorrar dinero para el transporte. Si adopta energía fósil para la producción en masa. El costo del hidrógeno fabricado con carbón es el más barato y ronda los 1,4 yuanes / m3. América del Norte puede utilizar gas natural económico, que cuesta 0,9 yuanes / m3. Tome el costo de fabricar hidrógeno con carbón como estándar, el costo de la materia prima por kilómetro es de 12,6 yuanes. Es un poco diferente a la de la batería de iones de litio.
Costo de montaje
Los costos de la estación de repostaje de hidrógeno, la estación de servicio y la estación de carga se dividen en costo del terreno, costo de la instalación y costo de construcción. Sus principales diferencias están en el costo de las instalaciones. La gasolinera cuesta normalmente 3000.000 yuanes, la estación de carga cuesta alrededor de 4300.000 yuanes, mientras que la estación de repostaje de hidrógeno se prevé en 15.000.000 yuanes según el estándar reciente de Japón. Comparativamente, el costo de la estación de reabastecimiento de hidrógeno es totalmente 10000,000 yuanes más alto que el de los demás. Según la depreciación de 15 años, si el volumen de ventas de hidrógeno es de 10 millones de metros cúbicos, el costo de depreciación será de 0,1 yuanes / m3. Normalmente, el hidrógeno a pequeña escala se transporta en vagones cisterna, cuyo costo de transporte es de 0,44 yuanes / m3. El hidrógeno a mayor escala se puede transportar por tuberías, y luego el costo se reducirá a 0,23 yuanes / m3.
Aunque el costo de ensamblaje de la batería de iones de litio es bajo y depende del sistema de red eléctrica completo, debe expandirse en el futuro, porque el resto de la red eléctrica reciente se agotará después de la popularización a gran escala. La estación de carga coloca el costo de ensamblaje en la red eléctrica, así que recuerde prestar atención al costo de la red eléctrica cuando calcule el costo de toda la cadena de la industria. La estación de carga de funcionamiento comercial cumplirá con el estándar de carga rápida de 1 hora como mínimo. La potencia de la estación de carga hecha por 10 pilas de carga es de 600 KW, que es lo mismo que cientos de cargas eléctricas domésticas y tiene un fuerte efecto en la red eléctrica. Necesita invertir más de 1,2 millones de yuanes para ampliar la red eléctrica. Sin embargo, el volumen de ventas anual es de solo 930.000 kWh. Calcule en 0,65 yuanes / kWh y, según la predicción de la depreciación a 15 años, el precio de venta debe aumentar 0,18 yuanes / kWh sobre el costo.
Costos de venta
Se desarrolla la red de ventas de la gasolinera. La ganancia por hora puede ser el estándar de cálculo de rendimiento razonable para la estación de servicio. La diferencia de precio de la estación de repostaje de hidrógeno es de 0,51 yuanes por metro cúbico, mientras que la batería de iones de litio es de 4,9 yuanes por kWh, lo que se opone a la ampliación del coche con batería de iones de litio. En la actualidad, el límite superior del cargo por servicio en la estación de carga establecido por el gobierno es de 0,4 yuanes / kWh con un gran subsidio. Sin embargo, no hay industrias que puedan desarrollarse mediante subsidios a largo plazo. Si no se puede mejorar la eficiencia de carga de la batería de iones de litio en el futuro, la ganancia empresarial será mucho menor que la de la gasolinera y la estación de repostaje de hidrógeno. Sin un rendimiento razonable, el inversor no incentivará la promoción de la estación de carga debido al alto costo en la ciudad, por lo que la industria no puede desarrollarse normalmente. La densidad de energía de la batería de iones de litio es tan baja que es un gran desafío para la técnica de ciclo de vida si es necesario buscar una alta eficiencia de carga. Incluso si se realiza una carga rápida de 3 minutos, la potencia de la pila de carga única relacionada debe alcanzar los 1200 KW. Cada estación de carga requiere una subestación transformadora auxiliar de 110 KV. La inversión será de 50 millones de yuanes, la estación cubrirá 5000 ㎡, no se permiten edificios residenciales dentro de los 300 metros alrededor, y es un gran desafío de implementación en la gran ciudad costera.
Coste total
En total, los costos por cien kilómetros de automóvil de gasolina, automóvil con batería de iones de litio, vehículo de celda de combustible antes y después de la comercialización son 58 yuanes, 83 yuanes, 23 yuanes y 20 yuanes. La diferencia en el costo de venta tiene una alta proporción en el costo total. Dado que la inversión de la pila de carga es 1/3 de la estación de hidrógeno, el costo compuesto es de 37 yuanes, incluso reduce el beneficio a 1,4 yuanes por hora. El vehículo de pila de combustible tiene la ventaja obvia del costo a largo plazo debido a la alta densidad energética de la pila de combustible. La pila de combustible cuesta menos que cualquier otra batería en el mismo estado de comercialización.
Una de las partes más importantes del desarrollo de vehículos de nueva energía es la protección del medio ambiente, que es más esencial en nuestro país. Hoy en día, la contaminación del aire en nuestro país es cada vez peor. Además, la interdependencia del comercio de importación de petróleo alcanza el 60%. El 85% del petróleo debe pasar por Malaca controlada por Estados Unidos. La seguridad energética se convierte en la mayor deficiencia de nuestra seguridad nacional. Por lo tanto, con el fin de disminuir la interdependencia de las importaciones, el gobierno paga mucho subsidio por el vehículo de nueva energía. Comparemos las diferencias en conservación de energía, protección ambiental y limitación de recursos de la siguiente manera:
Conservación de energía y protección del medio ambiente.
El método más económico para producir materia prima para pilas de combustible es el método de fabricación de carbón. La energía eléctrica de la batería de iones de litio en nuestro país también proviene principalmente de la generación de energía a base de carbón. Por lo tanto, ambos materiales provienen del carbón, la transferencia de emisiones de carbono al último proceso. Necesitamos comprobar la eficiencia de conversión de energía para saber si son respetuosos con el medio ambiente. Hoy en día, el automóvil con batería de iones de litio consume 17 kWh por cada cien kilómetros, lo que equivale a 6,8 kilogramos de carbón. La pila de combustible consume 9 m3 por cada cien kilómetros, pierde un 20% durante el envío, lo que agota 7,3 kilogramos de carbón. El coche de gasolina consume 10 litros de gasolina y su emisión de carbono equivale a 10 kilogramos de carbón. El efecto de ahorro de energía de los vehículos de nueva energía no es evidente. Su valor fundamental es transmitir el consumo de energía primaria del petróleo al carbón con abundantes recursos, lo que puede ayudar mucho en la seguridad energética. En cuanto a la protección del medio ambiente, el coche de pila de combustible apenas tiene emisiones de gases de escape, y el coche con batería de iones de litio tiene pocas emisiones. La contaminación de esta industria se encuentra principalmente en el último proceso. En comparación con el manejo de la emisión de gases de escape, el control de la contaminación en el último proceso será más fácil. Con todo, la pila de combustible tiene menos contaminación que cualquier otra energía en toda la cadena de la industria y puede considerarse como la mejor energía respetuosa con el medio ambiente.
Restricción de recursos
La pila de combustible necesita platino de metal noble como catalizador, lo que puede provocar limitaciones de recursos. En 2015, la demanda mundial de platino es de 270 toneladas. Es ampliamente utilizado en catalizadores de limpieza de gases de escape de automóviles, joyería e industria. Las proporciones individuales son 44%, 34% y 22%. El consumo de platino de la bicicleta Mirai es de aproximadamente 20 g, que es 10-15 g más alto que el del automóvil de gasolina. Si la producción anual de vehículos de pila de combustible ocupa el 5% de la global, el crecimiento del consumo anual es de alrededor de 56 toneladas, lo que parece causar una gran conmoción. Sin embargo, si la producción anual de recursos de litio es de 80.000 toneladas, la producción anual correspondiente con 40.000 toneladas impactará mucho, lo que puede ser probado por los picos de precios del mineral de Li en este año. El objetivo a medio plazo de Toyota es reducir el consumo de platino en un 75% y realizar el reciclaje de catalizador. Si se logra uno de los objetivos anteriores, la restricción de recursos del platino puede casi resolverse.
Estado de comercialización
En cuanto a la comercialización, existe una brecha de cinco años entre el automóvil de celda de combustible y el automóvil con batería de iones de litio. Todavía pertenece al estado de comercialización en la actualidad y puede hacer un gran progreso en 2020. Los países con tecnología líder mundial son Japón y Estados Unidos en la actualidad, especialmente Japón es casi el único país que tiene una gran técnica en vehículos de pasajeros. Mirai que se puso en producción en masa en 2015 básicamente cumple con el estándar inicial de comercialización. Comparativamente, es la falta de alguien que lidere en la industria nacional de baterías. Solo Beiqi Foton y SAIC han producido autocares de pila de combustible en los Juegos Olímpicos de 2008 y la Exposición Universal de 2010, pero todavía están en fase de demostración. Como el desarrollo de la tecnología de pilas de combustible, nuestro país puede hacer grandes progresos rápidamente con una gran economía.
Energía en el futuro y reconstrucción del sistema industrial
Recientemente, la energía global proviene de la energía de borde de la fusión nuclear del sol, y la potencia de salida total es 1.8 * 1013. Según la escala de Kardashev, todavía se encuentra en el estado de civilización planetaria. Para satisfacer el requisito inicial de la civilización estelar 1016, es necesario realizar una fusión nuclear controlable. En ese momento, 1 kilo de isótopo de hidrógeno puede producir más de 100 millones de kWh de energía, lo que equivale a 1 kilo de agua de mar por 300 litros de petróleo. El agua se convierte en petróleo ya no es un sueño, y la energía ya no es el tema que atascó el desarrollo humano. El costo de producir hidrógeno por electrólisis del agua será menor, y la fusión nuclear controlable y la energía del hidrógeno se convertirán en la combinación final de la estructura energética. Entonces el petróleo puede salir del área de combustible, el costo de diferentes tipos de materiales a base de petróleo disminuirá a un precio increíble, lo que puede hacer infinitas posibilidades para la reconstrucción del sistema industrial en el futuro. Será una época maravillosa.
A lo largo de la historia de la humanidad, cada revolución energética tendrá como resultado la reconstrucción de todo el sistema industrial e incluso cambiará el país líder mundial. La primera revolución industrial hizo que Inglaterra se convirtiera en el país líder del mundo, mientras que la segunda revolución industrial hizo a Estados Unidos. Si el automóvil de pila de combustible reemplaza completamente al automóvil de petróleo en el futuro, todo el sistema industrial fundado por el petróleo se subvertirá, la superioridad técnica acumulada por el país desarrollado en los últimos 200 años se acortará rápidamente, y esto puede ser una buena oportunidad para nosotros para superar. Cuando aprovechemos esta oportunidad histórica, es probable que nos convirtamos en el país líder en el próximo sistema industrial. Japón es el primer país en inventar la batería de iones de litio, por lo que vale la pena considerar la razón por la que Japón renunció a la I + D del automóvil con batería de iones de litio y se dedicó al automóvil de celda de combustible.
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