El contraste de la batería de combustible de hidrógeno y la batería de iones de litio

El análisis de la batería de combustible de hidrógeno y la batería de litio.

Si bien los países están promoviendo vigorosamente los vehículos eléctricos en las últimas décadas, pero la proporción sigue siendo muy baja, menos del 1%, el núcleo es que la densidad de energía de los automóviles eléctricos está en violación del cambio de energía ascendente de la lógica. 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 más rápido que la mejora. Pero la aparición de la pila de combustible ha cambiado todo eso. Se basa en hidrógeno como materia prima, la densidad de energía es 3 veces mayor que la gasolina y la eficiencia de trabajo del motor es 2 veces mayor que la del motor de combustión interna, la densidad real es 6 veces mayor que la de la gasolina, ventajas 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 es la densidad de energía. En el futuro, es una tendencia inevitable cambiar de energía de carbono a energía de hidrógeno. Por lo tanto, las pilas de combustible que utilizan energía de hidrógeno pueden sin duda representar la dirección del desarrollo histórico y muy probablemente se conviertan en la próxima generación de energía básica.

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 de las baterías de litio, la capacidad de la batería, la capacidad de carga rápida y el rango tienen una ventaja natural, incluso con el lujo superior coches de baterías de iones de litio también es una gran ventaja que Tesla. Pero su densidad de potencia no es alta, la potencia de salida máxima depende del sistema de batería de energía auxiliar y del índice de velocidad de kilómetros por hora más alto y mejor correspondiente y de la batería de litio. A modo de comparación, seleccionamos a continuación la corriente principal de 2 l de vehículos de gasolina, correspondiente a 45 grados de batería de litio y la potencia de salida de los vehículos de celda de combustible de 100 kW como punto de referencia.

Comparación de densidad energética

Como una especie de batería de almacenamiento, las baterías de iones de litio son un sistema cerrado, la batería es el portador de energía, para cargarse de antemano para funcionar, la densidad de energía depende de la densidad de energía de los materiales del electrodo. Debido a que la densidad de energía del material del cátodo es mayor que la positiva, para mejorar la densidad de energía es escalar los materiales del ánodo, como de plomo ácido, níquel y luego a la batería de litio. Pero el litio es un elemento metálico mínimo de peso atómico, teóricamente mejor que los materiales del ánodo de la batería de iones de litio es solo un electrodo de litio puro, pero el hecho es que la densidad de energía es solo 1/4 de la gasolina, y la comercialización de la dificultad técnica es grande, unas pocas décadas no es un gran avance. Por lo tanto, sujeto a los cuellos de botella de la teoría de la ascensión de la densidad de energía de la batería de litio, el espacio es muy limitado, como máximo, es decir, desde los actuales 160wh / KG a 300wh / KG, incluso a solo 1/120 de la celda de combustible, se pierde en el arranque. línea.

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. Los vehículos con batería de litio se dividen en dos rutas técnicas principales: ternaria y fosfato de hierro y litio. Las empresas representativas son 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

La pila de combustible puede entenderse como un sistema de generación de energía química que utiliza hidrógeno como materia prima, por lo que la potencia de salida es relativamente estable. Para maximizar la potencia de descarga, se debe agregar un sistema de batería de potencia. Por ejemplo, Toyota Mirai es una batería de níquel-hidrógeno de apoyo. Sin embargo, como sistema de energía abierto, su energía proviene de una entrada externa. La batería de Ni-MH adicional no necesita considerar el problema del almacenamiento de energía. Siempre que sea de 5 a 8 grados, puede satisfacer la demanda y la duración de la batería no es alta. Hay pocas restricciones de uso. Aunque la eficiencia de descarga teórica de las baterías de litio es muy alta, para no dañar la vida útil de la batería, existen muchas restricciones de uso. En el caso de carga completa, no se puede descargar a gran velocidad, y la descarga rápida solo es aplicable al intervalo de 0-80%. Aun así, con una tasa de descarga de 5 ° C, el ciclo de vida de la batería en el laboratorio se acortará a solo 600 veces y se reducirá aún más a 400 veces en condiciones reales. Por ejemplo, incluso Telsa tiene una potencia máxima de 310 kW, pero la tasa de descarga real es de solo 4 ° C. Además, las baterías de litio se utilizan como sistemas cerrados de almacenamiento de energía con baja densidad de energía, y la descarga de alta potencia y el alto rango de crucero son básicamente difíciles de ser compatibles a menos que el peso de la batería aumente considerablemente. Aunque Tesla usa la batería ternaria de mejor densidad actual, sus componentes de batería pesan casi media tonelada.

Comparación de seguridad

Además de los índices anteriores, sin duda es fundamental para la seguridad de los vehículos de motor. La batería de litio como sistema cerrado de energía, en principio es difícil de compatibilizar con alta densidad energética y seguridad, de lo contrario es igual a la bomba. Por lo tanto, en la ruta del proceso principal, el fosfato de hierro y litio con baja densidad de energía es más seguro, y la descomposición comienza cuando la temperatura de la batería alcanza los 500-600 grados, y básicamente no requiere demasiada protección como equipo auxiliar. Tesla que usa la densidad de energía de la batería ternaria es alta, pero no resistente a altas temperaturas, 250-350 grados se descompondrán, mala seguridad. La densidad energética de la batería ternaria utilizada por Telsa es alta, pero no resiste las altas temperaturas. Se descompondrá a 250-350 grados y tiene poca seguridad. La solución es conectar más de 7000 baterías en paralelo, lo que reduce en gran medida el riesgo de fugas de una sola batería e incluso la combinación de un dispositivo de protección de batería complejo. Y los accidentes anteriores sucedieron varias veces, aunque se benefician del diseño de seguridad del Tesla y no hay víctimas, pero en términos del accidente en sí, en realidad es una colisión muy leve, el cuerpo tampoco recibió ningún daño, pero la batería está en llamas. , y también refleja su seguridad en el lado natural de las desventajas.

Celdas de combustible debido a la materia prima de hidrógeno inflamable y explosivo, el mercado generalmente se preocupa por su seguridad. Pero como tenemos los datos de la siguiente tabla, el vapor y el gas de los dos vehículos más comunes que el gas combustible de los vehículos de gasolina, la seguridad del hidrógeno no es mala, e incluso un poco mejor. Los dispositivos de almacenamiento de hidrógeno de los vehículos ahora están utilizando material de fibra de carbono, a 80 km / h de velocidad, las pruebas de colisión de múltiples ángulos pueden salir ilesas. Incluso si el accidente causa una fuga debido a los requisitos de explosión de hidrógeno de alta concentración, antes de la explosión generalmente había comenzado a arder, pero es difícil explotar. Hidrógeno y peso ligero, el sistema de desbordamiento del hidrógeno aumentará rápidamente después del incendio, en lugar de en cierta medida, para proteger la carrocería y los pasajeros. Gasolina para batería de litio líquida para sólidos, es difícil elevarse en la atmósfera, arder en la parte inferior del carro tanque, el vehículo se incendiará rápidamente. Los enlaces de almacenamiento y transporte de hidrógeno y GNL en realidad son muy similares, solo que la presión requerida es mayor, con la comercialización, su seguridad general es manejable.

El costo del automóvil a batería se divide principalmente en el costo total del vehículo, los costos de las materias primas y los costos. Para la pila de combustible, lo más vilipendiado ahora, el costo es demasiado alto, pero con el desarrollo del ojo, a medida que aumenta el progreso de la tecnología y el grado de comercialización, es un gran espacio para reducir los costos. Y batería de litio si se considera el costo de la expansión y el lado de la red, de hecho, el costo integral es mayor que el de las celdas de combustible, la medida específica es la siguiente:

La comparación de costos de vehículos

La batería de litio, la celda de combustible y los vehículos de gasolina tradicionales, las diferencias de costo de los vehículos se materializan principalmente en los costos del motor, estos otros componentes. El automóvil con motor de gasolina de 2 l cuesta alrededor de 30000 yuanes, el futuro es difícil de tener el cambio demasiado grande. El costo de kWh de las baterías de iones de litio existentes es de 1200 yuanes / kWh, se espera que el futuro se reduzca a 1000 yuanes / kWh, 45 grados de vehículos eléctricos, la batería cuesta 45000 yuanes. La pila de combustible cuesta principalmente y la batería de almacenamiento de hidrógeno de alta presión, ahora el costo de la batería de 100 KW es de 100 Yuan, prediciendo una producción anual de 500000, el costo por unidad bajará a $ 30 / KW, que es de 20000 Yuan. El costo de almacenamiento de hidrógeno existente es de 60000 yuanes, se espera que el futuro caiga a 35000 yuanes, el costo total es de 55000 yuanes. La diferencia de costo a largo plazo de tres sistemas de energía no es grande, el costo visible del vehículo no es el problema central.

Comparación de costos de materias primas

El consumo de combustible de un automóvil de gasolina de 2 litros es de 10 litros cada 100 kilómetros y el precio de la gasolina es de 5,8 yuanes / l. El costo es de 58 yuanes. Coche de batería de litio cientos de kilómetros de consumo de energía por 17 grados, costo de 0,65 Yuan / KWH, cuesta 11 Yuan. Cien kilómetros de celdas de combustible consumen hidrógeno 9 cuadrados, los métodos de producción de hidrógeno se dividen principalmente en la electrólisis del agua o la reacción química, como la producción de carbón e hidrógeno, la producción de hidrógeno a partir de gas natural, etc. El costo de la electrólisis del agua es principalmente electricidad, el promedio de 5 KWH 1 hidrógeno, cuesta alrededor de 3.8 Yuan / cuadrado, pero puede ser directamente una estación de hidrógeno electrolítico, ahorra costos de transporte. Si se utiliza la producción centralizada a gran escala de energía fósil, el costo interno más bajo es el de carbón a hidrógeno, que es de aproximadamente 1,4 yuanes / cuadrado, mientras que América del Norte puede usar gas natural barato a un costo de 0,9 yuanes / cuadrado. Si tomamos el costo del gas de carbón como estándar, el costo de las materias primas por cada 100 kilómetros es de 12,6 yuanes, que no es muy diferente de las baterías de litio.

Comparación de costos coincidentes

El costo de las estaciones de servicio, gasolineras y estaciones de carga se divide principalmente en costos de tierra, costos de equipos, costos de construcción, la diferencia se refleja principalmente en el costo del equipo. Estación de servicio básica en 3 millones de yuanes, la estación de carga es de 4,3 millones de yuanes, se espera que las estaciones de servicio según el estándar actual de Japón sean de 15 millones de yuanes, el costo total de las estaciones de servicio es superior a 10 millones de yuanes. De acuerdo con los 15 años de depreciación, el volumen de ventas anual de 10 millones de cuadrados, el costo de depreciación es de 0,1 yuanes / cuadrado. Cuando el hidrógeno pequeño generalmente se transporta en camiones cisterna, el flete es de 0,44 yuanes / cuadrado, se espera que se amplíe el uso de transporte por tuberías, el costo se reducirá a 0,23 yuanes / cuadrado.

Aunque las baterías de litio en el sistema de red listo para usar en la actualidad y forman un conjunto completo de costo es muy bajo. Pero si es una promoción, la capacidad de redundancia de la red existente se agotará y lo básico debe ser una expansión a gran escala en el futuro. Igualar la externalización de costos para que la estación de carga sea esencialmente para la red, por lo que calcular el costo de toda la cadena de la industria agregará el costo de la red eléctrica. La operación comercial general de la estación de carga durante al menos 1 hora para lograr el estándar de carga rápida, correspondiente a la potencia de la estación de carga que consta de 10 pilas de carga, alcanzará los 600 kilovatios, el equivalente a cientos de familias de carga de energía, el impacto en la potencia carga de la red en gran medida. La red correspondiente necesita una nueva inversión de 1,2 millones de yuanes para aumentar la carga, pero un aumento anual de la cantidad vendida solo 930000 grados, de acuerdo con el costo de compra de electricidad 0,65 yuanes / grado, el lado de la red hace 15 años de inversión en el cálculo, el precio debe basarse sobre los costos aumentaron en 0,18 yuanes / grado.

Estimaciones de costos del lado de las ventas

La red de ventas de la estación de servicio es muy madura, el nivel de ganancias se puede utilizar como una estación de servicio por hora, la medida de referencia para un rendimiento razonable. Las estaciones de servicio correspondientes a cada lado son de 0,51 yuanes, 4,9 yuanes por kilovatio-hora de baterías de iones de litio. La situación de la electricidad, básica no puede promover el coche con batería de litio. Las regulaciones actuales del estado, el límite de carga de servicio de la estación de carga a 0,4 yuanes / grado, pero sus antecedentes reciben una gran cantidad de subsidios. Pero no hay industria que pueda confiar en los subsidios para desarrollarse durante mucho tiempo, en el futuro, si la eficiencia de carga de la batería de litio no fue significativa, este enlace en la estación de servicio, la rentabilidad empresarial será significativamente menor que la estación de servicio y la estación de servicio. No hay retorno razonable, exiguo en las grandes ciudades. Los inversores no tienen ningún incentivo para promover las estaciones de carga, ni el desarrollo natural de la industria. Pero la baja densidad de energía de la batería de litio es demasiado baja, si se le obliga a lograr una alta eficiencia de carga, el desafío de ingeniería para la vida útil del ciclo de la batería será muy grande. E incluso puede realizar una carga rápida de 3 minutos, pero correspondiente a una sola pila de carga para ser tan alta como 1200 kilovatios de potencia a cada estación de carga para formar un conjunto completo de una subestación de 110KV. La inversión de hasta 50 millones de yuanes, cubre un área de 5000 metros cuadrados, y alrededor de 300 metros no puede tener un edificio residencial, tiene un gran desafío para las ciudades costeras en el nivel operativo ahora.

Coste total

Integra todos los costos anteriores, automóvil de gasolina, batería de litio, en la etapa actual, y comercializa completamente los automóviles de celda de combustible después de cien kilómetros, cuesta 58, 83, 23 y 20 yuanes. La proporción del costo de las baterías de litio debido a que el precio de venta es muy alto, consideramos que la pila de carga es el 1/3 de la inversión en equipos de la estación de servicio, las ganancias por horas cayeron a 1.4 yuanes, el costo integral hay 37 yuanes, la ventaja de costo de los autos de celda de combustible durante mucho tiempo sigue siendo muy obvio. De hecho, esta también es la raíz de todas las celdas de combustible, la densidad de energía es más alta, los mismos casos comerciales, el costo de la naturaleza tiene la ventaja.

Una lógica importante para el desarrollo de vehículos de nueva energía es la conservación de la energía y la protección del medio ambiente, que sin duda es más importante para China. En la actualidad, China no solo está gravemente contaminada por el aire, sino que también tiene una dependencia de las importaciones de petróleo de hasta el 60%, el 85% del cual está sujeto al Estrecho de Malaca controlado por Estados Unidos. La seguridad energética se ha convertido en la mayor debilidad de nuestra seguridad nacional. Por lo tanto, una razón importante para que el estado otorgue enormes subsidios a los vehículos de nueva energía es aliviar la dependencia de las importaciones de petróleo. Entonces, a continuación, comparamos los dos aspectos de conservación de energía, protección ambiental y limitaciones de recursos, de la siguiente manera:

Comparación de ahorro de energía y protección del medio ambiente

Los materiales de pila de combustible de hidrógeno en nuestro país en la actualidad el carbón es el medio más económico de producción de hidrógeno, la energía de la batería de litio de las materias primas, en nuestro país proviene principalmente del carbón para producir electricidad. Por lo tanto, ambas fuentes de energía se derivan del carbón. Las emisiones de carbono simplemente se transfieren al flujo ascendente. Por lo tanto, si se ahorra energía o no, depende de la eficiencia de conversión de energía. El coche de batería de litio consume cada cien kilómetros 17 grados, lo que corresponde a 6,8 kg de carbón; Las pilas de combustible por cada cien 9 kilómetros cuadrados consumen hidrógeno, la pérdida de enlace de almacenamiento y transporte 20%, correspondiente al carbón fue de 7,3 kg; Vehículos de gasolina cada 10L de cientos de kilómetros de combustible carbón carbón equivalente a 10 kilogramos. 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 en las ricas reservas de carbón de China, alivia el problema de la seguridad energética. Desde la perspectiva de la protección del medio ambiente, casi no hay emisiones de escape de las pilas de combustible y solo se emite una pequeña cantidad de baterías de litio. La contaminación de toda la industria se concentra principalmente en el upstream. Sin embargo, en comparación con el tratamiento de las emisiones de escape de vehículos de gasolina dispersas, el control centralizado de la contaminación aguas arriba es sin duda mucho menos difícil. En resumen, la cadena de la industria de las pilas de combustible tiene la menor contaminación y puede considerarse como la mejor energía para vehículos ecológicos.

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