Vergleichende Analyse von Wasserstoffbrennstoffzellen und Lithiumbatterien

Lithium Batterie

Eine "Lithiumbatterie" ist ein Batterietyp, der ein Lithiummetall oder eine Lithiumlegierung als negatives Elektrodenmaterial und eine nichtwässrige Elektrolytlösung verwendet. Lithium-Metall-Batterien wurden erstmals 1912 von Gilbert N. Lewis vorgeschlagen und untersucht. In den 1970er Jahren schlug MSWhitTIngham Lithium-Ionen-Batterien vor und begann mit deren Erforschung. Aufgrund der sehr aktiven chemischen Eigenschaften von Lithiummetall sind die Verarbeitung, Lagerung und Verwendung von Lithiummetall sehr anspruchsvoll für die Umwelt. Daher werden Lithiumbatterien seit langem nicht mehr verwendet. Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie sind Lithiumbatterien zum Mainstream geworden.

Lithiumbatterien können grob in zwei Kategorien unterteilt werden: Lithiummetallbatterien und Lithiumionenbatterien. Lithium-Ionen-Batterien enthalten kein metallisches Lithium und sind wiederaufladbar. Die Lithium-Metall-Batterie der fünften Generation mit wiederaufladbaren Batterien wurde 1996 geboren. Sicherheit, spezifische Kapazität, Selbstentladungsrate und Leistungspreisverhältnis sind besser als bei Lithium-Ionen-Batterien. Aufgrund der hohen technischen Anforderungen stellen nur wenige Unternehmen im Land solche Lithium-Metall-Batterien her.

Analyse von Wasserstoffbrennstoffzellen und Lithiumbatterien

Wasserstoff-Brennstoffzelle

Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine Batterie, die Wasserstoff als chemisches Element zum Speichern von Energie verwendet. Das Grundprinzip ist die Rückreaktion von elektrolysiertem Wasser, das der Anode und der Kathode Wasserstoff und Sauerstoff zuführt. Nachdem Wasserstoff durch die Anode nach außen diffundiert und mit dem Elektrolyten reagiert, werden die Elektronen durch eine externe Last an die Kathode abgegeben.

Eigenschaften von Wasserstoffbrennstoffzellen Umweltfreundliche Brennstoffzellen sind umweltfreundlich. Dies geschieht durch elektrochemische Reaktionen, nicht durch Verbrennung (Dampf, Diesel) oder Energiespeicherung (Batterie) - die typischste herkömmliche Notstromlösung. Bei der Verbrennung werden Schadstoffe wie COx, NOx, SOx-Gas und Staub freigesetzt. Wie oben erwähnt, produzieren Brennstoffzellen nur Wasser und Wärme. Wenn Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen (Photovoltaikmodule, Windenergieerzeugung usw.) erzeugt wird, ist der gesamte Zyklus ein vollständiger Prozess, der keine schädlichen Emissionen erzeugt.

Die geräuschfreie Brennstoffzelle ist leise und das Geräusch beträgt nur etwa 55 dB, was dem Niveau normaler Gespräche entspricht. Dadurch eignet sich die Brennstoffzelle für die Installation in Innenräumen oder dort, wo Lärm im Freien begrenzt ist.

Der Wirkungsgrad von hocheffizienten Brennstoffzellen kann mehr als 50% erreichen, was durch die Umwandlungseigenschaften von Brennstoffzellen bestimmt wird. Es wandelt chemische Energie direkt in elektrische Energie um, ohne dass Wärmeenergie und mechanische Energie (Generator) zwischengeschaltet werden.

Analyse von Wasserstoffbrennstoffzellen und Lithiumbatterien

Vergleichende Analyse von Wasserstoffbrennstoffzellen und Lithiumbatterien

Die globale Energielandschaft nähert sich dem Vorabend des großen Wandels

Während der gesamten Geschichte der Menschheit ist der Fortschritt der Zivilisation im Wesentlichen der Fortschritt der Intensität der Energieabgabe. In der frühen landwirtschaftlichen Zivilisation beruhte die Kraft hauptsächlich auf Mensch und Vieh, Holz und anderer Bioenergie. Die Ausgangsleistung war sehr begrenzt. Es wurde auch durch die Landtragfähigkeit begrenzt. Die Wirtschaft konnte nach der industriellen Revolution im 18. Jahrhundert mit der Dampfmaschine und der Verbrennungsmaschine nur auf niedrigem Niveau zirkulieren. Fördern Sie, die Grundenergie ist zu fossiler Energie geworden, die durch Kohle und Öl repräsentiert wird, die Energiedichte hat sich um das Hundertfache erhöht, und das BIP hat endlich die Fesseln der „Malthus-Falle“ durchbrochen und zeigt ein exponentielles Wachstum. Derzeit besteht die globale Energiestruktur aus 33% Rohöl, 24% Erdgas, 30% Kohle, 4% Atomkraft, 7% Wasserkraft und 2% neuer Energie. Fossile Energie hat eine absolut beherrschende Stellung. Mit Blick auf die Zukunft urteilen wir jedoch, dass die menschliche Energiestruktur den Vorabend einer weiteren großen Veränderung erreicht hat und das Öl voraussichtlich innerhalb von 30 Jahren vollständig ersetzt wird. Die durch Brennstoffzellen repräsentierte Wasserstoffenergie wird zur neuen führenden Energiequelle!

Die Öl-Ära wird vollständig ersetzt

Das größte Problem bei der Entwicklung der landwirtschaftlichen Zivilisation im späten Stadium besteht darin, dass begrenzte Landressourcen letztendlich das weitere Bevölkerungswachstum nicht unterstützen können. Als nicht erneuerbare Ressource ist fossile Energie auch mit den Einschränkungen der Ressourcenknappheit konfrontiert. Nach der linearen Extrapolation des Verbrauchswachstums in den letzten 20 Jahren können die weltweit nachgewiesenen Ölreserven nur 30 Jahre unterstützen. Auch wenn der technologische Fortschritt die Lebensdauer des Öls um Jahrzehnte verlängern kann, ist es im Vergleich zum Menschen immer noch ein Tag nützlichen Lichts. Die Geschichte, die mindestens tausend Jahre dauerte, hat immer noch keine Bedeutung. In Anbetracht der Tatsache, dass das derzeitige Explorationsniveau bereits ausreicht, ist die Wahrscheinlichkeit, kostengünstige große Ölfelder zu entdecken, sehr gering, und die Bergbaukosten für die potenzielle Versorgung werden immer höher. Dies wird letztendlich die rasche Beschleunigung der Kommerzialisierung alternativer Energiequellen stimulieren. Zum Beispiel ist die Entwicklung von Fahrzeugen mit Lithiumbatterien jetzt in vollem Gange, so dass die wirtschaftliche Ölverarmung früher eintreten könnte. In Zukunft wird es zu einem sehr kritischen Thema, wer Öl vollständig ersetzen und eine neue Generation von Fahrzeugkraftstoff werden kann.

Brennstoffzelle gegen Lithiumbatterie, die gewinnen wird

Gegenwärtig sind Lithiumbatterien und Brennstoffzellen die gängige technische Route für den Ersatz von Erdölfahrzeugen. Der größte Vorteil von Brennstoffzellen ist die hohe Energiedichte, die 120-mal so hoch ist wie die von Lithiumbatterien. Die Lithiumbatterie wurde jedoch früh gestartet, der Kommerzialisierungsgrad ist höher, die Kosten für das gesamte Fahrzeug sind niedriger und das Laden kann das vorhandene Stromnetz nutzen. Verglichen mit dem unterstützenden Netzwerk der gesamten Hydrierung und Wasserstoffversorgung der Brennstoffzelle muss der Bau von vorne beginnen und die Kosten müssen niedriger sein. Daher ist der Kern des Wettbewerbs zwischen beiden der Wettbewerb zwischen Energiedichte und Kosten. Die Kostenreduzierung ist ein technisches Problem, das durch Kommerzialisierung gelöst werden kann, während die Energiedichte dem Engpass im Bereich der Grundlagenwissenschaften gegenübersteht, im Grunde keine Lösung. Daher ist der Unterschied zwischen den beiden im Wesentlichen der Unterschied zwischen „Dao und Technologie“. Langfristig werden Brennstoffzellen zweifellos ein größeres Potenzial haben und voraussichtlich auch die nächste Generation der Grundenergie für Fahrzeuge sein.

Die Erhöhung der Energiedichte ist die Hauptleitungslogik

Jede erfolgreiche Energiewende in der Geschichte der Menschheit hat eine klare Hauptlogik, die eine Erhöhung der Energiedichte um eine Größenordnung darstellt. Wenn Kohle 160-mal höher als Brennholz ist, ist Öl 2-mal höher als Kohle. Neue Energie kann nur das perfekte Grundnetz und die industrielle Unterstützung untergraben, die durch langfristige Entwicklung geschaffen wurden, und ihre enorme Nutzungsträgheit nur mit den Vorteilen der Verdichtung der Energiedichte umkehren. Dies ähnelt dem vom Gründer Grove im IT-Bereich vorgeschlagenen 10-fachen Geschwindigkeitsprinzip, dh sobald die neue Technologie, die erfolgreich unterlaufen werden kann, erscheint, ist sie im Grunde genommen ein Funke und nicht mehr aufzuhalten. Zum Beispiel sind Benzinfahrzeuge 20 Jahre später als Elektrofahrzeuge. Die frühe Technologie ist ebenfalls unausgereifter, hat jedoch mit dem Vorteil einer hohen Energiedichte Elektrofahrzeuge ersetzt.

Analyse von Wasserstoffbrennstoffzellen und Lithiumbatterien

Obwohl die Länder Elektrofahrzeuge in den letzten Jahrzehnten energisch fördern, ist ihr Anteil immer noch sehr gering und liegt immer noch unter 1%. Der Kern ist, dass die früheren Elektrofahrzeuge gegen die Hauptlogik der Verbesserung der Energiedichte verstoßen haben. Selbst bei der neuesten Generation von Lithium-Ionen-Batterie-Autos beträgt die extreme Energiedichte nur 1/40 des Benzins, das die Industrie natürlich nicht zehnmal schneller verbessern kann. Das Aufkommen von Brennstoffzellen hat den Status quo jedoch grundlegend verändert. Es wird Wasserstoff als Rohstoff verwendet, die Grundenergiedichte ist dreimal so hoch wie die von Benzin, die Arbeitseffizienz des Motors ist doppelt so hoch wie die des Verbrennungsmotors und die tatsächliche Dichte ist sechsmal so hoch wie die von Benzin. Darüber hinaus ist es aus der Geschichte der menschlichen Energieentwicklung im vergangenen Jahrhundert im Wesentlichen die Geschichte der Anpassung des Kohlenwasserstoffverhältnisses. Je höher der Wasserstoffgehalt ist, desto höher ist die Energiedichte. Die zukünftige Verlagerung von Kohlenstoff zu Wasserstoff ist der Trend der Zeit. Daher sind Brennstoffzellen, die Wasserstoff verwenden, zweifellos repräsentativer für die Richtung der historischen Entwicklung und werden höchstwahrscheinlich zur grundlegenden Energiequelle für die nächste Generation.

Die Leistung des Kraftfahrzeugs ist hauptsächlich die Ausdauer, Lade- / Ladezeit, Ausgangsleistung und Sicherheit. Die Energiedichte von Brennstoffzellen ist viel höher als die von Lithiumbatterien. Die entsprechende Batteriekapazität, Schnellladekapazität und Reichweite haben einen natürlichen Vorteil, auch wenn sie mit dem Luxusauto Tesla der Spitzenklasse von Lithiumbatterien verglichen werden. Die Leistungsdichte ist jedoch nicht hoch, und die maximale Ausgangsleistung hängt vom Hilfsenergiebatteriesystem ab. Die entsprechende Höchstgeschwindigkeit und der Beschleunigungsindex von 100 Kilometern sowie die Lithiumbatterie unterscheiden sich nicht wesentlich. Zum Vergleich wählen wir als analytischen Benchmark das derzeitige 2-Liter-Abgasbenzinfahrzeug aus, das dem 45-Grad-Lithiumbatteriefahrzeug und dem 100-kW-Kraftstoffbatteriefahrzeug mit Ausgangsleistung entspricht.

Energiedichtevergleich

Als eine Art Batterie ist die Lithiumbatterie ein geschlossenes System. Die Batterie ist nur der Energieträger. Es muss im Voraus aufgeladen werden, um zu laufen. Die Energiedichte hängt von der Energiedichte des Elektrodenmaterials ab. Da die Energiedichte des negativen Elektrodenmaterials gegenwärtig viel größer als die der positiven Elektrode ist, erfordert das Erhöhen der Energiedichte ein kontinuierliches Aufrüsten des positiven Elektrodenmaterials, beispielsweise von Blei-Säure zu Nickel zu lithium-batterien. Lithium ist jedoch bereits das Metallelement mit dem geringsten Atomgewicht. Das Kathodenmaterial mit besseren Lithiumionen ist theoretisch nur eine reine Lithiumelektrode, aber die Energiedichte beträgt nur 1/4 der von Benzin, und die kommerzielle Technologie ist äußerst schwierig. Es gibt keine Hoffnung auf Durchbruch. Daher unterliegt die Erhöhung der Energiedichte von Lithiumbatterien theoretischen Engpässen, und der Platz ist sehr begrenzt. Sie wird höchstens von derzeit 160 Wh / kg auf 300 Wh / kg erhöht. Selbst wenn es nur 1/120 der Brennstoffzelle erreicht, kann gesagt werden, dass es an der Startlinie verloren geht.

Vergleich der Volumenenergiedichte

Der Hauptnachteil des Rohstoffs Wasserstoff der Brennstoffzelle besteht darin, dass die volumetrische Energiedichte nicht hoch ist. Im Grunde genommen wird nun Druckbeaufschlagung verwendet, um dieses Problem zu lösen. Gemäß dem aktuellen Druckmodus von 700 Atmosphären beträgt die volumetrische Energiedichte 1/3 des Benzins. Bei einer Laufleistung von 300 Kilometern beträgt das Volumen des Brennstoffzellen-Wasserstoffspeichertanks 100 l, das Gewicht 30 kg, entsprechend dem Kraftstofftank des Benzinfahrzeugs 30 l, aber das Motorvolumen ist 80 l kleiner als das des Verbrennungsmotors, das Gesamtvolumen ist nicht viel anders . Fahrzeuge mit Lithiumbatterien sind in zwei technische Hauptrouten unterteilt: ternäres und Lithiumeisenphosphat. Repräsentative Unternehmen sind Tesla und BYD. Die ternäre Energiedichte ist höher, aber die Sicherheit ist schlecht. Die zusätzliche Sicherheitsschutzausrüstung wird benötigt. Die zwei Batterien, die für 300 Kilometer benötigt werden, sind 140 l bzw. 220 l, und das Gewicht beträgt 0,4 Tonnen und 0,6 Tonnen, was viel höher ist als bei den Brennstoffzellen. Blick in die Zukunft Wenn die Wasserstoffspeicherlegierung und die Niedertemperatur-Flüssigwasserstoffspeichertechnologie zerstört werden können, erhöht sich die Energiedichte des Brennstoffzellenvolumens um das 1,5-fache bzw. das 2-fache, und der Vorteil wird offensichtlicher.

Leistungsdichtevergleich

Die Brennstoffzelle kann als chemisches Stromerzeugungssystem unter Verwendung von Wasserstoff als Rohstoff verstanden werden, so dass die Ausgangsleistung relativ stabil ist. Um die Entladeleistung zu maximieren, muss ein Batteriesystem hinzugefügt werden. Zum Beispiel ist Toyota Mirai eine unterstützende Nickel-Wasserstoff-Batterie. Als offenes Stromversorgungssystem kommt seine Energie jedoch von externen Eingängen. Der zusätzliche Ni-MH-Akku muss das Problem der Energiespeicherung nicht berücksichtigen. Solange es 5-8 Grad beträgt, kann es den Bedarf decken und die Batterielebensdauer ist bei eingeschränkter Verwendung nicht hoch. Obwohl die theoretische Entladungseffizienz von Lithiumbatterien sehr hoch ist, gibt es viele Einschränkungen bei der Verwendung, um die Batterielebensdauer nicht zu beeinträchtigen. Bei voller Ladung kann es nicht mit großer Geschwindigkeit entladen werden, und die schnelle Entladung gilt nur für das Intervall von 0-80%. Trotzdem wird bei einer Entladung mit 5 ° C die Batterielebensdauer im Labor auf das 600-fache verkürzt und unter realen Bedingungen auf das 400-fache reduziert. Selbst wenn Telsa beispielsweise eine maximale Leistung von 310 kW hat, beträgt die tatsächliche Entladerate nur 4 ° C. . Darüber hinaus werden Lithiumbatterien als geschlossene Energiespeichersysteme mit geringer Energiedichte verwendet, und eine hohe Leistungsentladung und eine hohe Reichweite sind grundsätzlich nur schwer kompatibel, wenn das Batteriegewicht stark erhöht wird. Obwohl Tesla die derzeitige ternäre Batterie mit der besten Dichte verwendet, wiegen die Batteriekomponenten fast eine halbe Tonne.

Analyse von Wasserstoffbrennstoffzellen und Lithiumbatterien

Sicherheitsvergleich

Zusätzlich zu den oben genannten Indikatoren ist die Sicherheit für Kraftfahrzeuge zweifellos von entscheidender Bedeutung. Als geschlossenes Energiesystem sind Lithiumbatterien im Prinzip schwer mit hoher Energiedichte und Sicherheit kompatibel, da sie sonst Bomben entsprechen. Daher ist in der Hauptprozessroute das Lithiumeisenphosphat mit geringer Energiedichte sicherer, und die Zersetzung beginnt, wenn die Batterietemperatur 500 bis 600 Grad erreicht, und erfordert im Grunde keine zu viel Schutzhilfsausrüstung. Die von Telsa verwendete ternäre Batterie weist eine hohe Energiedichte auf, ist jedoch nicht beständig gegen hohe Temperaturen. Es zersetzt sich bei 250-350 Grad und hat eine schlechte Sicherheit. Die Lösung besteht darin, mehr als 7000 batterien parallel zu schalten, wodurch das Risiko eines Auslaufens einer einzelnen Batterie und sogar der Kombination eines komplexen Batterieschutzgeräts erheblich verringert wird. In der Vorperiode ereigneten sich mehrere Unfälle, obwohl dank Telsas Sicherheitsdesign keine Verluste zu verzeichnen waren. In Bezug auf den Unfall selbst handelte es sich jedoch tatsächlich um eine sehr leichte Kollision, und die Karosserie wurde nicht beschädigt, die Batterie jedoch in Brand geraten. Es spiegelt auch seine natürlichen Nachteile in Bezug auf die Sicherheit wider.

Brennstoffzellen sind aufgrund der Entflammbarkeit und Explosivität von Rohstoffen im Allgemeinen besorgt um ihre Sicherheit. Wie wir in der folgenden Tabelle gezeigt haben, ist die Sicherheit von Wasserstoff jedoch nicht schlecht oder sogar geringfügig besser als die beiden üblichen brennbaren Gase für Benzin und Erdgas. Heutzutage bestehen die Fahrzeugwasserstoffspeichervorrichtungen aus Kohlefasermaterialien, die im 80-km / h-Mehrwinkelkollisionstest unversehrt bleiben können. Selbst wenn ein Autounfall aufgrund der hohen Konzentration der Wasserstoffexplosion zu Undichtigkeiten führt, beginnt er normalerweise vor der Explosion zu brennen, ist jedoch schwer zu explodieren. Darüber hinaus ist das Wasserstoffgas leicht und der Wasserstoff im Überlaufsystem steigt nach dem Brand schnell an, aber der Körper und die Passagiere sind bis zu einem gewissen Grad geschützt. Das Benzin ist flüssig, die Lithiumbatterie ist fest, es ist schwierig, in der Atmosphäre aufzusteigen, die Verbrennung befindet sich am Boden der Kabine und das gesamte Fahrzeug wird schnell ausfallen. Die Wasserstoffspeicher- und Transportverbindung ist LNG sehr ähnlich, aber der erforderliche Druck ist größer. Mit fortschreitender Kommerzialisierung ist die allgemeine Sicherheit weiterhin kontrollierbar.

Die Kosten für Batteriefahrzeuge werden hauptsächlich in Fahrzeugkosten, Rohstoffkosten und Unterstützungskosten unterteilt. Gegenwärtig besteht das häufigste Problem für Brennstoffzellen darin, dass die Kosten zu hoch sind. Aus Sicht der Entwicklung besteht jedoch mit zunehmendem technologischen Fortschritt und zunehmender Kommerzialisierung ein großer Raum für Kostensenkungen. Wenn die Lithiumbatterie die Kosten für die Kapazitätserweiterung am Netzende berücksichtigt, sind die Gesamtunterstützungskosten immer noch höher als die der Brennstoffzelle. Die spezifische Berechnung lautet wie folgt:

Fahrzeugkostenvergleich

Lithiumbatterien, Brennstoffzellen und herkömmliche Benzinfahrzeuge, der Unterschied in den Gesamtkosten des Fahrzeugs spiegelt sich hauptsächlich in den Kosten des Motors wider, und andere Komponenten unterscheiden sich nicht wesentlich. Die Kosten für einen 2-Liter-Benzinmotor betragen etwa 30.000 Yuan, und es ist schwierig, in Zukunft viel zu ändern. Die aktuellen Stromkosten für die Lithiumbatterie betragen 1.200 Yuan / kWh, und es wird erwartet, dass sie in Zukunft auf 1.000 Yuan / kWh sinken werden. Das 45-Grad-Elektrofahrzeug kostet 45.000 Yuan. Die Brennstoffzellenkosten sind hauptsächlich der Akku und der Hochdruckwasserstoffspeichertank. Jetzt besteht die 100-kW-Batterie aus 100.000 Yuan. Nachdem die jährliche Produktion voraussichtlich 500.000 Einheiten betragen wird, werden die Stückkosten auf 30 US-Dollar / kW, dh 20.000 Yuan, gesenkt. Die Kosten für den vorhandenen Wasserstoffspeichertank betragen 60.000 Yuan und werden voraussichtlich in Zukunft auf 35.000 Yuan sinken, wobei die Gesamtkosten 55.000 Yuan betragen. Auf lange Sicht sind die Kosten der drei Stromversorgungssysteme nicht sehr unterschiedlich. Es ist ersichtlich, dass die Kosten des gesamten Fahrzeugs nicht das Kernproblem sind.

Rohstoffkostenvergleich

Der Kraftstoffverbrauch eines 2-Liter-Benzins beträgt 10 Liter pro 100 Kilometer, und der Benzinpreis beträgt 5,8 Yuan / l. Die Kosten betragen 58 Yuan. Das Auto mit Lithiumbatterie verbraucht 17 Kilowatt pro Kilometer und kostet 0,65 Yuan / kWh. Die Kosten betragen 11 Yuan. Die Brennstoffzelle verbraucht 9 Quadratmeter Wasserstoff pro 100 Kilometer. Das Wasserstoffproduktionsverfahren ist hauptsächlich in elektrolysiertes Wasser oder chemische Reaktionen wie Wasserstoffproduktion aus Kohle und Wasserstoffproduktion aus Erdgas unterteilt. Die Kosten für elektrolysiertes Wasser betragen hauptsächlich Strom mit durchschnittlich 5 Grad Strom und 1 Quadrat Wasserstoff. Die Kosten betragen ca. 3,8 Yuan pro Quadratmeter, können jedoch direkt an der Wasserstofftankstelle elektrolysiert werden, wodurch Transportkosten gespart werden. Wenn eine großflächige zentralisierte Produktion fossiler Energie genutzt wird, sind die niedrigsten inländischen Kosten Kohle-Wasserstoff, was etwa 1,4 Yuan / Quadratmeter entspricht. In Nordamerika kann billiges Erdgas zu einem Preis von 0,9 Yuan / Quadratmeter verwendet werden. Wenn wir die Kosten für Kohlegas als Standard nehmen, betragen die Rohstoffkosten für 100 Kilometer 12,6 Yuan, was sich nicht wesentlich von Lithiumbatterien unterscheidet.

Passender Kostenvergleich

Die Kosten für Wasserstofftankstelle, Tankstelle und Ladestation werden hauptsächlich in Landkosten, Ausrüstungskosten und Baukosten unterteilt. Der Unterschied spiegelt sich hauptsächlich in den Ausrüstungskosten wider. Die Tankstelle kostet im Grunde 3 Millionen Yuan, die Ladestation 4,3 Millionen Yuan und die Wasserstofftankstelle basiert auf den aktuellen japanischen Standards.

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.