في موجة ثورة الطاقة الجديدة ، تقوم خلايا وقود الهيدروجين وبطاريات الليثيوم ، كتقنيتين للطاقة الأساسية ، بإعادة تشكيل مشهد الطاقة من خلال مسارات تكنولوجية متميزة. تحقق خلايا وقود الهيدروجين تحويل طاقة الانبعاثات من خلال التفاعلات الكهروكيميائية في أغشية تبادل البروتون ، بينما تعتمد بطاريات الليثيوم على تقاطع أيونات الليثيوم بين الأقطاب الإيجابية والسلبية لتخزين الطاقة. وراء هذه المسابقة التكنولوجية ، تكمن المنافسة المتمايزة متعددة الأبعاد من حيث كثافة الطاقة ، وكفاءة التحويل ، والبنية التحتية ، وفعالية التكلفة ، وأكثر من ذلك. يحدد توافق خصائصها التكنولوجية مع سيناريوهات التطبيق علاقتها التكميلية والتكافلية في عصر حياد الكربون.
1. الاختلافات الأساسية في المبادئ التكنولوجية ومعلمات الأداء
خلايا وقود غشاء البروتين (PEMFCs) ، نوع خلايا وقود الهيدروجين ، يولد الكهرباء من خلال التفاعلات الكيميائية للأكسجين الهيدروجين. تكمن مزاياها الأساسية في كثافة الطاقة والقدرة على التكيف في درجة الحرارة المنخفضة. خذ مركبة خلية وقود تويوتا ميراي كمثال ؛ تصل كثافة طاقة نظامها إلى 33.6 كيلو وات ساعة\/كيلوغرام ، 168 مرة من بطاريات الليثيوم. يتيح التزود بالوقود الهيدروجيني واحد في ثلاث دقائق نطاق قيادة 800-}. هذه الخاصية تجعلها مناسبة للغاية لتطبيقات مثل قوة الجر 4.4 ميجاوات من قاطرة الهيدروجين في سكة حديد السكك الحديدية الكندية (CPKC) ، حيث تكون تكاليف استهلاك الطاقة أقل بنسبة 42 ٪ من درجة الديزل ، ويتجاوز الاحتفاظ بالأداء 95 ٪ حتى في البيئات الباردة للغاية ({-30).
من ناحية أخرى ، تحقق بطاريات الليثيوم الشحن والتفريغ من خلال ترحيل أيونات الليثيوم بين الأقطاب الإيجابية والسلبية. إن أبحاث وتطوير تكنولوجيا بطارية الحالة الصلبة في Amperex Technology Co. ومع ذلك ، مقيد بالخصائص الكيميائية لأيونات الليثيوم ، فإن أداء درجات الحرارة المنخفضة (تسوس السعة بنسبة 40 ٪ في درجة {4}}) ولا تزال كثافة الطاقة تقصر عن خلايا وقود الهيدروجين.
من حيث كفاءة التحويل ، تفتخر بطاريات الليثيوم ، كأجهزة تخزين الطاقة المباشرة ، بكفاءة تحويل الطاقة تصل إلى 90 ٪. في المقابل ، تخضع خلايا وقود الهيدروجين لعملية تحويل ثانوية لـ "الكهرباء الكهربائية للهيدروجين" ، مما يؤدي إلى كفاءة كاملة السلسلة بنسبة 35 ٪ إلى 45 ٪ فقط. هذا التناقض الكفاءة واضح بشكل خاص في قطاع مركبات الركاب. يمكن لشحار Tesla V4 Supercharger تحقيق سرعة إعادة شحن "200 كيلومتر في 5 دقائق" ، في حين أن مركبة خلية الوقود الهيدروجين Hyundai Nexo ، على الرغم من أن {9}} دقيقة للوقود هيدروجين تتيح المباراة 800- كيلومترات ، فقط يحقق ثلثًا من الميليوج لكل كيلو باطن. تملي هذه الخصائص التكنولوجية أن خلايا وقود الهيدروجين أكثر ملاءمة لسيناريوهات النقل الشاقة وسيناريوهات تخزين الطاقة الثابتة ، بينما تهيمن بطاريات الليثيوم على تطبيقات السفر قصيرة المسافات وتطبيقات الأجهزة المحمولة.
الثاني. التناقضات الهيكلية في البنية التحتية وفعالية التكلفة
تجاوز العدد العالمي لأكوام الشحن 18 مليون ، حيث تمثل الصين 6.6 مليون وحدة. على النقيض من ذلك ، فإن عدد محطات التزود بالوقود الهيدروجيني يقل عن 400. هذه الفجوة الهامة في البنية التحتية تؤدي مباشرة إلى تغلغل السوق المحدودة في السوق لمركبات خلايا الوقود الهيدروجين ، والتي لا تزال أقل من 1 ٪ على الرغم من القدرة على تحقيق طاقة الرياح في مهبوم {5}}. هذا القيد يرجع إلى شبكة التزود بالوقود المتفرق.
في المقابل ، شهدت بطاريات الليثيوم انخفاضًا في سعر حزم بطارية فوسفات الحديد الليثيوم إلى 0. 5 يوان\/WH. زادت تقنية بطارية Blade BYD ، من خلال الابتكار الهيكلي ، من استخدام حجم بنسبة 50 ٪ ، مما تمكين السيارات الكهربائية بسعر 200 ، {4}} يوان لتحقيق نطاق قيادة يتجاوز 700 كيلومتر.
يتجلى تناقض التكلفة أيضًا في استقلالية الموارد. يتجاوز الاعتماد على موارد الليثيوم في الصين 70 ٪ ، في حين أن معدل استقلالية موارد الطاقة الهيدروجين يصل إلى 98 ٪. يمنح هذا الفرق في الوقف للموارد خلايا وقود الهيدروجين ميزة طبيعية في النقل عبر الإقليمية ، كما هو موضح في بناء محطات التزود بالوقود الهيدروجين المصاحبة لخط أنابيب "الهيدروجين الغربي إلى الشرق". على الرغم من أن تكلفة نظام خلايا الوقود في Toyota Mirai قد انخفضت من 50 ، 000 الدولار الأمريكي إلى 18 ، {6}} الدولارات الأمريكية ، مما يشير إلى ظهور أولي لاقتصادات الحجم ، والتكاليف الحالية لإنتاج الهيدروجين الخضراء (35 يوان\/كغ).
ثالثا. اعتبارات مزدوجة لمخاطر السلامة والخصائص البيئية
تتركز مخاطر السلامة لخلايا وقود الهيدروجين في المقام الأول حول تخزين الهيدروجين ونقلها. على الرغم من قدرة غشاء البروتون على منع نقل الإلكترون المباشر ، فإن الطبيعة القابلة للاشتعال للغاية والمتفجرة للهيدروجين لا تزال تستلزم تدابير وقائية خاصة. تتبنى قاطرات الهيدروجين الكندية خزانات تخزين الهيدروجين مزدوجة الطبقة وأجهزة استشعار الضغط للتحكم في احتمال التسرب أقل من واحد في مليون.
في المقابل ، تنبع مخاطر السلامة من بطاريات الليثيوم بشكل أساسي من الهرب الحراري. لقد رفعت تقنية البطارية "غير القابلة للاحتراق" من CATL ، من خلال إضافات الإلكتروليت وطلاء الفاصل ، درجة حرارة الزناد الحرارية إلى 180 درجة.
فيما يتعلق بالخصائص البيئية ، يمكن لخلايا وقود الهيدروجين تحقيق انبعاث صفر طوال دورة حياتها إذا تم استخدام الطاقة المتجددة لإنتاج الهيدروجين. يقلل مشروع طاقة الرياح من طاقة الرياح Zhangjiakou إلى 120 ، {4}} طن سنويًا. ومع ذلك ، فإن الهيدروجين الرمادي (الناتج من الوقود الأحفوري) لديه كثافة انبعاثات الكربون تتجاوز كثافة البنزين. يولد إنتاج بطارية الليثيوم 15 طنًا من انبعاثات الكربون لكل طن من كربونات الليثيوم ، ويشكل تعدين المعادن الثقيلة مثل الكوبالت والنيكل مخاطر بيئية. ومع ذلك ، فإن تقنية صناعة الحديد في باوستيل القائمة على الهيدروجين تقلل من انبعاثات الكربون لكل طن من الصلب بنسبة 50 ٪ من خلال تقليل الهيدروجين من خام الحديد ، مما يعرض القيمة الفريدة لخلايا وقود الهيدروجين في الكربون الصناعي.
رابعا. قسم العمل المكرر والابتكار التعاوني في سيناريوهات التطبيق
في قطاع مركبات الركاب ، تهيمن بطاريات الليثيوم على حصة السوق بنسبة 90 ٪ بسبب استحقاق شبكات الشحن. يقلل Tesla Model 3 من استهلاك الطاقة لكل 100 كيلومتر إلى 12.5 كيلو واط في الساعة من خلال 4680 بطارية وتكنولوجيا من الخلية إلى الشاسيس (CTC). في المقابل ، حققت خلايا وقود الهيدروجين اختراقات في النقل الشاق. سيغطي "ممر طاقة الهيدروجين" المخطط له في الصين مناطق مثل منطقة بكين تايانجين-هيبي ودلتا نهر اليانغتسي ، مما يقلل من تكاليف النقل عبر المقاطعات للشاحنات الثقيلة التي تعمل بالهيدروجين بنسبة 30 ٪ مقارنة بالديزل.
في قطاع تخزين الطاقة ، يظهر اتجاه التكامل التكنولوجي. يقلل نظام CATL "تخزين الهيدروجين-ليثوم الهجين" من التكاليف الإجمالية بنسبة 40 ٪ باستخدام بطاريات الليثيوم لتنظيم خلايا وقود الهيدروجين الفورية لتخزين الطاقة على المدى الطويل. تم التحقق من صحة هذا الابتكار التعاوني خلال أولمبياد Zhangjiakou الشتوية ، حيث شكلت محطة طاقة تخزين طاقة الهيدروجين 10 ميجاوات ومحطة تخزين طاقة بطارية الليثيوم نظامًا هجينًا ، وتحقيق أداء تكميلي مع استجابة المستوى الثاني وتخزين الطاقة على المستوى اليومي.
خامسا - آفاق مستقبلية مدفوعة بالتكرار والسياسة التكنولوجية
انخفض استهلاك الطاقة من الكهربيات PEM لإنتاج الهيدروجين إلى 4 كيلو وات ساعة\/نانومتر ، كما أن تكلفة إنتاج الهيدروجين الكهروضوئية في نينغشيا تقترب من هيدروجين قائم على الفحم. طورت Toyota و BMW بشكل مشترك نظام خلايا الوقود من الجيل الرابع ، مما قلل من استخدام محفز البلاتين بنسبة 90 ٪ وخفض التكاليف إلى 1 ، 000 دولار أمريكي لكل كيلووات. في قطاع بطارية الليثيوم ، تم تطوير الجدول الزمني للإنتاج الضخم لبطاريات الحالة الصلبة حتى عام 2027. وقد تحسن BYD's Haishi 07 EV ، المجهز ببطاريات فوسفات الحديد المنغنيز الليثيوم ، إلى احتباس نطاق درجة الحرارة المنخفضة إلى 85 ٪.
على مستوى السياسة ، يفرض الاتحاد الأوروبي معدل إزالة الكربون على السكك الحديدية الذي يتجاوز 50 ٪ بحلول عام 2030 ، وشملت الصين طاقة الهيدروجين في "كتالوج ترويج نقل الطاقة الجديد". من المتوقع أن تمثل طاقة الهيدروجين 23 ٪ من الطلب على الطاقة الطرفية بحلول عام 2040 ، بينما تغطي بطاريات الليثيوم 45 ٪ من سوق السفر عبر الهاتف المحمول. تتيح استراتيجية الطاقة المزدوجة هذه النماذج مثل Hyundai Nexo تحقيق نطاق قيادة 900-} مقياس من خلال نظام مزدوج للهيدروجين والهيدروجين ، وقد طورت CATL و Honda بشكل مشترك حلًا "تبادل البطارية + طاقة الهيدروجين" لتوفير تجديد طاقة مرنة للشاحنات الثقيلة.
الخلاصة: طريق التعايش التكافلي في ثورة الطاقة
المنافسة بين خلايا وقود الهيدروجين وبطاريات الليثيوم هي في الأساس تقسيم مصراع للعمل في السيناريوهات التكنولوجية. بطاريات الليثيوم ، مع مزاياها في التكلفة ، والكفاءة ، والبنية التحتية ، لا يمكن الاستغناء عنها في تطبيقات السفر قصيرة المسافات والأجهزة المحمولة. تمثل خلايا وقود الهيدروجين ، مع إمكاناتها في كثافة الطاقة ، ونطاق القيادة ، وإزالة الكربون الصناعي ، الاتجاه المستقبلي للنقل الشاق وتخزين الطاقة الثابتة. كما يتوقع في "استراتيجية الطاقة المزدوجة للاتحاد الأوروبي" ، لا يوجد فائز واحد في هذه الثورة التكنولوجية. فقط من خلال الابتكار المادي ، وتكامل النظام ، وتنسيق السياسة ، يمكن تحقيق انتقال الطاقة بموجب هدف حيادية الكربون 2060. إن الممارسات التكنولوجية لنظام "تخزين الهيدروجين-ليثيوم الهجري" الخاص بـ CATL ونظام Toyota "المزدوج للكهرباء" قد أُضيئت بالفعل فجر الانتهاك في ثورة الطاقة في مستقبل أخضر يتميز بالتعاون بين الهيدروجين-ليثوم-ليثوم.
