การแข่งขันทางเทคโนโลยีระหว่างเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและแบตเตอรี่ลิเธียม: การแข่งขันที่แตกต่างจากหลักการไปจนถึงสถานการณ์การใช้งาน

ในช่วงของการปฏิวัติพลังงานใหม่เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและแบตเตอรี่ลิเธียมเป็นเทคโนโลยีพลังงานหลักสองแห่งกำลังปรับเปลี่ยนภูมิทัศน์พลังงานผ่านเส้นทางเทคโนโลยีที่แตกต่างกัน เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนบรรลุการแปลงพลังงานการปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ผ่านปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าในเยื่อหุ้มโปรตอนในขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมขึ้นอยู่กับการ intercalation และ deintercalation ของลิเธียมไอออนระหว่างขั้วไฟฟ้าบวกและลบสำหรับการเก็บพลังงาน เบื้องหลังการประกวดเทคโนโลยีนี้มีการแข่งขันที่แตกต่างหลายมิติในแง่ของความหนาแน่นพลังงานประสิทธิภาพการแปลงโครงสร้างพื้นฐานความคุ้มค่าและอื่น ๆ ความเข้ากันได้ของลักษณะทางเทคโนโลยีของพวกเขากับสถานการณ์การใช้งานกำหนดความสัมพันธ์ที่สมบูรณ์และทางชีวภาพในยุคของความเป็นกลางคาร์บอน

I. ความแตกต่างพื้นฐานในหลักการทางเทคโนโลยีและพารามิเตอร์ประสิทธิภาพ

โปรตอนแลกเปลี่ยนเมมเบรนเซลล์เชื้อเพลิง (PEMFCs) ชนิดของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสร้างกระแสไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมีไฮโดรเจน-ออกซิเจน ข้อได้เปรียบหลักของพวกเขาอยู่ในความหนาแน่นของพลังงานและความสามารถในการปรับตัวอุณหภูมิต่ำ นำยานพาหนะเซลล์เชื้อเพลิงโตโยต้ามิไรเป็นตัวอย่าง ความหนาแน่นของพลังงานของระบบถึง 33.6 kWh\/kg, 168 เท่าของแบตเตอรี่ลิเธียม การเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเดียวในสามนาทีเปิดใช้งานช่วงขับรถ 800-} กิโลเมตร ลักษณะนี้ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานเช่นแรงดึง 4.4 MW ของรถไฟหัวรถจักรไฮโดรเจนของแคนาดาแปซิฟิกแปซิฟิก (CPKC) ซึ่งค่าใช้จ่ายการใช้พลังงานต่ำกว่าดีเซล 42% และการเก็บรักษาประสิทธิภาพเกิน 95% แม้ในสภาพแวดล้อมที่เย็นมาก (-30

ในทางกลับกันแบตเตอรี่ลิเธียมจะได้รับประจุและการปล่อยผ่านการย้ายถิ่นของลิเธียมไอออนระหว่างขั้วไฟฟ้าบวกและลบ บริษัท ร่วมสมัย Amperex Technology Co. , Limited (CATL) การวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตตมีความหนาแน่นพลังงานสูงถึง 500 WH\/KG อย่างไรก็ตามข้อ จำกัด โดยคุณสมบัติทางเคมีของลิเธียมไอออนประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำ (การสลายกำลังการผลิต 40% ที่ -10 องศา) และความหนาแน่นของพลังงานยังคงขาดเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

ในแง่ของประสิทธิภาพการแปลงแบตเตอรี่ลิเธียมเป็นอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานโดยตรงมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงถึง 90% ในทางตรงกันข้ามเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้รับกระบวนการแปลงทุติยภูมิของ "ไฟฟ้าไฮโดรเจน-ไฟฟ้า" ส่งผลให้มีประสิทธิภาพเต็มโซ่เพียง 35%–45% ความแตกต่างของประสิทธิภาพนี้เห็นได้ชัดโดยเฉพาะอย่างยิ่งในภาคยานพาหนะผู้โดยสาร Supercharger V4 ของ Tesla สามารถใช้ความเร็วในการชาร์จได้ที่ "200 กิโลเมตรใน 5 นาที" ในขณะที่ยานพาหนะเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน Hyundai Nexo แม้จะมีการเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจน 3- ลักษณะทางเทคโนโลยีเหล่านี้บอกว่าเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหมาะสำหรับการขนส่งอย่างหนักและสถานการณ์การจัดเก็บพลังงานที่อยู่กับที่ในขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมครองการเดินทางระยะสั้นและการใช้งานอุปกรณ์พกพา

ii. ความขัดแย้งเชิงโครงสร้างในโครงสร้างพื้นฐานและความคุ้มค่า

จำนวนกองการชาร์จทั่วโลกมีจำนวนเกิน 18 ล้านคนโดยมีการบัญชีจีน 6.6 ล้านหน่วย ในทางตรงกันข้ามจำนวนสถานีเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนอยู่ที่น้อยกว่า 400 ช่องว่างที่สำคัญในโครงสร้างพื้นฐานโดยตรงนำไปสู่การแทรกซึมของตลาดเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ จำกัด ซึ่งยังคงต่ำกว่า 1% แม้จะมีความสามารถในการบรรลุการติดตั้งพลังงานข้ามตามฤดูกาล 180- ข้อ จำกัด นี้เกิดจากเครือข่ายเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนแบบเบาบาง

ในทางตรงกันข้ามแบตเตอรี่ลิเธียมได้เห็นการลดลงของราคาแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตเป็น 0. 5 หยวน\/wh เทคโนโลยีแบตเตอรี่ Blade ของ BYD ผ่านนวัตกรรมโครงสร้างได้เพิ่มการใช้ประโยชน์ระดับเสียง 50%ทำให้ยานพาหนะไฟฟ้ามีราคาอยู่ที่ 200, 000 หยวนเพื่อให้ได้ระยะขับสูงเกิน 700 กิโลเมตร

ความขัดแย้งด้านต้นทุนยังปรากฏในทรัพยากรเอกราช การพึ่งพาทรัพยากรลิเธียมของจีนในการนำเข้าสูงกว่า 70%ในขณะที่อัตราอิสระของทรัพยากรพลังงานไฮโดรเจนสูงถึง 98% ความแตกต่างของการบริจาคทรัพยากรนี้ทำให้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนมีความได้เปรียบตามธรรมชาติในการขนส่งข้ามภูมิภาคดังที่แสดงให้เห็นในการสร้างสถานีเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่มาพร้อมกับท่อ "West Hydrogen to East" แม้ว่าค่าใช้จ่ายของระบบเซลล์เชื้อเพลิงของ Toyota Mirai ได้ลดลงจาก 50, 000 ดอลลาร์สหรัฐเป็น 18, 000 ดอลลาร์สหรัฐซึ่งบ่งบอกถึงการเกิดขึ้นครั้งแรกของการประหยัดจากขนาด

iii. ข้อควรพิจารณาสองประการเกี่ยวกับความเสี่ยงด้านความปลอดภัยและลักษณะสิ่งแวดล้อม

ความเสี่ยงด้านความปลอดภัยของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนส่วนใหญ่จะอยู่ตรงกลางการจัดเก็บไฮโดรเจนและการขนส่ง แม้จะมีความสามารถของเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนในการป้องกันการถ่ายโอนอิเล็กตรอนโดยตรง แต่ธรรมชาติของไฮโดรเจนที่ติดไฟได้และระเบิดอย่างมากยังคงจำเป็นต้องมีมาตรการป้องกันพิเศษ ตู้รถไฟไฮโดรเจนของแคนาดาใช้ถังเก็บไฮโดรเจนสองชั้นและเซ็นเซอร์ความดันเพื่อควบคุมความน่าจะเป็นการรั่วไหลต่ำกว่าหนึ่งล้าน

ในทางตรงกันข้ามอันตรายด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมส่วนใหญ่เกิดจากการหลบหนีความร้อน เทคโนโลยีแบตเตอรี่ "ไม่ติดไฟ" ของ CATL ผ่านสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์และการเคลือบตัวแยกได้เพิ่มอุณหภูมิทริกเกอร์ความร้อนให้สูงถึง 180 องศา

เกี่ยวกับลักษณะสิ่งแวดล้อมเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสามารถทำให้เกิดการปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ตลอดวงจรชีวิตของพวกเขาหากใช้พลังงานหมุนเวียนสำหรับการผลิตไฮโดรเจน โครงการ Zhangjiakou Wind Power-to-hydrogen ช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดย 120, 000 ตันต่อปี อย่างไรก็ตามไฮโดรเจนสีเทา (ผลิตจากเชื้อเพลิงฟอสซิล) มีความเข้มของการปล่อยคาร์บอนเกินกว่าน้ำมันเบนซิน การผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมสร้างการปล่อยก๊าซคาร์บอน 15 ตันต่อตันของลิเธียมคาร์บอเนตและการขุดโลหะหนักเช่นโคบอลต์และนิกเกิลมีความเสี่ยงด้านสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีการผลิตเตาแบบเพลาไฮโดรเจนของ Baosteel ช่วยลดการปล่อยคาร์บอนต่อตันของเหล็กได้ 50% จากการลดลงของแร่ธาตุเหล็กซึ่งแสดงให้เห็นถึงค่าที่เป็นเอกลักษณ์ของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนใน decarbonization อุตสาหกรรม

iv. แผนกแรงงานที่กลั่นกรองและนวัตกรรมการทำงานร่วมกันในสถานการณ์แอปพลิเคชัน

ในภาคยานพาหนะผู้โดยสารแบตเตอรี่ลิเธียมมีส่วนแบ่งการตลาด 90% เนื่องจากวุฒิภาวะของเครือข่ายการชาร์จ Tesla Model 3 ลดการใช้พลังงานต่อ 100 กิโลเมตรเป็น 12.5 kWh ผ่านแบตเตอรี่ 4680 แบตเตอรี่และเทคโนโลยีเซลล์ต่อแชสซี (CTC) ในทางตรงกันข้ามเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนทำให้เกิดความก้าวหน้าในการขนส่งหนัก "ไฮโดรเจนพลังงานทางเดิน" ของจีนจะครอบคลุมพื้นที่เช่นพื้นที่ปักกิ่ง-เทียนจิน-เฮเบียและสามเหลี่ยมปากแม่น้ำแยงซีลดค่าใช้จ่ายในการขนส่งข้ามจังหวัดสำหรับรถบรรทุกหนักที่ขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจน 30% เมื่อเทียบกับดีเซล

ในภาคการจัดเก็บพลังงานแนวโน้มของการรวมเทคโนโลยีกำลังเกิดขึ้น ระบบ "การจัดเก็บไฮบริดไฮบริดไฮบริด" ของ CATL ช่วยลดค่าใช้จ่ายโดยรวม 40% โดยใช้แบตเตอรี่ลิเธียมเพื่อควบคุมพลังงานทันทีและเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสำหรับการจัดเก็บพลังงานในระยะยาว นวัตกรรมการทำงานร่วมกันนี้ได้รับการตรวจสอบความถูกต้องในระหว่างการแข่งขันกีฬาโอลิมปิกฤดูหนาวจางเจียกูซึ่งสถานีเก็บพลังงานไฮโดรเจนพลังงานไฮโดรเจน 10 เมกะวัตต์และสถานีเก็บพลังงานแบตเตอรี่ลิเธียมสร้างระบบไฮบริดเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการทำงานที่สมบูรณ์พร้อมการตอบสนองระดับที่สองและการจัดเก็บพลังงานระดับรายวัน

V. โอกาสในอนาคตที่ขับเคลื่อนโดยการทำซ้ำทางเทคโนโลยีและนโยบาย

การใช้พลังงานของอิเล็กโทรไลเซอร์ PEM สำหรับการผลิตไฮโดรเจนลดลงเหลือ 4 kWh\/nm³และค่าใช้จ่ายในการผลิตไฮโดรเจนเซลล์แสงอาทิตย์ในหนิงเซียกำลังเข้าใกล้ไฮโดรเจนจากถ่านหิน โตโยต้าและ BMW ได้พัฒนาระบบเซลล์เชื้อเพลิงรุ่นที่สี่ร่วมกันลดการใช้งานตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัม 90% และลดค่าใช้จ่ายเป็น 1, 000 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ ในภาคแบตเตอรี่ลิเธียมระยะเวลาการผลิตมวลสำหรับแบตเตอรี่โซลิดสเตตได้รับการพัฒนาจนถึงปี 2027 Haishi 07 EV ของ BYD ซึ่งติดตั้งแบตเตอรี่ลิเธียมแมงกานีส

ในระดับนโยบายสหภาพยุโรปได้รับคำสั่งให้มีอัตราการแยกทางรถไฟเกินกว่า 50% ในปี 2573 และจีนได้รวมพลังงานไฮโดรเจนไว้ใน "แคตตาล็อกการส่งเสริมการขนส่งพลังงานใหม่" คาดว่าภายในปี 2583 พลังงานไฮโดรเจนจะคิดเป็น 23% ของความต้องการพลังงานเทอร์มินัลในขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมจะครอบคลุม 45% ของตลาดการเดินทางมือถือ กลยุทธ์พลังงานแบบสองแทร็กนี้ช่วยให้แบบจำลองเช่น Hyundai Nexo ได้รับช่วงการขับขี่ 900- กิโลเมตรผ่านระบบคู่ไฮโดรเจน-ไฟฟ้าและ CATL และ Honda ได้พัฒนาสารละลาย "การแลกเปลี่ยนพลังงานไฮโดรเจน"

สรุป: เส้นทางของการอยู่ร่วมกันทางชีวภาพในการปฏิวัติพลังงาน

การแข่งขันระหว่างเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและแบตเตอรี่ลิเธียมนั้นเป็นส่วนสำคัญของแรงงานที่กลั่นกรองในสถานการณ์ทางเทคโนโลยี แบตเตอรี่ลิเธียมที่มีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนประสิทธิภาพและโครงสร้างพื้นฐานนั้นไม่สามารถถูกแทนที่ได้ในการเดินทางระยะสั้นและการใช้งานอุปกรณ์พกพา เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่มีศักยภาพในความหนาแน่นของพลังงานช่วงขับรถและ decarbonization อุตสาหกรรมเป็นตัวแทนของทิศทางในอนาคตสำหรับการขนส่งที่ใช้งานหนักและการจัดเก็บพลังงานที่อยู่กับที่ มองเห็นได้ชัดใน "กลยุทธ์พลังงานคู่ของสหภาพยุโรป" ของสหภาพยุโรปไม่มีผู้ชนะเพียงคนเดียวในการปฏิวัติทางเทคโนโลยีนี้ ผ่านนวัตกรรมวัสดุการรวมระบบและการประสานงานนโยบายสามารถเปลี่ยนพลังงานภายใต้เป้าหมายความเป็นกลางของคาร์บอน 2060 การปฏิบัติทางเทคโนโลยีของระบบ "การจัดเก็บไฮบริดไฮบริดไฮบริด" ของ CATL และระบบ "ไฮโดรเจน-ไฟฟ้าคู่" ของโตโยต้าได้ส่องสว่างรุ่งอรุณของการปฏิวัติพลังงานในอนาคตสีเขียวที่โดดเด่นด้วยการทำงานร่วมกันของไฮโดรเจน-ลิเธียมและความหลากหลาย