水素燃料電池とリチウム電池

人類の歴史においてエネルギー革命が成功するたびに、明確な論理の主要な線がありました。それは、エネルギー密度が桁違いに跳ね上がったということです。たとえば、石炭は木材の160倍、石油は2倍の価格です。新エネルギーがエネルギー密度を粉砕するという利点を持っている場合にのみ、伝統的なエネルギーの長期的な開発によって確立された完璧な基本ネットワークと産業支援施設を破壊し、使用中のその巨大な慣性を逆転させることができます。これは、ITの分野でIntelの創設者であるgroveが提唱した10倍の速度の原則に似ています。一度登場すれば破壊に成功する新技術は、基本的には火がつき圧倒的です。たとえば、ガソリン車は電気自動車より20年遅れて登場し、初期の技術も未成熟でしたが、エネルギー密度が高いという利点により、壊滅的なように電気自動車に取って代わりました。

水素燃料電池とリチウム電池の分析

ここ数十年、各国は電気自動車を積極的に推進していますが、電気自動車の割合は依然として非常に低く、1％未満です。最新世代のリチウム電池車でさえ、そのエネルギー密度の極値はガソリンのわずか1/40であり、業界は10倍の改善速度を示すのに時間がかかっています。しかし、燃料電池はそれをすべて変えました。原料としての水素、基本エネルギー密度はガソリンの3倍、モーターの作業効率は内燃機関の2倍、実際の密度はガソリンの6倍であり、その利点は明らかです。そして、過去100年間の人間の進化からのエネルギー、その本質は炭化水素比調整の歴史であり、水素含有量が高いほど、エネルギー密度が高くなり、炭素エネルギーから水素エネルギーへの未来はタイムズのトレンドです。水素燃料電池は、歴史的な開発の方向性をよりよく表しており、次世代のエネルギーの基盤になることが最も期待されています。

車両性能には、主に耐久性、充電/水素充電時間、出力電力、安全性などが含まれます。燃料電池のエネルギー密度はリチウムバッテリーよりもはるかに高く、対応するバッテリー容量、急速充電容量、および範囲には、トップの高級車と比較しても自然な利点がありますテスラリチウム電池もかなりのリードです。しかし、その電力密度は高くなく、最大出力電力は補助電源バッテリーシステムに依存し、対応する最大速度と100kmの加速指数とリチウム電池に違いはありません。比較を容易にするために、分析ベンチマークとして、45度リチウム電池車と100KW燃料電池車の出力に対応する現在の主流の2Lガス置換ガソリン車を選択します。

エネルギー密度の比較

電池の一種として、リチウム電池は閉鎖系です。バッテリーはエネルギーのキャリアにすぎず、事前に充電して初めて動作します。そのエネルギー密度は、電極材料のエネルギー密度に依存します。アノード材料の現在のエネルギー密度はアノード材料のエネルギー密度よりもはるかに高いため、エネルギー密度を上げるには、鉛酸、ニッケルシリーズ、リチウム電池などのアノード材料を継続的にアップグレードする必要があります。しかし、リチウムはすでに原子量の点で最小の金属元素です。リチウムイオンよりも優れたアノード材料は、理論的には純粋なリチウム電極だけですが、そのエネルギー密度は実際にはガソリンの4分の1にすぎず、商品化は非常に難しく、何十年も突破することはできません。したがって、リチウム電池のエネルギー密度の改善は理論上のボトルネックの影響を受け、スペースは非常に限られており、現在の160Wh / KGから最大で300Wh / KGまで、たとえそれが燃料電池、それはスタートラインにあると言うことができます。

体積エネルギー密度の比較

燃料電池の生水素の主な欠点は、その体積とエネルギー密度が低いことです。現在の700気圧の与圧モデルによると、その体積エネルギー密度はガソリンの1/3です。燃料電池水素貯蔵タンクは、容量100L、重量30KGで、ガソリン車の燃料タンク30Lに相当します。ただし、モーターは内燃機関より80L小さく、全体の容積差は大きくありません。リチウム電池車は、テスラとバイドの代表的な企業である3元とリン酸鉄リチウムの2つの主流技術ルートに分けられます。三元エネルギー密度は高くなりますが、安全性が低く、補助的な安全保護装置が必要です。 300kmに必要な2種類のバッテリーは、体積が140Lと220L、重量が0.4tと0.6tで、どちらも燃料電池よりもはるかに高いです。今後、水素貯蔵合金と極低温液体水素貯蔵技術が飛躍的に進歩すれば、燃料電池の体積とエネルギー密度はそれぞれ1.5倍と2倍になり、その利点はより明白になります。

電力密度の比較

本質的に、燃料電池は水素を原料とする化学発電システムとして理解できるため、出力電力は比較的安定しています。放電電力を最大化するには、パワーバッテリーシステムを追加する必要があります。たとえば、トヨタミライはニッケル水素電池をサポートしています。ただし、オープン電源システムとして、そのエネルギーは外部入力から供給されます。ニッケル水素電池の追加は、エネルギー貯蔵の問題を考慮する必要はありません。 5〜8度の長さで、需要を満たすことができ、バッテリー寿命の要件が低くなります。リチウム電池の理論的な放電効率は非常に高いですが、電池の寿命を損なうことのないように、多くの制限を使用しています。フル充電の場合、大流量の放電はできません。急速放電は、範囲の0〜80％にのみ適用されます。それでも、実験室でのバッテリーサイクル寿命は、5C乗算器で放電すると600倍に短縮され、実際の作業条件下ではさらに400倍に短縮されます。たとえば、Telsaの最大電力は310KWに達する可能性がありますが、実際の放電乗数はわずか4Cです。また、リチウム電池は、エネルギー密度の低い密閉型エネルギー貯蔵システムであるため、電池の重量を大幅に増やさないと、高出力・高レンジに対応することが困難です。テスラは最高のエネルギー密度を備えた最高の三元電池を使用していますが、その電池部品の重量は約0.5トンです。

安全性の比較

上記の指標に加えて、安全性も自動車にとって間違いなく非常に重要です。リチウム電池は、クローズドエネルギーシステムであるため、原則として高エネルギー密度や安全性に対応することが難しく、爆弾に相当します。したがって、現在の主流のプロセスでは、エネルギー密度の低いリン酸鉄リチウムは比較的安全です。バッテリーの温度が500〜600度に達するまで、バッテリーは分解し始めません。これは、基本的に、あまり多くの保護補助装置を必要としません。テスラが使用する三元電池はエネルギー密度が高いですが、高温に耐えられません。 250〜350度で分解し、安全性が低くなります。解決策は、7,000を超えるバッテリーを並列に接続し、単一のバッテリーの漏れや爆発のリスクを劇的に減らし、さらに複雑なバッテリー保護システムを組み合わせることです。また、テスラの安全設計では、前回の事故で死傷者は出ませんでしたが、事故自体はごく軽微な衝突であり、車体に怪我はありませんでした。しかし、バッテリーが発火しました。これは、安全性におけるその自然な欠点も反映しています。

水素は可燃性で爆発性があるため、燃料電池の安全性について幅広い懸念があります。しかし、下の表のデータによると、ガソリン蒸気と天然ガス、つまり自動車の2つの一般的な可燃性ガスと比較すると、水素は悪くはなく、わずかに優れています。今日の自動車の水素貯蔵ユニットは炭素繊維でできており、80KM / hの複数の角度での衝突試験に耐えることができます。事故で漏れが発生した場合でも、高濃度が必要な水素爆発は、通常、爆発前に燃焼を開始しますが、爆発しにくいです。そして水素は軽く、オーバーフローシステムの水素は火災後すぐに上昇しますが、ある程度は車体と乗客を保護します。ガソリンは液体で、リチウム電池は固体で、大気中で上昇しにくく、燃焼は車内の底で行われ、車全体がすぐにスクラップを発射します。水素の貯蔵と輸送のリンクは実際にはLNGと非常に似ていますが、より多くの圧力が必要です。商品化の推進により、全体の安全性をコントロールできます。

バッテリーカーのコストは、主に車両コスト、原材料コスト、サポートコストに分けられます。現在、燃料電池はコストが高いと批判されています。しかし、開発の観点からは、技術の進歩と商品化の進展により、コスト削減の余地はたくさんあります。送電網拡張のコストを考慮すると、リチウム電池の包括的なサポートコストは実際には燃料電池のコストよりも高くなります。具体的な計算は次のとおりです。

車両コストの比較

リチウム電池、燃料電池、従来のガソリン車のコスト差は主にエンジンコストに反映されますが、他のコンポーネントはそれほど違いはありません。 2Lガソリン車のエンジンコストは約3万元であり、今後大きな変化は難しい。既存のリチウム電池のキロワット時あたりのコストは1200元/ kWhであり、将来的には1000元/ kWhに削減されると見込まれています。 45度の電気自動車のバッテリーコストは45,000元です。燃料電池のコストは主にバッテリーパックと高圧水素貯蔵タンクです。現在、100kwのバッテリーパックのコストは100,000元です。年間50万台生産後、単価は30ドル/ KW、2万元に削減される見込み。既存の水素貯蔵タンクの価格は60,000元で、将来的には35,000元に削減され、総費用は55,000元になると見込まれている。長期的には、3つの電力システムのコストに大きな違いはないため、車両のコストは主要な問題ではありません。

原材料費の比較

2Lガソリン車は100キロあたり10リットルの燃料を消費します。ガソリンの価格は5.8元/ L、価格は58元です。リチウム電池車の100kmの消費電力は17度、0.65元/ KWH、コストは11元です。燃料電池は、100キロメートルあたり9立方メートルの水素を消費します。水素の製造方法は、主に水の電気分解と、石炭から水素、天然ガスから水素などの化学反応に分けられます。水の電気分解のコストは主に電気であり、平均5KWHと1立方メートルの水素が含まれます。コストは約3.8元/立方メートルですが、水素化ステーションで直接電解できるため、輸送コストを節約できます。化石エネルギーの大規模かつ集中生産を採用した場合、中国で最も低いコストは石炭から水素を生産することであり、1平方メートルあたり約1.4元であり、北米の安価な天然ガスは1平方メートルあたり0.9元で利用できます。メーター。石炭からガスへのコストを基準にすると、100キロメートルの原材料コストは12.6元であり、リチウム電池と大差ありません。

マッチングコストの比較

給油所、ガソリンスタンド、充電所の費用は、主に土地費、設備費、建設費に分けられ、その差は主に設備費に反映されます。ガソリンスタンドは基本的に300万元、充電ステーションは430万元、給油所は現在の日本の基準では1,500万元と推定されており、給油所の総費用は約1,000万元高い。 15年間の減価償却によると、年間販売量は1,000万立方メートルであるため、減価償却費は0.1元/立方メートルです。小規模では、水素は一般的にタンクローリーで輸送され、推定貨物は0.44元/平方メートルです。規模拡大後はパイプ網で輸送でき、0.23元/平方メートルにコストダウン。

リチウム電池は現在、既製のグリッドシステムに依存していますが、それらをサポートするコストは低くなっています。しかし、大規模な拡張の場合、既存のグリッド容量の冗長性は基本的に使い果たされ、将来的には大規模な拡張になる必要があります。したがって、充電ステーションは基本的にサポートコストを電力網に外部化します。したがって、産業チェーン全体のコストを計算するときは、電力網のコストを追加する必要があります。一般に、充電ステーションの商用運転は、少なくとも1時間の急速充電の基準を満たしている必要があり、10個の充電パイルで構成される各充電ステーションの電力は600キロワットに達する必要があります。これは、数百世帯の電力負荷に相当します。電力網の負荷に大きな影響を与えます。対応する電力網は、負荷を拡大するために120万元の追加投資が必要ですが、電力販売の年間増加はわずか93万KWHです。 0.65元/ KWHの購入費用の計算と送電網による投資の回収は15年で終了するため、販売価格は費用に基づいて0.18元/ KWH上昇する。

販売側のコスト測定

ガソリンスタンドの販売ネットワークは非常に成熟しており、1時間あたりの利益レベルは、給油所の合理的な収益を計算するためのベンチマークとして使用できます。価格差は、水素ステーションの場合は1平方メートルあたり0.51元、リチウム電池の場合は1キロワット時あたり4.9元です。この電気料金の下では、リチウム電池車は基本的に宣伝することができません。現在、国の規制により、充電ステーションのサービス料金は0.4元/ KWHに制限されていますが、その背景には、多額の助成金が支給されています。しかし、長い間発展するために補助金に頼ることができる産業はありません。今後、リチウム電池の充電効率が大幅に向上しない場合、ガソリンスタンドや水素ステーションに比べて、ガソリンスタンドでの企業の収益性は大幅に低下します。合理的な利益がなければ、投資家は現在土地が不足している大都市で充電ステーションを促進するインセンティブを持たず、産業は自然に発展することができません。ただし、リチウム電池の低エネルギー密度は低すぎます。高い充電効率が強制されると、バッテリーサイクル寿命のエンジニアリング上の課題は非常に大きくなります。さらに、3分間の急速充電が実現できたとしても、1つの充電パイルの電力は最大1200 kwであり、各充電ステーションには110kvの変電所が装備されている必要があります。その投資額は5000万元にも達し、5,000平方メートルの面積をカバーし、約300メートルには住宅を建てることができません。現在、課題の運用レベルの沿岸都市も非常に大きいです。

総費用

上記のすべてのコストを考慮すると、この段階および完全な商品化後のガソリン車、リチウム電池車、および燃料電池車のコストは、58元、83元、23元、および20元です。価格差がリチウム電池のコストに占める割合が高いため、充電パイル設備の投資が給油所の1/3であることを考慮すると、時給は1.4元に削減され、総合コストは依然として37元、燃料電池車の長期的なコスト優位性は依然として非常に明白です。実際、これらすべての根源は、燃料電池のエネルギー密度が最も高いことです。商品化された場合、コストは当然有利です。

新エネルギー車の開発の重要な論理は、省エネと環境保護であり、これは間違いなく中国にとってより重要です。現在、中国の大気汚染は深刻であるだけでなく、最大60％の石油輸入に依存しており、その85％は、米国が管理するマラッカ海峡を通じても、エネルギー安全保障が国家安全保障の最大の弱点となっています。したがって、州は新エネルギー車に巨額の補助金を出している。重要な理由は石油輸入への依存を緩和することである。次の段落では、次のように、省エネ、環境保護、および資源制約の観点から2つを比較します。

省エネと環境保護の比較

現在、中国の燃料電池原料水素の最も経済的な手段は石炭から水素を製造することであり、中国のリチウム電池の原料電力も主に石炭火力発電から供給されています。したがって、どちらも本質的に石炭からのエネルギーであり、炭素排出量は上流に移動するだけです。したがって、省エネが達成されるかどうかは、主にエネルギー変換効率に依存します。現在、リチウム電池車は100キロあたり17度の電力を消費しており、これは6.8キログラムの石炭に相当します。燃料電池は100キロメートルあたり9立方メートルの水素を消費し、貯蔵と輸送のリンクで20％の損失があり、これは7.3キログラムの石炭に相当します。ガソリン車は100kmあたり10Lのガソリンを消費し、10kgの石炭を排出します。実際、新エネルギー車の省エネ効果は明らかではなく、そのコアバリューは、エネルギー安全保障の問題を軽減するために、石油から中国の豊富な石炭埋蔵量への一次エネルギー消費にあります。環境保護の観点から、燃料電池は排気ガスがほとんどなく、リチウム電池は排出量が少なく、業界全体の汚染は主に上流に集中しています。しかし、散在するガソリン車の排気ガスを処理する場合と比較して、上流の集中型汚染防止は間違いなくはるかに困難ではありません。全体として、燃料電池産業チェーンは汚染が最も少なく、これは最高のグリーンビークルエネルギーと見なすことができます。

リソース制約の比較

燃料電池の触媒は貴金属白金を使用しており、資源の制約が懸念されています。 2015年のプラチナの世界総需要は270トンで、主な下流製品は自動車の排気ガス洗浄触媒、宝飾品、産業で、44％、34％、22％を占めています。みらいちゃんは1台あたり約20gのプラチナを使用しており、ガソリン車より10〜15g多い。燃料電池車が世界の年間生産量の5％を占め、年間平均消費量が約56トン増加すると仮定すると、これは大きなショックのように思われます。しかし、同じ仮定の下で、リチウム資源の消費の年間増加は80,000トンであり、これは年間40,000トンの生産量に相当します。実際、その影響はより大きく、これは今年のリチウム鉱石の高騰によって証明されています。また、トヨタの中期的な最適化目標は、白金の消費量を75％削減し、触媒の白金回収を実現することです。上記の目的のいずれかが達成された場合、プラチナリソースの制約は基本的に解決されます。

商品化度の比較

商品化に関しては、燃料電池とリチウム電池車は約5年離れています。まだ商品化の前夜であり、爆発の時期は2020年頃と見込まれています。現在、日米は技術面、特に乗用車の分野で世界をリードする国です。 2015年、みらいの量産は基本的に商品化のエントリー基準に達しました。対照的に、中国は燃料電池の工業化の分野でほとんど成果を上げていません。 2008年のオリンピックと2010年の世界博覧会のために燃料電池バスを製造したのは北汽福田汽車と上海汽車だけであり、それらはまだ技術デモンストレーションの段階にあります。しかし、中国の利点は経済規模が大きいことであり、燃料電池技術の成熟に伴い、迅速に追いつくことができます。

エネルギーの未来と産業の再編

現在、全世界のエネルギーは依然として太陽核融合によって生成されたエッジエネルギーから来ており、総出力は1.8 * 1013です。カルダシェフ指数によると、それはまだ惑星文明の段階にあります。将来、突破口を開き続けたいのであれば、制御可能な核融合を実現しなければなりません。この方法でのみ、1016の星文明の開始条件を達成することができます。 1キログラムの水素同位体は、300リットルのガソリンに相当する1キログラムの海水に相当する数億キロワットの電力を生成する可能性があります。水から水素への電気分解は非常に低コストで制御可能な核融合+水素エネルギーはエネルギー構造の究極の組み合わせになります。石油はローエンドの燃料分野から完全に解放され、さまざまな石油ベースの原材料のコストは想像できる範囲で削減され、将来の人間の産業システムの再構築にも無限の可能性をもたらします。それはとても美しい時代になるでしょう！

人類の歴史を通じて、すべてのエネルギー革命は、産業システム全体の再構築、さらには世界的なリーダーシップの変化をもたらしました。最初の産業革命はイギリスを作り、2番目の産業革命はアメリカを作りました。将来、燃料電池車が石油車に完全に取って代わることができれば、石油を支える産業システム全体が破壊され、過去200年間に内燃機関の時代に先進国が蓄積した技術的優位性の価値が大幅に低下します。 、それはまた私たちの国にカーブで追い抜く機会を与えます。この歴史的なチャンスをつかむことができれば、次世代の産業システムのリーダーになるチャンスがあります。日本は、リチウム電池を最初に開発した国として、基本的にリチウム電池車の研究開発を断念し、燃料電池を激しく攻撃しました。その背後にある論理は深く考える価値があります。

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