水素燃料電池VSリチウムイオン電池

人類の歴史において成功したエネルギー革新のそれぞれの明確な主なタスクは、エネルギー密度の数をアップグレードすることです。たとえば、石炭のエネルギー密度は木材の160倍、石油のエネルギー密度は石炭の2倍です。新しいエネルギーがエネルギー密度に圧倒的な利点をもたらす場合にのみ、それは、長年の完全な基盤となるネットワークと産業用補助装置を使用して、従来のエネルギーの慣性適用を逆転させることができます。 10倍の原則は、INTELの創設者であるGrove in ITによって実行されます。つまり、非常に新しいテクノロジーが登場すると、それは圧倒的です。たとえば、ガソリン車は電気自動車より20年遅れて発明され、初期の技術は未成熟でしたが、それでもすぐに電気自動車に取って代わり、エネルギー密度が高くなりました。

水素燃料電池とリチウムイオン電池の分析

近年、電気自動車は世界中で広く普及していますが、以前は電気自動車がイノベーションのエネルギー密度を高めるという目的に違反していたため、その割合はまだ1％未満です。最新世代のリチウムイオン電池車の極値エネルギー密度はガソリンの1/40に過ぎません。電池業界では10倍のペースで進歩することは難しい。しかし、燃料電池はこの状態を完全に変えます。水素を原料とし、基本エネルギー密度はガソリンの3倍、電気モーターの仕事効率は内燃機関の2倍、実際の密度はガソリンの6倍です。その利点は明らかにです。過去100年間のエネルギー資源の進化の歴史にさかのぼり、それが本質的に炭素水素比の変更の歴史であることがわかります。水素の含有量が多いほど、エネルギー密度は高くなります。炭素から水素への資源変換がトレンドになっています。したがって、水素燃料電池が次の必須エネルギー発電になる可能性があります。

自動車の主な性能は、耐久性、充電/水素充電時間、出力電力、安全性能などです。燃料電池のエネルギー密度は、リチウムイオン電池よりもはるかに高くなっています。燃料電池には、容量、急速充電、耐久性に利点があります。テスラのリチウムイオン電池と比較しても、優れた性能を発揮します。ただし、電力密度は高くありません。最大出力電力は、補助電源バッテリーシステムによって異なります。燃料電池とリチウムイオン電池の最高速度と1キロメートルあたりの加速指数にほとんど違いはありません。さらに分析するために、以下の例として、2Lのガス排出量のガソリン車、45度のリチウムイオン電池車、および100KWの出力電力の燃料電池車を取り上げます。

エネルギー密度

蓄電池の一つとして、リチウムイオン電池はクローズドシステムです。バッテリーはエネルギーのキャリアであり、充電せずに動作することはできません。そのエネルギー密度は電極材料に依存します。カソード材料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、アノード材料を鉛酸、ニッケルベースからリチウムにアップグレードする必要があります。ただし、Liは原子量が最も小さい金属元素です。 Liイオンよりも優れている唯一のアノード材料は、ガソリンのエネルギー密度の1/4のリチウム電極です。その上、リチウム電極は商品化に技術的な困難があり、十数年以内にプロセスを作ることはほとんどありません。したがって、理論上のボトルネックにより、エネルギー密度を現在の160Wh / KGから300Wh / KGにしかアップグレードできません。これを実現しても、燃料電池の1/120に過ぎません。最初は失敗する運命にあります。

体積エネルギー密度

燃料電池の水素材料の主な欠点は、大量のエネルギー密度が不足していることです。この問題は、現在、圧力を上げることで解決される傾向があります。 700気圧の圧力モードによると、その体積エネルギー密度はガソリンの3分の1です。 300キロ走行の場合、燃料電池の水素タンク容量は100L、重量は30KG、ガソリン車の等価燃料タンクは30Lです。幸いなことに、電気モーターの容積は内燃機関より80L小さいので、それらは同じような総容積を持っています。リチウムイオン電池車の三元系とリン酸鉄リチウムの主流技術は2種類あります。代表的な企業はテスラとBYDです。三元はエネルギー密度が高いが安全性能が低く、補助保護装置が必要です。この2種類のバッテリーの容量は140Lと220Lで、重量は300キロ走行で0.4トンと0.6トンです。どちらも燃料電池よりも高いです。低温下での水素吸蔵合金と液体水素貯蔵技術が成功すれば、燃料電池の体積エネルギー密度は別々に1.5倍と2倍に増加します。その利点はより明白になります。

電力密度

燃料電池は本質的に水素原料の化学電源システムであるため、出力は安定しています。放電電力をアップグレードするには、トヨタミライなどのパワーバッテリーシステム、補助NI-MHバッテリーが必要です。オープンパワーシステムとして、エネルギーは外部入力から供給され、補助NI-MHバッテリーはエネルギー貯蔵の問題がなく、5〜8℃の要件を満たすことができ、サイクル寿命の要件が低く、サービス制限がほとんどありません。実際のアプリケーション。設計放電効率は高いですが、リチウムイオン電池のサイクル寿命を守るために多くのサービス制限があります。完全に充電した後は、高速で放電することはできません。急速放電は0〜80％以内でなければなりません。ただし、実験室でのサイクル寿命は、5Cでの放電の600倍に減少し、実際の適用では400倍に減少します。たとえば、Telsaの実際の放電率は最大電力が310KWであっても4Cです。低エネルギー密度のシーリングエネルギー貯蔵システムとして、バッテリーの重量を大幅に増加させない限り、高電力放電と高耐久性の燃費は両立できません。現在最高のエネルギー密度を持つ三元電池を使用した後の電池パックの重量は約0.5トンです。

安全性能

安全性能も自動車にとって非常に重要です。シーリングエネルギー貯蔵システムとして、高いエネルギー密度と安全性能は両立できません。さもないとバッテリーが爆発します。そのため、主流の技術では、エネルギー密度の低いLifepo4バッテリーの安全性能は良好で、500〜600℃の温度でしか分解し始めないため、多くの保護補助装置を用意する必要はありません。テスラの三元電池はエネルギー密度が高いが耐熱性がなく、250〜350℃で分解し、安全性能が悪い。解決策は、7000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と爆発を減らすことです。その上、それはまた複雑な保護装置を必要とします。テスラの安全設計により、これまでのいくつかの事故で死傷者は出ていませんが、火のバッテリーはその本能的な安全性能の低さを反映しています。

水素は可燃性で爆発性があるため、水素を原料とする燃料電池は安全性能に影響を与えます。しかし、燃料蒸気や天然ガスと比較して、どちらも自動車に人気のある可燃性ガスであり、水素の安全性能は優れています。現在、水素貯蔵装置は炭素繊維材料で作られ、80KM / hでの多方向交差検出中のバッテリーに問題はありません。交通事故で漏れが発生しても、水素は爆発に高濃度が必要なため爆発しにくいですが、最初は燃えます。また、水素は軽量です。車や乗客を保護する装置から漏れた後、燃焼している水素が上昇します。逆に、ガソリンは液体状態、リチウムイオン電池は固体状態です。どちらも空中に上がるのは簡単ではありません。彼らは車の下で燃え、そして車はすぐにスクラップになります。水素の貯蔵と輸送はLNGと同様であり、より多くの圧力が必要です。製品化が進むにつれ、その安全性能はますます良く制御できるようになります。

バッテリー車のコストは、全車コスト、原材料コスト、組立コストに分けられます。現在、燃料電池の主な欠点はコストです。開発に関しては、急速な技術開発と商品化により、コストを削減することができます。送電網拡張のコストを考えると、リチウムイオン電池の総組立コストは燃料電池のそれよりも高くなります。計算は次のとおりです。

車全体の費用

エンジンのコストは、リチウムイオン電池、燃料電池、ガソリンの車の間で、車全体のコストの中で最も異なる部分です。 2Lガソリン車のエンジンコストは約3万元で、将来的にはほとんど差がないかもしれない。最近、リチウムイオン電池の価格は1200元/ kWhであり、将来的には1000元/ kWhに下がる可能性があります。 45度の電気自動車のバッテリーコストは45000元です。燃料電池の主なコストは、バッテリーパックと高圧貯蔵タンクです。 100KWのバッテリーパックは現在100,000元です。年間50万個生産後、1台あたりのコストは30ドル/ KW（人民元2万元）に下がると予測されている。水素貯蔵タンクの価格は現在60,000元です。 35,000元に下がる可能性があり、総費用は55,000元です。これらの3種類の電力システムのコストは、長い間ほとんど違いがありません。車全体のコストは主要な問題ではありません。

原材料

2Lガソリン車は1キロメートルあたり10Lガソリンを消費します。ガソリンは1リットルあたり5.8元なので、合計で58元かかります。リチウムイオン電池車1kmあたりの消費電力は17kWhです。費用は0.65元/ kWh、合計11元です。燃料電池は1キロメートルあたり9m3の水素を消費します。主な水素製造方法は、石炭や天然ガスなどで水素を製造するなど、水の電気分解または化学反応です。水の電気分解のコストは、平均で5kWh、1m3の電気です。費用は約3.8元/ m3です。水素ステーションで電気分解することで、輸送費を節約できます。大量生産に化石エネルギーを採用する場合。石炭で作られた水素のコストは最も安く、約1.4元/ m3です。北米は0.9元/ m3の安価な天然ガスを利用できます。石炭で水素を作るコストを基準にすると、1キロメートルあたりの原材料のコストは12.6元です。リチウムイオン電池と少し違います。

組立費

水素燃料補給所、ガソリンスタンド、充電ステーションの費用は、土地費、施設費、建設費に分けられます。それらの主な違いは、施設のコストにあります。ガソリンスタンドは通常30万元、充電スタンドは約430万元、水素燃料スタンドは日本の最近の基準で150万元と予測されている。比較すると、水素燃料補給所の費用は他のものよりも合計で10000,000元かそこら高いです。 15年間の減価償却によると、水素の販売量が1,000万立方メートルの場合、減価償却費は0.1元/ m3になります。通常、小規模水素はタンク車で輸送され、輸送費は0.44元/ m3である。大規模な水素はパイプラインで輸送できるため、コストは0.23元/ m3に減少します。

リチウムイオン電池の組立コストは、完成した電力網システムに依存して低くなっていますが、最近の電力網の残りは大規模な普及後に使い果たされるため、将来的に拡張する必要があります。充電ステーションは電力網に組み立てコストをかけるので、業界チェーン全体のコストを計算するときは、電力網のコストに注意を払うことを忘れないでください。商業運転の充電ステーションは、少なくとも1時間の急速充電の基準を満たします。 10本の充電パイルで作られた充電ステーションの電力は600KWで、これは数百の家庭用電気負荷と同じであり、電力網に強い影響を及ぼします。電力網を拡張するには、120万元以上を投資する必要があります。ただし、年間販売量は93万kWhに過ぎない。 0.65元/ kWhで計算し、15年の減価償却の予測に基づいて、販売価格はコストより0.18元/ kWh上昇する必要があります。

販売費

ガソリンスタンドの販売ネットワークが整備されています。 1時間あたりの利益は、ガソリンスタンドの合理的な収益の計算基準になります。水素燃料ステーションの価格差は1立方メートルあたり0.51元であるのに対し、リチウムイオン電池はkWhあたり4.9元であり、リチウムイオン電池車の拡張に反対している。現在、政府が設定した充電ステーションのサービス料の上限は0.4元/ kWhであり、多額の補助金が支給されている。しかし、長期の補助金で発展できる産業はありません。将来的にリチウムイオン電池の充電効率を上げることができなければ、企業の利益はガソリンスタンドや水素燃料補給所よりもはるかに低くなります。合理的なリターンがなければ、投資家は都市のコストが高いために充電ステーションの宣伝を奨励せず、その結果、業界は正常に発展することができません。リチウムイオン電池のエネルギー密度は非常に低いため、高い充電効率を追求する力があると、サイクルライフ技術にとって大きな課題となります。 3分間の急速充電を行ったとしても、関連する単一の充電パイルの電力は1200KWに達する必要があります。すべての充電ステーションには、110KVの補助変圧器変電所が必要です。投資額は5000万元、駅は5000㎡、住宅は300m以内の立ち入りが禁止されており、沿岸大都市での実施は大きな課題です。

総費用

ガソリン車、リチウムイオン電池車、燃料電池車の商品化前後の100キロ当たりのコストは、全体で58元、83元、23元、20元です。販売費の差は総費用に大きく比例します。チャージパイルの投資が水素ステーションの1/3であることを考えると、複合コストは37元であり、利益を1時間あたり1.4元にさらに減らします。燃料電池車は、燃料電池のエネルギー密度が高いため、長期コストという明らかな利点があります。燃料電池のコストは、同じ商品化状態で他のどのバッテリーよりも低くなっています。

新エネルギー車開発の最も重要な部分の1つは環境保護であり、これは我が国でより重要です。今日、我が国の大気汚染はますます悪化しています。その上、石油輸入貿易の相互依存は60％に達します。 85％の石油は、アメリカが支配するマラッカを通過する必要があります。エネルギー安全保障は、私たちの国家安全保障における最大の欠点になります。したがって、輸入の相互依存を減らすために、政府は新エネルギー車に多額の補助金を支払っている。省エネ、環境保護、資源制約の違いを次のように比較してみましょう。

省エネと環境保護

燃料電池原料の最も経済的な製造方法は、石炭製造法です。我が国のリチウムイオン電池の電力も主に石炭火力発電です。したがって、これらの材料は両方とも石炭からのものであり、炭素排出は最後のプロセスに移行します。環境にやさしいかどうかを判断するために、エネルギー変換効率をチェックする必要があります。今日、リチウムイオン電池車は100キロあたり17 kWhを消費し、6.8キロの石炭を使い果たします。燃料電池は100キロメートルあたり9m3を消費し、出荷中に20％を失い、7.3キロの石炭を使い果たします。ガソリン車は10Lのガソリンを消費し、その炭素排出量は10キロの石炭に相当します。新エネルギー車の省エネ効果は明らかではありません。そのコアバリューは、一次エネルギー消費を石油から豊富な資源を備えた石炭に伝達することであり、これはエネルギー安全保障に大いに役立つ可能性があります。環境保護については、燃料電池車は排気ガスがほとんどなく、リチウムイオン電池車は排気ガスが少ないです。この産業の汚染は主に最後のプロセスにあります。排気ガスの排出を処理する場合と比較して、最後のプロセスでの汚染防止が容易になります。全体として、燃料電池は業界チェーン全体で他のどのエネルギーよりも汚染が少なく、環境に優しい最高のエネルギーと見なすことができます。

リソースの制約

燃料電池は触媒として貴金属白金を必要とし、それは資源の制約につながる可能性があります。 2015年のプラチナの世界需要は270トンです。自動車の排気ガス洗浄、宝飾品、産業の触媒として広く使用されています。個々の割合は44％、34％、22％です。みらい自転車のプラチナ消費量は約20gで、ガソリン車より10〜15g多い。燃料電池車の年間生産量が世界の5％を占めるとすると、年間消費量の伸びは約56トンであり、大きなショックと思われます。しかし、リチウム資源の年間生産量が80,000トンである場合、対応する年間生産量40,000トンは大きな衝撃を与えるでしょう。これは、今年のリチウム鉱石の価格高騰によって証明できます。トヨタの中期目標は、プラチナの消費量を75％削減し、触媒のリサイクルを実現することです。上記の目標の1つが達成されれば、プラチナのリソースの制約はほぼ解決できます。

商品化状態

商品化に関しては、燃料電池車とリチウムイオン電池車の間に5年のギャップがあります。現在も商業化状態にあり、2020年には大きな進歩を遂げる可能性があります。世界をリードする技術を持っている国は現在日本とアメリカであり、特に日本は乗用車の技術が優れている国はほぼ唯一です。 2015年に量産を開始したみらいちゃんは、基本的には当初の商品化基準を満たしています。それに比べて、国内の電池業界をリードする人が不足しています。 2008年のオリンピックと2010年の世界博覧会で燃料電池モーターコーチを製造したのはBeiqiFotonとSAICだけですが、まだ実証段階にあります。燃料電池技術の発展として、我が国は大きな経済で急速に大きな進歩を遂げることができます。

将来のエネルギーと産業システムの再構築

最近、地球のエネルギーは太陽の核融合のエッジエネルギーからのものであり、総出力は1.8 * 1013です。カルダシェフスケールによると、それはまだ惑星文明の状態にあります。 1016星文明の初期要件を満たすためには、制御可能な核融合を実現する必要があります。その瞬間、1キロの水素同位体は1億kWh以上の電力を生み出すことができます。これは、1キロの海水から300Lの石油に相当します。水が石油になることはもはや夢ではなく、エネルギーはもはや人間開発を阻む問題ではありません。水の電気分解によって水素を生成するコストは低くなり、制御可能な核融合と水素エネルギーがエネルギー構造の最終的な組み合わせになります。そうすれば、石油が燃料エリアから抜け出すことができ、さまざまな種類の石油ベースの材料のコストが信じられないほどの価格に下がり、将来の産業システムの再構築に無限の可能性をもたらす可能性があります。それは素晴ら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をもたらし、世界の主要国を変えることさえあります。最初の産業革命はイギリスを世界の主要国にし、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れば、石油が築き上げてきた産業システム全体が崩壊し、先進国が過去200年間に蓄積した技術的優位性が急速に低下する可能性があります。私たちを超える。この歴史的な機会を捉えれば、次の産業システムのリーダー国になる可能性があります。日本はリチウムイオン電池を発明した最初の国であるため、日本がリチウムイオン電池車の研究開発を断念し、燃料電池車に専念する理由を検討する価値があります。