Trong làn sóng của cuộc cách mạng năng lượng mới, pin nhiên liệu hydro và pin lithium, như hai công nghệ năng lượng cốt lõi, đang định hình lại cảnh quan năng lượng thông qua các con đường công nghệ riêng biệt. Các tế bào nhiên liệu hydro đạt được chuyển đổi năng lượng không phát thải thông qua các phản ứng điện hóa trong màng trao đổi proton, trong khi pin lithium dựa vào sự xen kẽ và khử trùng các ion lithium giữa các điện cực dương và âm để lưu trữ năng lượng. Đằng sau cuộc thi công nghệ này là sự cạnh tranh khác biệt đa chiều về mật độ năng lượng, hiệu quả chuyển đổi, cơ sở hạ tầng, hiệu quả chi phí, v.v. Khả năng tương thích các đặc điểm công nghệ của họ với các kịch bản ứng dụng xác định mối quan hệ bổ sung và cộng sinh của họ trong kỷ nguyên của tính trung lập carbon.
I. Sự khác biệt cơ bản trong các nguyên tắc công nghệ và thông số hiệu suất
Proton trao đổi tế bào nhiên liệu màng (PEMFC), loại pin nhiên liệu hydro, tạo ra điện thông qua các phản ứng hóa học hydro-oxy. Ưu điểm cốt lõi của họ nằm ở mật độ năng lượng và khả năng thích ứng ở nhiệt độ thấp. Lấy chiếc xe nhiên liệu của Toyota Mirai làm ví dụ; Mật độ năng lượng hệ thống của nó đạt 33,6 kWh\/kg, 168 lần so với pin lithium. Một chất tiếp nhiên liệu hydro duy nhất trong ba phút cho phép phạm vi lái xe 800- km. Đặc điểm này làm cho nó rất phù hợp cho các ứng dụng như lực kéo 4,4 MW của đầu máy hydro của Đường sắt Thái Bình Dương (CPKC) của Canada, trong đó chi phí tiêu thụ năng lượng thấp hơn 42% so với động cơ diesel và khả năng duy trì hiệu suất vượt quá 95% ngay cả trong môi trường cực kỳ lạnh (-30.
Mặt khác, pin lithium đạt được điện tích và xả thông qua sự di chuyển của các ion lithium giữa các điện cực dương và âm. Nghiên cứu và phát triển và phát triển công nghệ pin trạng thái rắn hiện đại của CATL (CATL) có mật độ năng lượng tăng lên 500 WH\/kg. Tuy nhiên, bị hạn chế bởi các tính chất hóa học của các ion lithium, hiệu suất nhiệt độ thấp của chúng (phân rã công suất 40% ở mức {4}}) và mật độ năng lượng vẫn giảm của các tế bào nhiên liệu hydro.
Về hiệu quả chuyển đổi, pin lithium, dưới dạng các thiết bị lưu trữ năng lượng trực tiếp, tự hào về hiệu quả chuyển đổi năng lượng cao tới 90%. Ngược lại, các tế bào nhiên liệu hydro trải qua quá trình chuyển đổi thứ cấp của "điện-hydro-điện", dẫn đến hiệu quả toàn chuỗi chỉ là 35%45%45%. Sự khác biệt hiệu quả này đặc biệt rõ ràng trong lĩnh vực xe chở khách. Bộ siêu nạp V4 của Tesla có thể đạt được tốc độ sạc lại "200 km trong 5 phút", trong khi phương tiện pin nhiên liệu hydro của Hyundai nexo, mặc dù 3- phút tiếp nhiên liệu hydro cho phép so với {{10} km. Những đặc điểm công nghệ này chỉ ra rằng các tế bào nhiên liệu hydro phù hợp hơn cho các kịch bản lưu trữ năng lượng đứng yên và hoạt động cố định, trong khi pin lithium thống trị các ứng dụng thiết bị di động và di động ngắn.
Ii. Mâu thuẫn cấu trúc trong cơ sở hạ tầng và hiệu quả chi phí
Số lượng cọc sạc toàn cầu đã vượt qua 18 triệu, với Trung Quốc chiếm 6,6 triệu đơn vị. Ngược lại, số lượng các trạm tiếp nhiên liệu hydro đứng ở mức dưới 400. Khoảng cách đáng kể này trong cơ sở hạ tầng trực tiếp dẫn đến sự thâm nhập thị trường hạn chế của các phương tiện pin nhiên liệu hydro, vẫn dưới 1% mặc dù có khả năng đạt được 180- Hạn chế này là do mạng tiếp nhiên liệu hydro thưa thớt.
Ngược lại, pin lithium đã chứng kiến sự sụt giảm của giá pin phosphate sắt lithium xuống 0. 5 nhân dân tệ\/wh. Công nghệ pin Blade của BYD, thông qua đổi mới cấu trúc, đã tăng mức sử dụng khối lượng lên 50%, cho phép xe điện có giá 200, 000 Yuan để đạt được phạm vi lái xe vượt quá 700 km.
Mâu thuẫn chi phí cũng thể hiện trong tự chủ tài nguyên. Sự phụ thuộc tài nguyên lithium của Trung Quốc vào nhập khẩu vượt quá 70%, trong khi tỷ lệ tự chủ tài nguyên năng lượng hydro của nó đạt 98%. Sự khác biệt tài nguyên này mang lại cho các tế bào nhiên liệu hydro một lợi thế tự nhiên trong vận chuyển chéo, như đã được chứng minh trong việc xây dựng các trạm tiếp nhiên liệu hydro đi kèm với đường ống "West Hydrogen đến East". Mặc dù chi phí của hệ thống pin nhiên liệu của Toyota Mirai đã giảm từ 50, 000 Đô la Mỹ xuống còn 18, 000 đô la Mỹ, cho thấy sự xuất hiện ban đầu của quy mô, chi phí sản xuất hydro xanh hiện tại (35 nhân dân\/kg) vẫn còn 2,3 lần.
Iii. Cân nhắc kép về rủi ro an toàn và đặc điểm môi trường
Rủi ro an toàn của các tế bào nhiên liệu hydro chủ yếu tập trung vào việc lưu trữ và vận chuyển hydro. Mặc dù khả năng của màng trao đổi proton để ngăn chặn sự chuyển điện tử trực tiếp, bản chất dễ cháy và bùng nổ của hydro vẫn cần các biện pháp bảo vệ đặc biệt. Đầu máy hydro của Canada áp dụng các bể chứa hydro hai lớp và cảm biến áp suất để kiểm soát xác suất rò rỉ dưới một triệu.
Ngược lại, các mối nguy hiểm an toàn của pin lithium chủ yếu xuất phát từ sự chạy trốn nhiệt. Công nghệ pin "không cháy" của CATL, thông qua các chất phụ gia điện giải và lớp phủ tách, đã tăng nhiệt độ kích hoạt chạy nhiệt lên 180 độ.
Về đặc điểm môi trường, pin nhiên liệu hydro có thể đạt được sự phát xạ bằng không trong suốt vòng đời của chúng nếu năng lượng tái tạo được sử dụng để sản xuất hydro. Dự án năng lượng cho hydro của gió Zhangjiakou giúp giảm lượng khí thải carbon dioxide bằng 120, 000 tấn hàng năm. Tuy nhiên, hydro xám (được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch) có cường độ phát xạ carbon vượt quá xăng. Sản xuất pin lithium tạo ra 15 tấn lượng khí thải carbon trên mỗi tấn lithium cacbonat và khai thác các kim loại nặng như cobalt và niken đặt ra rủi ro môi trường. Tuy nhiên, công nghệ làm sắt lò rèn của lò đốt trục hydro làm giảm lượng khí thải carbon trên mỗi tấn thép bằng 50% thông qua việc giảm hydro quặng sắt, cho thấy giá trị độc đáo của các tế bào nhiên liệu hydro trong quá trình khử carbon công nghiệp.
Iv. Bộ phận Lao động và Đổi mới hợp tác tinh tế trong các kịch bản ứng dụng
Trong lĩnh vực xe chở khách, pin lithium chiếm ưu thế với thị phần 90% do sự trưởng thành của các mạng sạc. Tesla Model 3 làm giảm mức tiêu thụ năng lượng trên 100 km xuống còn 12,5 kWh thông qua 4680 pin và công nghệ tế bào đến kênh (CTC). Ngược lại, các tế bào nhiên liệu hydro đã tạo ra những đột phá trong vận chuyển hạng nặng. Hành lang "Hydrogen Energy" theo kế hoạch của Trung Quốc sẽ bao gồm các khu vực như khu vực Bắc Kinh-Tianjin-Hebei và đồng bằng sông Yangtze, giảm chi phí vận chuyển chéo cho xe tải hạng nặng chạy bằng hydro so với diesel.
Trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng, một xu hướng hội nhập công nghệ đang nổi lên. Hệ thống lưu trữ "hydro-lithium hybrid" của CATL làm giảm 40% chi phí bằng cách sử dụng pin lithium để điều chỉnh công suất tức thời và pin nhiên liệu hydro để lưu trữ năng lượng dài hạn. Sự đổi mới hợp tác này đã được xác nhận trong Thế vận hội mùa đông Zhangjiakou, trong đó một nhà máy điện lưu trữ năng lượng hydro 10 MW và trạm lưu trữ năng lượng pin lithium hình thành một hệ thống lai, đạt được hiệu suất bổ sung với phản ứng cấp hai và lưu trữ năng lượng cấp độ hàng ngày.
V. Triển vọng trong tương lai được thúc đẩy bởi chính sách và lặp lại công nghệ
Việc tiêu thụ năng lượng của các chất điện phân PEM để sản xuất hydro đã giảm xuống còn 4 kWh\/nm³, và chi phí sản xuất hydro quang điện ở Ningxia đang tiếp cận với hydro dựa trên than. Toyota và BMW đã cùng phát triển hệ thống pin nhiên liệu thế hệ thứ tư, giảm 90% sử dụng chất xúc tác bạch kim và cắt giảm chi phí xuống còn 1, 000 đô la Mỹ mỗi kilowatt. Trong lĩnh vực pin lithium, dòng thời gian sản xuất hàng loạt cho pin trạng thái rắn đã được nâng lên đến năm 2027. Haishi 07 eV của BYD, được trang bị pin phosphate sắt lithium mangan, đã cải thiện khả năng duy trì phạm vi nhiệt độ thấp lên 85%.
Ở cấp độ chính sách, Liên minh châu Âu bắt buộc tỷ lệ khử cacbon đường sắt vượt quá 50% vào năm 2030 và Trung Quốc đã đưa năng lượng hydro vào "Danh mục quảng cáo vận tải năng lượng mới". Dự kiến vào năm 2040, năng lượng hydro sẽ chiếm 23% nhu cầu năng lượng đầu cuối, trong khi pin lithium sẽ chiếm 45% thị trường du lịch di động. Chiến lược năng lượng theo dõi kép này cho phép các mô hình như Hyundai Nexo đạt được phạm vi lái 900- km thông qua hệ thống kép bằng điện hydro, và CATL và Honda đã cùng phát triển giải pháp "Pin hoán đổi + hydro" để cung cấp thêm năng lượng linh hoạt cho xe tải nặng.
Kết luận: Con đường cùng tồn tại của cộng sinh trong cuộc cách mạng năng lượng
Sự cạnh tranh giữa pin nhiên liệu hydro và pin lithium về cơ bản là một sự phân chia lao động tinh tế trong các kịch bản công nghệ. Pin lithium, với lợi thế về chi phí, hiệu quả và cơ sở hạ tầng, là không thể thay thế trong các ứng dụng di chuyển và thiết bị di động ngắn. Các tế bào nhiên liệu hydro, với tiềm năng về mật độ năng lượng, phạm vi lái xe và khử cacbon công nghiệp, đại diện cho hướng đi trong tương lai cho vận chuyển hạng nặng và lưu trữ năng lượng đứng yên. Như dự đoán trong "Chiến lược năng lượng kép" của Liên minh châu Âu, không có người chiến thắng nào trong cuộc cách mạng công nghệ này. Chỉ thông qua đổi mới vật liệu, tích hợp hệ thống và phối hợp chính sách mới có thể thực hiện được sự chuyển đổi năng lượng theo mục tiêu trung lập carbon 2060. Các thực tiễn công nghệ của hệ thống lưu trữ "hydro-lithium hybrid" của CATL và "hệ thống kép hydro-điện" của Toyota đã chiếu sáng bình minh của cuộc cách mạng năng lượng trong tương lai xanh được đặc trưng bởi sự hợp tác và đa dạng của hydro.
