Литий-ионные батареи против водородных топливных элементов: каковы технологии будущего?
DalyokiyОбе технологии используют электричество и оставляют после себя нулевые выбросы, но на этом сходство заканчивается.
Что касается автомобилей, то, несомненно, будущее за электроэнергией. Источник и хранилище указанной электроэнергии на будущее разделили дом. В то время как электромобили с батарейным питанием (BEV) сумели получить значительный импульс в большинстве частей мира, именно электрика на водородных топливных элементах (FCEV), по крайней мере на бумаге, кажется наиболее устойчивой формой мобильности. Так в чем же основные различия между электротехникой аккумуляторных батарей (работающей на литий-ионных батареях) и водородной электротехникой (работающей на топливном элементе)?
Как это работает
FCEV не следует путать с автомобилями, работающими на водороде, в которых водород используется в качестве двигателя. С FCEV и BEV источником энергии по-прежнему является электричество. Однако FCEV вырабатывает электричество на ходу за счет химической реакции между водородом и кислородом с использованием топливного элемента.
Водород хранится на борту так же, как бензин хранится в автомобиле внутреннего сгорания, а топливный элемент отправляет электричество, генерируемое в результате химической реакции, на электродвигатель (-ы) в транспортном средстве. В BEV электричество хранится в литий-ионной батарее, как и в любом другом электронном устройстве, и передается непосредственно на один или несколько электродвигателей, которые приводят в движение транспортное средство.
Диапазон и эффективность
В настоящее время преимущество заключается в электромобилях с водородным двигателем. Водород обеспечивает в сотни раз больше энергии на килограмм, что дает автомобилю гораздо больший запас хода, не делая его значительно тяжелее - решающее препятствие для BEV, которые не могут расширить свой диапазон без увеличения веса транспортного средства.
Проще говоря, литий-ионные батареи не так плотны, как резервуар, полный водорода. Постепенное изменение размера водородного бака может значительно увеличить диапазон. Для сравнения, любое увеличение размера литий-ионной батареи оказывается провальной концепцией, поскольку расширенный диапазон должен также учитывать добавленный вес, снижая общую эффективность.
С появлением твердотельных аккумуляторов BEV рассчитывают на дальность действия примерно 1000 км, что кардинально меняет правила игры, если учесть, что на горизонте нет прорыва для FCEV. Мало того, что твердотельные батареи могут удерживать больше заряда, им требуется примерно вдвое меньше времени, чем у литий-ионных аккумуляторов текущего поколения, чтобы полностью зарядиться.
Хотя это больше, чем время дозаправки для FCEV, увеличенный запас хода возвращает внимание к литий-ионным аккумуляторам. Но по общему мнению, FCEV лучше подходят для дальних поездок, а BEV предпочтительнее для более коротких поездок. В настоящее время средний FCEV может обогнать средний BEV примерно на 160 км, прежде чем разрядится.
Практичность
Хотя общий запас хода BEV и FCEV может быть относительно сопоставимым, это время дозаправки, когда FCEV опережают. Заправка бака водородом занимает столько же времени, как и заправка бензином, что позволяет сэкономить драгоценные минуты, которые можно вычесть из общей продолжительности поездки.
В то время как быстрая зарядка Tesla Model S может дать вам 80% энергии за полчаса, обычному зарядному устройству переменного тока для полной зарядки электромобиля требуется до 5 часов. Учтите, что литий-ионный аккумулятор может выдерживать лишь ограниченное количество циклов быстрой зарядки, и водород явно выходит в лидеры с точки зрения практичности.
Его удельная мощность и время заправки - две основные причины, по которым водород производит революцию в индустрии коммерческих автомобилей. Грузовики дальнего следования не могут иметь тяжелых аккумуляторов, так как это заставит их уменьшить вес груза. Батарея меньшего размера значительно уменьшит дальность полета и увеличит общее время, необходимое для доставки груза.
Долговечность
С точки зрения долговечности BEV находятся в невыгодном положении. В то время как большинство производителей BEV предлагают до 8 лет или 160000 км гарантии на свои литий-ионные батареи, сами батареи могут выдержать только ограниченное количество циклов зарядки, прежде чем они начнут терять способность сохранять электрический заряд, несмотря на то, что они защищены системами терморегулирования. и аккумуляторные буферы (которые предотвращают полную зарядку или разрядку аккумулятора, тем самым продлевая срок его службы).
Литий-ионный аккумулятор в конце своего жизненного цикла предлагает значительно меньший запас хода, и, хотя его можно заменить, это всегда дорогое удовольствие. Намного дороже, чем замена топливного элемента.
С другой стороны, топливный элемент имеет расчетный срок службы 5000 часов или 240000 км, что дает ему преимущество. Однако исследования доказали, что вождение на короткие расстояния создает серьезную нагрузку на мембрану топливного элемента, и именно это сокращает срок его службы.
Непрерывное вождение, при котором топливный элемент не смачивается и не сушится постоянно, позволит топливному элементу прослужить почти в 8 раз дольше, чем в среднем. Поэтому он больше подходит для дальних поездок, когда не требуется частых пит-стопов.
Безопасность
После столетия использования легковоспламеняющихся жидкостей в качестве топлива удивительно, почему мы рассматриваем водород как опасную форму двигателя. Водородные автомобили, такие как Toyota Mirai, Honda FCX Clarity и Hyundai Nexo, были признаны совершенно безопасными для вождения и не регистрировали никаких серьезных инцидентов. Этого нельзя сказать о BEV на протяжении многих лет.
Тем не менее, согласно журналу, опубликованному International Journal of Hydrogen Energy, хранение и транспортировка водорода, а также процесс заправки представляют определенные риски. Чтобы противостоять дополнительным затратам и рискам, связанным с транспортировкой водорода, заправочные станции могут использовать возобновляемые источники для производства водорода на месте.
На самом деле опасность автомобилей с водородным двигателем остается в основном теоретической. Водород транспортировали для промышленного использования в течение десятилетий, и не было заметных инцидентов с основными FCEV на дорогах. Однако, учитывая, что сжатый водород представляет больший риск, чем литий-ионный аккумулятор, BEV является сравнительно более безопасным вариантом.
Устойчивость
Это касается FCEV. Водородные автомобили фактически фильтруют воздух во время движения, оставляя чистый воздух в своем потоке. С большим объемом производства зеленого водорода (то есть водорода, производимого с использованием возобновляемых источников энергии) для коммерческих и легковых автомобилей, FCEV, безусловно, являются более экологичными электромобилями. В отличие от BEV, они не оставляют кучи и кучи (частично перерабатываемых) аккумуляторных отходов.
Доступность
Индия - не единственная страна со слаборазвитой водородной инфраструктурой. Фактически, за исключением Японии и Германии, большинству стран еще предстоит построить надлежащую сеть водородных станций.
Согласно исследовательскому журналу «Compendium of Hydrogen Energy», опубликованному Дж. Виндом, «во всем мире установлено около 200 водородных заправочных станций; около 85 из них расположены в Европе и около 80 - в США (в основном в Калифорнии) ».
Прямым следствием этого является то, что выпускается очень мало FCEV для легковых автомобилей (Toyota, Honda и Hyundai являются единственными ключевыми игроками) и еще меньше инфраструктурных компаний по всему миру, желающих инвестировать в транспорт и установку заправки водородом. станции. Это проблема курицы и яйца, которую можно частично решить с помощью государственной политики.
На данный момент в Индии нет в продаже FCEV и, как следствие, нет водородных заправок. Если бы бренд представил на рынке автомобили FCEV, их было бы совсем немного, учитывая вопиющие недостатки инфраструктуры.
Поскольку правительство предлагает «Национальную водородную миссию» и Reliance объявляет о строительстве двух гигафабрик по производству возобновляемого водорода, становится ясно, что Индия хочет стать глобальным центром производства и экспорта экологически чистого водорода.
Однако пока рано говорить о том, будет ли этот зеленый водород направлен на развитие собственной инфраструктуры заправки водородом.
Индия также планирует производить литий-ионные элементы самостоятельно, не полагаясь на импорт - шаг, который сделает электромобили значительно дешевле и, следовательно, их будет легче внедрять.
Такие бренды, как Tata Chemicals, Exide Industries и TDSG, становятся крупнейшими поставщиками литий-ионных аккумуляторов в Индии, и, согласно прогнозам, в ближайшие годы они станут намного дешевле.
В настоящее время BEV получили гораздо больший импульс, чем FCEVS. Все производители автомобилей стремятся полностью перейти на электричество к 2030-2035 гг., Но мало кто говорит о выборе водородного пути.
Однако несколько крупных игроков, таких как Toyota, VW, GM, Hyundai и Honda, не исключают водород в качестве топлива будущего и продолжат параллельно развивать технологию FCEV, хотя и в меньшем объеме. До тех пор, пока FCEV не станут более популярными и производство возобновляемого водорода не станет дешевле.