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已经有锂电为什么还要用氢燃料电池?两者有何差异?

佚名 2021-05-06 SG讲故事 读取中...人已围观

简介有锂电为什么还要用氢燃料电池?两者究竟有何差异?-国际能源网能源资讯中心锂电池手艺在我们的国家发展得如火如荼,为什么又要发展氢燃料电池?氢燃料电池和锂电究竟有何差异?小编带您走进两种不同的手艺路线,探

有锂电为什么还要用氢燃料电池?两者究竟有何差异?-国际能源网能源资讯中心锂电池手艺在我们的国家发展得如火如荼,为什么又要发展氢燃料电池?氢燃料电池和锂电究竟有何差异?小编带您走进两种不同的手艺路线,探寻其中奥秘。

锂电和燃料电池虽然是不同的手艺路径,但两者实现碳中和的主流能源方案,可以放在一起对比。终极能源是谁可以从两个角度评估,一是能源利用效率,二是能源密度。前者决定了成本优势,后者决定了应用场景广泛性。

锂电池和燃料电池均为利用电,但锂电池是直接用电,而氢还需要通过电转化而来,所以氢作为二次能源,能量利用效率肯定是低的。如下图氢燃料电池系统要远低于锂电池,这是马斯克diss氢能的点。

上述结论的前提是未来电力均为来自太阳能、风力等绿色电力,从新能源普及的角度看,则结论不完全似的。

2、新能源的占比从1%到10%需要五十年时许间。绿色的石油用了45年,可再生能源一十三年只增长了5%。

如果仍以化石能源发电为主的情况下,燃料电车和电动车综合能效其实差不多,甚至燃料电池更高。

能量密度上,锂电池和氢完全不是一个量级,差了100多倍,这是氢的优势。从能量保存时许间段来看,电池的电量流失按照天计算,氢能源按照季度、月计算的。总体看氢能源的应用场景会比锂电池多很多。

氢能源发展阶段和锂电池非常像,2017年燃料电池与2012年锂电池,02年的光伏,94年的风能,在装机容量上是似的的。

但新能源的驱动力非常大程度源于国家政策的推动,光伏是在欧洲政策推动下逐渐做起来,锂电池中华民族和欧盟推动电动车带动的。欧盟电动车销量2020年是超过中华民族一点点的,占新车比例也达到10%。

虽然看起来燃料电池比锂电池等晚了5年,但实际上国内和境外政策力度差很多,所以实际差距要远大于5年。对氢能源的国家政策主要是十城千辆,一是范围更小:第一期试点的城市准备要出来,基本上是北京市、上海市、广州市+河南省、河北省,二是补贴力度更弱:只有170亿,而电动车类累计的国家补贴达到1206亿,相差7倍。

三是时许间更短:十城千辆的政策是4年,年均补贴42.5亿,电动车10年,年均120.6亿,相差2.8倍。

氢能源和锂电池行业所需的手艺和基础设施有非常大不同。电池行业经历了最早的玩具里的镍氢电池,手机三元电池,从手机到公交车,从低能量密度到高能量密度的乘用车,手艺发展与验证迭代是连续的。同时许电动车不存在能源的问题,一开始就有很发达的电网,只要铺好充电桩获得能源。

燃料电池在这两端都不占优势。既未能加氢的基础设施,未能消费应用铺垫,直接是车规级。虽然巴拉德的燃料电池在叉车上已经完全可以商用,但市场过小。所以需要从能源基础设施和应用场景双管齐下。

应用上,国内是亿华通在公交车上做第一步试图,有部分装在商用车。能源上,氢气在整个工业体系里面很丰富,包括工业副产氢、煤制氢和天然气制氢,足够支持时期的氢能源供给。主要缺乏的是加注网络。这部分很也许会通过天然气的发展得到弥补。首先天然气在商用车上运营的成本要比柴油车低20%到30% ,当下大批量的商用车在改成天然气,需要修建天然气加气站。如果改成天然气站后,预留一些设备再改成加氢站会容易很多。

下面是整体的碳排放量,交通占百分之十几,电力供应占最多44%。

交通运输里乘用车只占了20%的排放量,最大的部分其实在商务车上占~77%的排放。

为何锂电池不适宜用在商用车上?举一个实际的例子,model3电池重量差不多800公斤,低配版~450多公里的续航,实际应该是400km左右。商用车以最近一个主机厂狂推的某款电动商用车为例,2.5t电池续航190km,以9.6m为例,19t总重量扣掉7t自重,还有12t载货重量,然而这个续航只有190km,如果想做的到500km的话,需要3t电池,这也意味着少装3t货,成本上就完全算不过来。当下各位提出解决方案,建沿途换电站,我们以为换电站基础设施跟加油站很像,要有企业巨头做,还是有的。因此电池商用车基本未能实用性。

锂电池差不多220wh/kg左右的能量密度,只有做的到半固态电池、固态电池才能做的到500wh/kg,能量密度提高一倍之后,纯电重卡才有使用价值,在5年之内看不到可能性。

能源成本来看,氢燃料车的百公里能源成本远大于电车。当前终端氢气价钱~60元/kg,锂电池平均900元/kwh。据DOE,氢气下降到30元/kg时许,锂电池下降到700元/kwh可实现与传统燃油车平价,很明显,锂电池只差20%,而氢则差50%。

新能源手艺对于所有汽车主机厂而言,这是锂电池和氢燃料两个手艺路线为很烧钱,未能人可以不断在两个方向投资。所以需要根据所在市场进行对性研发。

欧洲的车企二十年前就开始布局氢燃料电池,奔驰+福特+日产在加拿大合资公司开发燃料电池。德国车企一直是在用柴油路线走清洁能源达标欧盟的标准,加氢站的缺乏,使得燃料电池应用一直不落地。当排放门事件发生以后,欧系主机厂有一个手艺的断档,开始迅速的转向电动车。大众积极,因为大众在新能源和燃料电池上的积累都不够多。奔驰放弃了在乘用车使用氢燃料电池的手艺路线。但戴姆勒和沃尔沃合资开发商用车的氢燃料电池。

美国则完全走的电动车路线,美国整体的能源网络非常市场化。政府只给了购车的补贴,不未能补贴修建加氢站,所以氢能源难发展起来。

中华民族的电网、发电、石油等企业均为国企,加上足够大的国内市场,是可以支持锂电池+氢能源两个方向发展的。于是国内氢市场是在2018年李克强总理去日本考察之后开始启动。

秉持氢路线的丰田和现代,所在的日本和韩国的市场很小,其实丰田和现代都可以看出把美国当成主要市场的主机厂。所以我们以为乘用车的主流,商用车将是氢能源。

光伏发电后利用锂电池储能:光伏发电的效率基本上是20%,然后加上锂电池的损耗10%的的话,就是18%的效率。

光伏发电后-电解槽电解水制氢-氢储能-需要时许用氢燃料电池系统发电,这个是氢储能的链条。算下来16%*60%≈9.6%的效率。

当下锂电池的度电成本,用在光伏或者风能上,最好的能做的到四毛左右,梯次利用即汽车上用的锂电池淘汰下来之后最大的两个用途,一个是变成外卖小哥三轮车上的电池,或做铁塔储能、或路灯用。这种电池差不多要200到300,基本上是两毛多/kwh的成本。

为何未来的锂电池做下来还要两毛多的成本呢?锂电池在过去这些年其实降低了80%的成本,然而储能成本不是线性下降,锂电池的规模大,耗电量和成本都越高。氢电池相反,规模大、个别罐子越大就上压缩机越经济。长期看燃料电池是碾压锂电池的。

当然还有市场孵化的问题,美国由于电网市场化,电价大概是中华民族的8倍,因此美国消费者有动力进行波峰波谷的储能和调节。但中华民族不似的,零售端价钱几毛,商业端一元多,因此中华民族的储能不会发生个人端。中华民族储能会放到发电端,中华民族储能装备会更增加型化和集中化。观察韩国和日本走的手艺路线,他们就在发电端,包括用热电站的废热等。

锂电池产量非常大,新车年销量2000万辆 ,产业链上每个公司的规模足够大,所以头部公司的规模大,手艺强可以形成很强的马太效应。所以锂电池行业的发展规律很适宜参考太阳能板。国内最大做单晶硅的隆基股份董事长说过两个观点:1、要赌理论值转化效率最高的手艺路线,因此他选单晶硅,单晶硅当年的转化效率其实远远不如多晶硅。

2、手艺不领先不盲目扩产,因为所有都扩产+手艺升级老产能很快被淘汰。

手艺路线上,锂电池未来手艺的固态电池也有多个方向,短期的改进也有多个手艺方向,如下图。

黄色的三元的手艺路线是高镍,比如常见的ncm811,当下又开始做无钴,这两个手艺线的瓶颈都在280之内,下一步突破一定在正极材料上做四元或者新三元。

红色的磷酸铁锂的理论值非常低,由于成本非常有优势,适宜短距离的低端车型,等待到三五年后高能量密度电池价钱降下来之后,才会对磷酸铁锂有竞争压力。

扩产上,电池行业会投大量固定资产,上一期讲过基本上国产设备投1GWH需要1.5亿元,进口就需要2-2.5亿元。当下看到每一家的计划至少均为在三年之内要投进150到200亿元进去。

大额固定资产的问题是到底这条生产线可以用多久?如以往的太阳能板均为标准设备,新一代设备出来后,老设备被淘汰了。车规级锂电池也似的,如果不升级设备的话,成本未能任何优势,整个生产线会变成一个巨大的包袱,折旧本来预计十年,但可能三年废了。是一十年之内手艺持续演变,售价持续下降的情况下,能自研设备的厂商才可以极大的延长设备的使用时许间,改进工艺和材料后,可以去技改生产线,宁德和比亚迪都跟上游设备厂有非常大的深入合作做手艺改造。包括像中航锂电、蜂巢,做了异常之多的改造,这些公司还能玩下半场,有一部分上市公司这块投入的资源和手艺储备不够,可能两三年之内会被淘汰,因此锂电池要买龙头。

燃料电池和电池逻辑完全不似的,燃料电池更像燃气供暖行业,典型的公司比如新奥燃气。通过持续的做项目,累积现金流,投新项目,收购新的项目滚动。毕竟整个卡车的保有量才3600万,而不是乘用车的2.4亿,单靠一个环节是很难养活公司的。

为何要有这个模式?氢能源有个死亡谷,在规模未能达到一定的数量之前,整个商业链条都会亏损且现金流是负的。这个过程会多痛苦?美国能源署DOE估算年产一十万台才能实现与电车平价,中华民族当下才1000多台/年。由于死亡谷要靠国家补贴,而国家补贴是对性落地的,且加氢站不可能大规模修建也需要对性修建。所以我们判断,未来氢燃料电池公司要活下来,也必须是一个个地方拿项目,建加氢站+装车。而且如果运营的不出问题,一个公司拿了一个地方,其他家就不太可能拿到。这意味着未来4~10年的补贴被占据了。所以氢燃料电池的发展模式很相似燃气供暖公司。

这里举个典型例子美国氢燃料电池重卡公司Nikola,它的模式就是客户买车后不用管加氢,公司与合作伙伴修好加氢站,同时许与物流公司合作,在物流公司两端的仓库设好加氢站,保证每一条线路跑下来客户算账足够经济的。这种链条总包的角色相当于所有商业化的亏损Nikola背负,这些烧的钱又是其通过资本市场融资支撑的,所以其号称是卡车届的Tesla。这个模式也非常具有美国特色,其实与国内地方政府大金额投资车企很相似,如合肥投资蔚来。

当下看,国内基本未能公司能做的到Nikola这样。燃料电池的推动主要是电堆厂,主机厂仅仅是一个代工方,然而国内燃料电池厂除了手艺外,其他能力较弱。虽然Nikola做的事看似简单很难,需要会手艺研发、整车集成、开发终端客户、修加氢站。

锂电池上游材料的集中性高。设备厂分前中后三段,各占433的比例。

前段设备集中度高,比如涂布机基本上在前端占75%,国产化率很高,核心的涂布用的头要做的到0.3 的精度,基本上就LG能做的到,部分核心零部件还是要进口,然而整体产业链已经国产化,可以较好的配合电池厂进行研发。这部分更新较慢基本要6年。

中段设备是组装机,这是当下电池生产效率的主要瓶颈,也是升级最快的部分,国内基本四年全换。之前组装手艺分成圆柱形的卷绕和方形的叠片,下一代的热复合堆叠手艺其实可以吊打这两种,不但加大电池的循环使用寿命和能量密度,效率更高因此还降低成本。但一直碍于LG的专利没法普及,好消息是专利2020年2月已经到期,比亚迪立马推出的刀片电池就是基于这种手艺。

后段是化成分容。锂电池做出来后,里面的化学材料需要经过一次充放电才能使材料形成钝化,需要有充电放电的设备,这个设备也会检测电压一致性,用一致性高的电池装车。这个地方有一些公司做,就不具体说了,我们以为中端会有比较好的自研和提升的空间,不会像其他两个环节会有一些卡脖子的核心路线。

氢燃料电池的设备可以看下哪些环节是降低成本的关键。按DOE的估算,要降低成本的几个着手点在于:空气压缩机,双极板、整个系统设计和集成、空气加湿器、低铂或无铂手艺等。燃料电池每个环节比较分散,且国产化程度还很低,基本上都还在境外。

看见最后的均为真爱,share一个有意思的信息。特斯拉挖的人主要是博世和SAFT,以往做燃料电池和氢氟酸电池。

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