Топливные элементы и батареи: в чем разница?

Поскольку мир стремится к инновационным технологиям, которые помогут уменьшить выбросы углекислого газа, нехватка ресурсов стала серьезной проблемой.

Поскольку ни одной технологии недостаточно для перехода к «зеленой» экономике, мы видим огромные инвестиции как в технологии топливных элементов, так и в технологии, связанные с батареями. Некоторые крупномасштабные инвестиции включают новые технологии аккумуляторов для электромобилей (EV), ветряных турбин, поездов, самолетов, коммерческого транспорта и общественной инфраструктуры.

КОММЕНТАРИЙ

В настоящее время литий-ионные аккумуляторы составляют около 70% аккумуляторов для электромобилей и 90% сетевых аккумуляторных батарей. Рынок растет со среднегодовыми темпами роста 13,1%, и, по прогнозам, к 2031 году он вырастет и достигнет 135 миллиардов долларов. Рынок топливных элементов также быстро растет, по оценкам, он будет расти на 36% в год и достигнет 29 миллиардов долларов к 2028 году.

Различия между топливными элементами и батареями не всегда хорошо понятны. В этой статье мы рассмотрим различия и роль, которую они будут играть в будущих инновациях.

Литий-ионные батареи и топливные элементы производят электричество посредством очень похожих химических реакций. Однако источник энергии, используемый для химической реакции, различен. Проще говоря, батареи производят электроэнергию, используя запасенную энергию, а топливные элементы генерируют энергию с помощью топлива, богатого водородом.

Литий-ионные аккумуляторы содержат аноды и катоды, а также сепаратор электролита, заполняющий оставшиеся пространства. И аноды, и катоды могут хранить ионы лития. Энергия производится и сохраняется по мере того, как ионы лития перемещаются между электродами через электролит.

В отличие от батарей, топливные элементы не хранят химическую энергию в своих компонентах. Вместо этого они генерируют энергию путем преобразования потенциальной энергии, запасенной в водороде или других топливах, богатых водородом, таких как метанол, аммиак и этанол.

Подобно батареям, когда топливные элементы подключаются к электрической цепи, ионы водорода перемещаются от катода к аноду, преобразуя химическую энергию в электрическую.

Литий-ионные аккумуляторы изготавливаются из дефицитных материалов, таких как литий, никель и кобальт. Хотя производство этих материалов увеличивается более чем на 25% в год, на планете просто недостаточно полезных ископаемых для удовлетворения спроса.

Литиевый проект стоимостью 2,4 миллиарда долларов, запланированный для Сербии, был закрыт в 2022 году из-за проблем, связанных с добычей полезных ископаемых, что, по мнению некоторых экспертов, вероятно, продлит дефицит на долгие годы.

В результате несколько стран (и компаний) пытаются получить контроль над ресурсами, необходимыми для производства батарей. Неизбежно другие остаются без возможности их построить.

В то же время дефицит приводит к росту цен. Страны, которым приходится импортировать эти дефицитные металлы, не могут контролировать производство или ценообразование. Это основная причина, по которой Индия пытается отойти от технологии литий-ионных аккумуляторов и перейти к топливным элементам.

Другие пытаются разработать батареи, которые будут меньше полагаться на ограниченные ресурсы. Например, в батареях LiFePO4 (литий-железо-фосфатный) используется литий, но не требуется никель или кобальт. Исследователи также пытаются создать другие типы батарей из еще более распространенных материалов, но им еще предстоит достичь приемлемого уровня производительности.

Топливные элементы менее сложны с точки зрения ресурсов. В их конструкции используются распространенные материалы, такие как алюминий и нержавеющая сталь. Их топливо, водород, также является самым распространенным химическим элементом во Вселенной.

Ни один источник энергии не является эффективным на 100%. Некоторая энергия теряется при преобразовании в другие формы энергии. Энергия может теряться в различных формах, таких как тепло, свет, звук или магнитные потери. Цель состоит в том, чтобы уменьшить количество потерянной энергии для повышения эффективности.

Силовые агрегаты электромобилей, использующие батареи или топливные элементы, значительно более энергоэффективны, чем бензиновые двигатели, которые могут терять до 80% своей энергии из-за нагрева двигателя, испарения, добычи нефти, переработки и транспортировки. Однако батареи и топливные элементы не застрахованы. Потери энергии могут происходить во время хранения, зарядки и разрядки.