Чистая энергия
24.07.2019 - Электромобили лучше ездят только с батареями или топливными элементами? На данный момент производители автомобилей в первую очередь делают упор на полностью электрические автомобили. Но разве автомобиль на топливных элементах не предлагает больше преимуществ? Анализ.
Электромобиль или автомобиль на топливных элементах?
Если мы хотим справиться с изменением климата, мы должны позаботиться о мобильности, благоприятной для климата, и об альтернативах энергии ископаемого двигателя. В настоящее время дебаты об альтернативных трансмиссиях сосредоточены вокруг вопроса о том, лучше ли использовать электромобили с топливными элементами или с литий-ионными аккумуляторами. Ответ на этот вопрос определяется такими факторами, как пригодность для повседневного использования, стоимость и устойчивость.
В настоящее время гонка между топливным элементом и литий-ионным аккумулятором, кажется, идет полным ходом: чисто новые транспортные средства (BEV), исключая гибридные транспортные средства, доминируют в новых регистрациях, и станций заправки можно найти много, в то время как станций заправки водородом мало и далеко друг от друга. Автомобили на топливных элементах (FCEV) дороже, а водород, поскольку топливо стоит дороже, чем электричество. Так все ли ясно? Не совсем так. Если вы внимательно посмотрите на топливный элемент, вы получите дифференцированную картину. Мы собрали для вас преимущества и недостатки вариантов привода для электромобиля.
Привод топливных элементов регулярно бужет. Тем не менее, вызывает тревогу, что это происходит регулярно в течение 25 лет. Кроме того, поскольку значительный прогресс в электрической мобильности аккумуляторов, эта технология H 2 всегда отстает.
Насколько экологически безопасны BEV по сравнению с FCEV?
Для сравнения между электричеством и водородом, чем зеленее источник энергии, тем лучше экологический баланс. В экологическом сравнении с электромобилями топливный элемент в настоящее время испытывает трудности: во-первых, электричество должно генерироваться из водорода. Это заправляется в автомобиле, в автомобиле снова вырабатывается электричество из водорода. Такое двойное преобразование значительно снижает эффективность. Любой, кто напрямую заряжает аккумуляторную батарею своего электромобиля с такой же мощностью, будет путешествовать более экономно и, следовательно, более экологично. Однако в будущем все может быть иначе. Как только электроэнергия вырабатывается преимущественно из солнца, ветра и воды, автомобиль с топливными элементами становится конкурентоспособным, так как он потребляет меньше ресурсов при производстве, чем электромобиль на батарейках.
Недавнее исследование, проведенное Институтом солнечных энергетических систем им. Фраунгофера (ISE) от имени H2 Mobility, похоже, подтверждает это: в соответствии с этим, автомобили с водородом и топливными элементами более благоприятны для климата, чем автомобили с батареями, когда пройдены километры 250. Исследователи считают, что решающим фактором является гораздо больший рюкзак CO2, который автомобили-аккумуляторы должны нести в процессе производства аккумулятора. Объем выбросов парниковых газов (ПГ) при производстве и переработке системы топливных элементов, включая бак, примерно эквивалентен электроприводу с емкостью хранения от 45 до 50 кВтч. Для автомобилей с большими батареями выделяется больше выбросов ПГ, чем для системы топливных элементов в сопоставимом классе производительности.
В исследовании изучались выбросы парниковых газов при производстве, эксплуатации и утилизации транспортных средств с аккумуляторными батареями и топливными элементами с пробегами от 300 километров за периоды с 2020 до 2030 и от 2030 до 2040. Исследование также делает ограничения. Среди прочего, потенциал для улучшения производства важных материалов (платина, алюминий и т. Д.) Не был принят во внимание. Кроме того, исследование рекомендует исследовать другие категории воздействий в дополнение к выбросам ПГ, такие как потребление земли и воды. Кроме того, воздействие на окружающую среду не учитывалось при строительстве инфраструктуры мобильности (зарядная инфраструктура, распределение H2 и т. Д.), А также использование аккумуляторов и топливных элементов при вторичном использовании.
Вкратце, это означает: электромобили со средними и малыми батареями (емкость аккумулятора <50 кВтч) и дальностью действия до 250 километров сокращают выбросы при движении. Для более дальних поездок автомобили на топливных элементах имеют все большие преимущества с точки зрения защиты климата. Уровень выбросов парниковых газов в обоих вариантах сильно зависит от производства аккумуляторов или водорода.
Исходя из текущей ситуации на рынке электроэнергии в Германии, согласно расчетам ADAC, в среднесрочной перспективе никаких серьезных проблем не ожидается. Потому что для десяти миллионов электромобилей потребуется дополнительное энергопотребление около 5,6 процентов. Кроме того, повышение эффективности и энергосбережения для освещения, а также в зданиях и промышленных объектах может компенсировать часть дополнительного спроса на электромобильность.
По данным ADAC, риск перегрузки локальной сети увеличивается с увеличением количества электромобилей. В частности, согласно данным ZEW Energy Market Barometer 2018, распределительные сети, которые поставляют электроэнергию конечному потребителю на «последней миле», не могут удовлетворить дополнительный спрос со стороны домохозяйств на электромобили. В исследовании «The E-Mobility Blackout» аналитики консалтинговой фирмы Oliver Wyman вместе с исследователями из Технического университета Мюнхена подсчитали, что немецкие низковольтные сети не смогут справиться с приближающимся бумом электромобилей. Электромобили с долей 30 и более процентов перегрузят местную распределительную сеть и спровоцируют отключение электричества, как только многие автомобили будут заряжены одновременно. Однако двунаправленная зарядка и интеллектуальное управление нагрузкой могут помочь. Однако здесь важно разъяснить правовые последствия двунаправленной зарядки и то, как частая загрузка и разгрузка влияет на старение батарей.
Чтобы получить водород, нужно израсходовать большое количество энергии. Сегодня водород в основном производится паровым риформингом. Здесь углеродсодержащее топливо вступает в реакцию с водяным паром, что не очень выгодно с климатической точки зрения, поскольку двуокись углерода снова образуется. Поэтому надежды многих специалистов возлагаются на электролиз. Избыточное электричество от энергии ветра и солнечной энергии может быть преобразовано в водород путем электролиза, который можно либо хранить, либо использовать различными способами. В случае использования возобновляемых источников энергии посредством электролиза весь путь производства практически полностью свободен от выбросов, в отличие от обычного риформинга природного газа. Водород, который производится путем электролиза из экологически чистого электричества и воды, служит исходным материалом для всех технологий Power-to-X. Например, с Power-to-X водород можно производить для автомобилей с топливными элементами. Поэтому водород можно использовать по-разному. Но также благодаря интеграции аккумуляторов транспортных средств в электросеть можно лучше использовать избыточное электричество.
Однако процесс электролиза и последующее сжижение водорода очень энергоемки, поскольку теряется почти половина используемой энергии. Фактически, автомобиль на топливных элементах, работающий на водороде, достигает только энергоэффективности около 26 процентов, а электромобили с аккумулятором достигают около 69 процентов. Это означает, что для удовлетворения энергетических потребностей FCEV производство экологически чистой электроэнергии должно было бы быть увеличено во много раз больше, чем для BEV, что, в свою очередь, имеет последствия для землепользования, использования материалов и общего воздействия на окружающую среду.
Электрифицированная трансмиссия меняет мобильность так же радикально, как и место производства в Германии. Вместо фрезерования и оттачивания немецкая автомобильная промышленность должна осваивать технологию хранения электроэнергии и силовую электронику. Последствия серьезные. Производство трансмиссии для электромобиля аккумуляторной батареи требует не только значительно меньшего количества деталей, но и меньшего количества работников.
Достаточно ли ресурсов?
По данным Öko-Institut, наличие лития, кобальта, никеля, графита (батареи) и платины (топливные элементы) явно превышает спрос. Однако могут возникнуть узкие места, если места добычи не будут открыты вовремя. Кроме того, необходимо решать экологические и социальные проблемы. Кобальт, в частности, считается «грязным» сырьем. Более половины мирового кобальта поступает из Конго. Как сообщает Amnesty International, детей часто используют в качестве дешевой рабочей силы на шахтах. Кроме того, добыча кобальта загрязняет окружающую среду.
Добыча лития также имеет последствия, особенно для населения Боливии, Чили и Аргентины, как показало исследование «Хлеб для мира». Для производства одной тонны лития необходимо около двух миллионов литров воды. В результате уровень грунтовых вод в так называемом литиевом треугольнике понижается, растительность высыхает, почва становится слишком соленой, а местные виды птиц, такие как фламинго, вымирают. Кроме того, разрушается среда обитания коренных общин. С другой стороны, большая часть платины хранится в так называемом «платиновом поясе» Южной Африки; ее добыча также способствует загрязнению окружающей среды и связана с нарушениями прав человека.
Как насчет инфраструктуры зарядки и заправки?
Из-за более высокой плотности энергии, с которой водород в резервуаре может быть сохранен против электрической энергии в батарее, они предлагают преимущество более высоких диапазонов. Автомобили на топливных элементах можно заправлять всего за три минуты в диапазоне от 500 до 800 километров. Однако предпосылкой для быстрой заправки является то, что вы можете вообще найти станцию H2. По данным Now GmbH, в настоящее время 71 имеет заправочные станции H2 в Германии. Для сравнения: согласно данным Statista, количество зарядных станций в Германии в настоящее время составляет около 15.880.
Сколько времени требуется для загрузки электромобиля, зависит в первую очередь от емкости аккумулятора и инфраструктуры зарядки, то есть от колонки, станции или источника питания. Например, для подзарядки обычной батареи в бытовой розетке требуется более десяти часов. Но это еще и быстрее: в рамках проекта Fastcharge был открыт прототип зарядной станции мощностью до 450 киловатт. На этой сверхбыстрой зарядной станции электрические исследовательские машины продемонстрировали время загрузки менее трех минут для первого диапазона километров 100 и минут 15 для полной зарядки (10 - процентное состояние заряда 80 (SOC)). Однако при большей зарядной мощности управление температурой батарей становится все более и более сфокусированным на развитии. Здесь крайне важно, как растущие потери тепла могут быть охлаждены для обеспечения длительного срока службы батареи и предотвращения прохождения отдельных элементов.
Таким образом, это означает, что зарядные станции могут быть намного проще и экономичнее, считает автор Springer Юрген Рехбергер, объясняет он в главе «Основы технологии топливных элементов» из книги «Основы двигателей внутреннего сгорания». Однако большая часть из них - обычные зарядные станции. По словам автора, станции быстрой зарядки будут обладать чрезвычайно высокой пропускной способностью, что создает огромную нагрузку на существующие электрические сети. С другой стороны, водород можно легко транспортировать в больших объемах в трубопроводах, даже в существующей сети природного газа. Из-за короткого времени заправки, также существует высокий уровень восприятия клиентов, и насос может поставлять до 250 транспортных средств в день. Для сравнения: на обычной зарядной станции можно загружать только четыре-шесть транспортных средств, а на станции быстрой зарядки - автомобили с 60 по 80. Станции заправки водородом требовалось около 50 килограммов водорода в час, а станции быстрой зарядки требовалась постоянная мощность 300 киловатт. По словам Рехбергера, особенно в городских районах, вероятно, будет гораздо дешевле построить водородную инфраструктуру, чем полностью новые электрические сети для необходимого количества станций быстрой зарядки.
Куда деваться тяговые аккумуляторы и топливные элементы?
Аккумуляторы электромобилей являются опасными отходами. В соответствии с законом об аккумуляторах производители или дилеры аккумуляторов должны забрать их и утилизировать. Технологически говоря, процессы утилизации литий-ионных аккумуляторных батарей уже доступны сегодня. Таким образом, согласно ADAC, из тяговых батарей до 95 может быть извлечен процент соответствующих функциональных материалов кобальта, никеля, лития и меди. Однако, поскольку процессы утилизации находятся на ранней стадии развития, как и юридические рамочные условия и концепции логистики, утилизация аккумуляторных батарей все еще остается серьезной проблемой, как авторы Springer в главе «Утилизация аккумуляторных батарей из электромобилей» из книги «Поведение Аккумуляторные литий-ионные аккумуляторы в электромобилях.
Приводные аккумуляторные батареи, которые уже недостаточно мощны для использования в транспортных средствах, также могут использоваться в качестве стационарных аккумуляторов электроэнергии в течение многих лет во «второй жизни». Однако существуют разногласия относительно того, следует ли утилизировать старые батареи напрямую или повторно использовать их в качестве вторичных батарей.
Из топливного элемента платина может быть практически полностью извлечена в конце срока службы, при этом могут быть достигнуты коэффициенты рециркуляции, превышающие процент 98. Другой проблемой является характеристика топливных элементов и низкая пригодность для высокодинамичных изменений нагрузки, например, при вождении автомобиля. Таким образом, литий-ионные аккумуляторы до сих пор используются в качестве буферных резервуаров в транспортных средствах на топливных элементах, что необходимо учитывать при переработке, а также в общем экологическом балансе транспортного средства на топливных элементах.
Что означают BEV и FCEV для немецкого автопрома?
В то время как исследования и производство литий-ионных элементов находятся в надежных руках азиатских компаний, а производство аккумуляторных батарей требует больших инвестиций, использование топливных элементов в автомобильной промышленности Германии может вернуть значительную часть добавленной стоимости, которая идет с батареей. Электромобильность потеряна. По словам Андреаса Буркерта, массовое производство батареи топливных элементов больше не является серьезной проблемой, поскольку снижение стоимости водородного бака является более сложной задачей.
Заключение
BEV являются наиболее эффективным способом преобразования электроэнергии из возобновляемых источников в эффективность вождения. Вот почему эта концепция идеально подходит для небольших и легких транспортных средств. Однако недостатком является более длительное время загрузки. Они могут стать короче в будущем. Время зарядки ограничено в меньшей степени технологией батареи, а скорее источником питания и энергии инфраструктуры зарядки. FCEV - это всегда преимущество, когда прямое использование электричества затруднено или невозможно, и когда необходимо преодолевать большие расстояния. Время дозаправки быстрое, водород можно сделать более доступным, особенно в городских условиях, и уже несколько автозаправочных станций обеспечивают очень большой автопарк. Еще одним большим преимуществом водорода является то, что он является универсальным источником энергии и хранения. Электролиз воды для производства водорода является связующим звеном между возобновляемым электричеством, другими источниками энергии и основными материалами. Использование ресурса и зависимость сравнительно низки в приводе топливного элемента. Напротив, разложение лития для батареи в BEV, а также для небольшой буферной батареи в FCEV, наносит огромный ущерб окружающей среде. Топливный элемент дает возможность поддерживать вертикальный ассортимент производства немецких автопроизводителей. В случае BEV это ниже, потому что элементы батареи до сих пор пришли из Азии.
Что это значит для сравнения BEV против FCEV? Батареи и автомобили на топливных элементах дополняют друг друга. Оба варианта привода имеют свое разрешение. Однако большое преимущество водорода заключается в том, что его трудно превзойти в качестве транспортабельного и стационарного хранилища для больших количеств энергии в контексте перехода энергии. В целом, однако, изменение трафика не должно ограничиваться заменой энергии ископаемого двигателя возобновляемой энергией. Количество транспортных средств также должно быть уменьшено.
Источник: Автор: Christiane Köllner Springer proffesional
