Introdução
A tecnologia de armazenamento de hidrogênio em estado sólido é uma das direções principais para superar o gargalo do armazenamento e transporte de hidrogênio. Materiais à base de terras raras (como ligas de armazenamento de hidrogênio do tipo AB₅) e materiais à base de magnésio (como MgH₂) se complementam em termos de densidade de energia, custo e segurança, devido às suas diferenças de propriedades. Em abril de 2025, avanços na industrialização desses dois tipos de materiais foram frequentemente observados no setor global de energia de hidrogênio: a Universidade de Ciência e Tecnologia da China anunciou que a densidade de armazenamento de hidrogênio atmosférico de tanques de armazenamento de terras raras atingiu 7,2% em peso, e a ThyssenKrupp da Alemanha lançou um sistema de armazenamento de hidrogênio à base de magnésio com vida útil de mais de 500 ciclos. Este artigo, com base nos desenvolvimentos industriais desta semana, revisa sistematicamente as rotas tecnológicas, adaptabilidade de cenários e práticas de industrialização de empresas domésticas para esses dois tipos de materiais, explorando seus caminhos de desenvolvimento colaborativo.
I. Armazenamento de Hidrogênio em Estado Sólido à Base de Terras Raras: A "Tecnologia Fundamental" para Cenários de Alta Densidade de Energia
1. Características Técnicas e Avanços Principais
Materiais de armazenamento de hidrogênio à base de terras raras, representados por LaNi₅ e MmNi₅ (ligas mistas de níquel-terras raras), alcançam o armazenamento de hidrogênio através de reações de hidreto metálico. Suas vantagens técnicas incluem:
Alta Densidade Volumétrica de Armazenamento de Hidrogênio: Sob pressão normal, pode atingir 30-35 kg/m³ (mais do que o dobro do armazenamento de hidrogênio líquido), adequado para cenários com restrições de espaço, como veículos de passageiros e drones.
Ampla Faixa de Temperatura de Estabilidade: Faixa de temperatura de operação de -30°C a 100°C, com excelente desempenho de partida a frio em baixas temperaturas (absorção de hidrogênio concluída em cinco minutos).
Vida Útil: Nível laboratorial ultrapassou 10.000 ciclos (verificado pelos caminhões pesados movidos a hidrogênio da Toyota).
Progressos Chave em Abril de 2025:
Nova Liga de Metais de Transição-Terras Raras pela USTC: Usando o sistema composto CeCo₀.8Ni₀.2, a densidade de armazenamento de hidrogênio atinge 7,2% em peso sob 1 MPa de pressão normal, com vida útil superior a 12.000 ciclos, planejada para uso no projeto de demonstração de ônibus de hidrogênio de Lingang, Xangai.
Linha de Produção em Massa de Baixo Custo da China Northern Rare Earth: Lançada em Baotou, Mongólia Interior, com capacidade anual de 50.000 conjuntos de tanques de armazenamento de hidrogênio de terras raras, usando ligas à base de Pr-Nd (conteúdo de lantânio-cério >60%), com custo unitário reduzido em 40% em comparação com produtos importados.
Material Compósito à Base de Terras Raras-Vanádio pelo Grupo Youyan Technology: Desenvolveu uma nova liga (V₀.3Ce₀.7), com densidade de armazenamento de hidrogênio de 35 kg/m³ sob 5 MPa de pressão, adequada para sistemas de propulsão de navios movidos a hidrogênio.
2. Cenários de Aplicação Principal e Práticas Domésticas
(1) Fornecimento Dinâmico de Hidrogênio para Veículos com Células a Combustível
Adaptabilidade Técnica: Tanques de armazenamento de terras raras podem atender às demandas frequentes de partida e parada de veículos com células a combustível. Por exemplo, o caminhão pesado movido a hidrogênio "Hydrogen Teng 3.0" da China está equipado com um módulo de armazenamento de hidrogênio de terras raras, alcançando um alcance de 800 quilômetros na linha de transporte de carvão de Ordos, com uma redução de 12% no consumo de hidrogênio por 100 quilômetros em comparação com sistemas puros de hidrogênio.
Caso Mais Recente: A Jie Hydrogen Technology de Xangai se associou à China Northern Rare Earth para integrar tanques de armazenamento de hidrogênio de terras raras em sistemas de armazenamento de estações de abastecimento de hidrogênio, compatíveis com estações de abastecimento de 35 MPa, visando uma taxa de localização superior a 90% até 2026.
(2) Geração Distribuída de Energia para Redução de Picos
Solução de Integração de Sistema: Tanques de armazenamento de terras raras são integrados a células a combustível para alcançar conversão bidirecional "hidrogênio-elétrica". O sistema de geração distribuída de 50 kW lançado pela Hyzon Motors da Alemanha pode fornecer alimentação estável durante cargas de pico da rede, com eficiência cíclica de 45%.
Aplicação Doméstica: A Weishi Energy introduziu um sistema de geração distribuída de armazenamento de hidrogênio de terras raras-célula a combustível, adequado para cenários de energia de backup de centros de dados, reduzindo o tempo de resposta a 10 segundos.
(3) Fornecimento de Energia de Emergência e Equipamentos de Alto Nível
Solução da Toshiba: Uma célula a combustível de 5 kW combinada com um tanque de armazenamento de hidrogênio de terras raras foi implantada como fonte de energia de backup em um centro de dados de Tóquio.
Avanço Doméstico: A Zhongzi Environmental Protection desenvolveu uma tecnologia de recuperação de catalisadores de terras raras, alcançando uma taxa de recuperação superior a 95% de lantânio e cério através de processos hidrometalúrgicos, reduzindo os custos em 60% em comparação com terras raras primárias.
II. Armazenamento de Hidrogênio em Estado Sólido à Base de Magnésio: Um "Disruptor" para o Armazenamento de Energia de Longa Duração de Baixo Custo (LDES)
1. Características Técnicas e Avanços Domésticos
Materiais de armazenamento de hidrogênio à base de magnésio (por exemplo, MgH₂) armazenam hidrogênio através da reação reversível de magnésio e hidrogênio, com densidade teórica de armazenamento de 7,6% em peso. No entanto, a cinética é lenta (requer ativação de alta temperatura). Os avanços tecnológicos de 2025 focam em:
Modificação Nanoestrutural: As partículas de magnésio são refinadas para abaixo de 50 nm através de moagem, reduzindo a temperatura de absorção de hidrogênio de 300°C para 150°C e aumentando a taxa de absorção de hidrogênio em três vezes.
Otimização de Catalisador: O catalisador bimetálico Ti/Fe desenvolvido pela ThyssenKrupp aumentou a vida útil de MgH₂ de 300 para 500 ciclos.
Progressos Chave em Abril de 2025:
Projeto de Hidrogênio Verde do Oriente Médio da China Energy Construction: Utilizou tanques de armazenamento de hidrogênio à base de magnésio para armazenar a capacidade de produção de hidrogênio de energia eólica e solar flutuante, com duração de armazenamento de hidrogênio de 72 horas, reduzindo os custos do sistema em 40% em comparação com o armazenamento de hidrogênio líquido.
Linha de Produção Anual de 200 MWh da Yunhai Metals: Estabeleceu uma linha de produção de tanques de armazenamento de hidrogênio à base de magnésio em Chizhou, Anhui, empregando um processo integrado de moagem-sinterização, aumentando a taxa de rendimento para 75%, e aplicado no projeto integrado de fotovoltaica-hidrogênio-armazenamento de Qinghai.
Solução de Armazenamento e Transporte Transfronteiriço da Shanghai Magnesium Power: Parceria com a Mitsui para pilotar um teste de "produção de hidrogênio por reforma a vapor de metano-armazenamento à base de magnésio" em Dubai, com capacidade de tanque de armazenamento de hidrogênio à base de magnésio de 10 MWh, reduzindo o volume em 60% em comparação com tanques de hidrogênio líquido.
2. Cenários de Aplicação Principal e Práticas Domésticas
(1) Armazenamento de Energia de Longa Duração Industrial
Projeto da Nova Cidade NEOM na Arábia Saudita: A China Energy Engineering Corporation forneceu um sistema de armazenamento de hidrogênio à base de magnésio de 50 MWh para mitigar a intermitência da geração de energia eólica e solar, reduzindo o custo de ciclo de vida em 40% em comparação com o armazenamento de hidrogênio líquido.
Material de Armazenamento de Hidrogênio Composto de Terras Raras-Magnésio da CATL: Desenvolveu material composto Mg₂NiH₄/CeO₂, reduzindo a temperatura de absorção de hidrogênio para 150°C, adequado para caminhões pesados na linha de transporte de carvão de Ordos, aumentando o alcance para 1.000 quilômetros.
(2) Fornecimento de Hidrogênio em Ilhas e Redes Isoladas
Projeto Kagoshima no Japão: A Toray implantou um eletrolisador de 5 MW + sistema de armazenamento de hidrogênio à base de magnésio de 20 MWh para fornecimento de energia a comunidades isoladas, reduzindo o custo de ciclo de vida em 25% em comparação com a geração de energia a diesel.
Cenário de Adaptação Doméstica: A Yunhai Metals forneceu um sistema à base de magnésio para o Projeto Integrado de Fotovoltaica-Hidrogênio-Armazenamento de Qinghai, armazenando 48 horas de capacidade flutuante, reduzindo o custo em 50% em comparação com o hidrogênio líquido.
(3) Comércio Transfronteiriço de Energia de Hidrogênio
Projeto Piloto de GNL para Hidrogênio do Oriente Médio-Ásia Oriental: A Shanghai Magnesium Power colaborou com a Mitsui para transportar hidrogênio em forma sólida por mar para a Ásia Oriental, evitando os altos custos e riscos de segurança do armazenamento e transporte líquido.
III. Comparação de Rotas Tecnológicas e Estratégias de Desenvolvimento Colaborativo
- Comparação de Parâmetros de Desempenho
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Dimensões |
Armazenamento de Hidrogênio à Base de Terras Raras |
Armazenamento de Hidrogênio à Base de Magnésio |
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Densidade de Armazenamento de Hidrogênio |
Densidade em massa 1,5-2,0% em peso |
Teórico 7,6% em peso, volume >50 kg/m³ |
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Temperatura de Operação |
-30°C a 100°C |
150°C a 300°C (fonte de calor necessária) |
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Vida Útil |
>10.000 ciclos |
500-1.000 ciclos (após otimização do catalisador) |
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Custo |
Alto (flutuações significativas no preço de terras raras) |
Baixo (recursos de magnésio abundantes) |
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Segurança |
Armazenamento de hidrogênio sob pressão atmosférica, sem risco de vazamento |
Ativação de alta temperatura apresenta risco de fuga térmica |
2. Cenários de Aplicação Colaborativa e Práticas Domésticas
(1) Sistema de Armazenamento de Hidrogênio Híbrido
Cenário de Estação de Abastecimento de Hidrogênio: A Estação de Abastecimento de Hidrogênio de Anting, Xangai, usa tanques de armazenamento de hidrogênio de terras raras para lidar com o abastecimento frequente de veículos, enquanto tanques de armazenamento de hidrogênio à base de magnésio armazenam hidrogênio verde de baixo custo.O sistema combinado reduz custos em 20%.
Cenário de Microgrid: Materiais de terras raras atendem demandas instantâneas de alta potência (como durante flutuações de energia fotovoltaica), enquanto materiais à base de magnésio lidam com a produção e armazenamento de hidrogênio durante períodos de eletricidade off-peak de baixo custo à noite.
(2) Tecnologia de Modificação de Materiais
Desenvolvimento de Liga de Terras Raras-Magnésio: Por exemplo, o material compósito Mg₂NiH₄ alcança uma densidade de armazenamento de hidrogênio de 3,5% em peso e reduz a temperatura de absorção de hidrogênio para 100°C, atualmente em fase de teste piloto.
Processo de Revestimento Nano: Revestir partículas de magnésio com óxidos de terras raras (como CeO₂) inibe a decomposição do hidrogênio, aumentando a vida útil em ciclo para 800 ciclos.
IV. Desafios de Industrialização e Oportunidades de Políticas
1. Garrafas Técnicas e Direções de Avanço
Série de Terras Raras: Flutuações no fornecimento de terras raras leves (por exemplo, lantânio, cério) elevam os custos, necessitando o desenvolvimento de sistemas sem cobalto/níquel (por exemplo, ligas de armazenamento de hidrogênio à base de ferro).
Série à Base de Magnésio: A produtividade das linhas de produção de mil toneladas é inferior a 60%, exigindo avanços em processos de moagem automática e tecnologias de gerenciamento térmico.
2. Vinculação de Políticas e Capital
Políticas Domésticas: O Ministério das Finanças incluiu a pesquisa e desenvolvimento de materiais de armazenamento de hidrogênio à base de terras raras no escopo de subsídios, com um subsídio máximo de 500.000 yuan por veículo; sistemas de armazenamento de hidrogênio à base de magnésio recebem um subsídio de 0,3 yuan/Wh com base na capacidade de ESS.
Implementação de Capital: No Q1 de 2025, o financiamento doméstico no setor de energia de hidrogênio ultrapassou 20 bilhões de yuan, com a pista de armazenamento de hidrogênio sólido representando 35%, focando em materiais à base de magnésio (Yunhai Metals, Magnesium Power) e catalisadores de terras raras (Zhongzi Environmental Protection).
V. Perspectiva Futura: Da Dupla Condução à Competição e Cooperação Global
Curto prazo (2025-2030): Terras raras dominam transporte e cenários distribuídos, enquanto a base de magnésio se concentra em ESS industrial e comércio transfronteiriço.
Médio prazo (2030-2035): Materiais de liga de terras raras-magnésio alcançam comercialização, e sistemas híbridos de armazenamento de hidrogênio tornam-se mainstream.
Longo prazo (pós-2035): Armazenamento de hidrogênio sólido, líquido e orgânico forma uma competição de rotas de tecnologia múltipla, impulsionando o custo de toda a cadeia de energia de hidrogênio mais próximo da energia tradicional.
Conclusão Central: Empresas domésticas, através da estratégia de dupla condução de "terras raras assegurando transporte e magnésio expandindo ESS", desenvolveram capacidades de cadeia completa em materiais, integração de sistemas e comércio transfronteiriço. No futuro, será necessário superar ainda mais gargalos como gerenciamento térmico e fabricação em larga escala, promovendo a transição da tecnologia de armazenamento de hidrogênio sólido do laboratório para aplicações em larga escala, e fornecendo uma solução chinesa com vantagens tanto de custo quanto de desempenho para a indústria global de energia de hidrogênio.
