【SMM Анализ】Редкоземельные элементы и магний - твердотельная технология хранения водорода в различных сценариях: глубокий анализ путей применения и практики отечественных предприятий

Введение Технология хранения водорода в твердом состоянии является одним из ключевых направлений для преодоления узких мест в хранении и транспортировке водорода. Материалы на основе редкоземельных элементов (например, водородные сплавы типа AB₅) и материалы на основе магния (например, MgH₂) дополняют друг друга по плотности энергии, стоимости и безопасности благодаря различиям в их свойствах. В апреле 2025 года произошли глобальные прорывы в индустриализации этих двух типов материалов в области водородной энергетики: Китайский университет науки и технологий объявил, что плотность хранения водорода в резервуарах на основе редкоземельных элементов при нормальном давлении достигла 7,2 вес.%, а немецкая компания ThyssenKrupp представила систему хранения водорода на основе магния с циклическим сроком службы более 500 раз. В данной статье, основываясь на динамике отрасли за эту неделю, систематически рассматриваются технические пути, адаптация к сценариям и практики индустриализации отечественных предприятий для этих двух типов материалов, а также обсуждаются пути их совместного развития. I. Твердотельное хранение водорода на основе редкоземельных элементов: «Технология-основа» для сценариев с высокой плотностью энергии 1. Технические характеристики и ключевые прорывы Материалы для хранения водорода на основе редкоземельных элементов, представленные LaNi₅ и MmNi₅ (сплавы на основе никеля и смешанных редкоземельных элементов), хранят водород через реакции гидридов металлов. Их технические преимущества включают: Высокая объемная плотность хранения водорода: При нормальном давлении достигает 30-35 кг/м³ (более чем в два раза выше, чем у жидкого водорода), подходит для ограниченных по пространству сценариев, таких как пассажирские автомобили и дроны. Стабильность в широком температурном диапазоне: Диапазон рабочих температур от -30℃ до 100℃, с отличной производительностью холодного запуска при низких температурах (поглощение водорода завершается в течение 5 минут). Циклический срок службы: На лабораторном уровне превышает 10,000 циклов (подтверждено на водородном тяжелом грузовике Toyota). Ключевые достижения в апреле 2025 года: Новый редкоземельно-переходный металлический сплав USTC: Используя композитную систему CeCo₀.8Ni₀.2, плотность хранения водорода при нормальном давлении 1 МПа достигла 7,2 вес.%, с циклическим сроком службы более 12,000 раз, планируется использовать в демонстрационном проекте водородных автобусов в Шанхае. Массовая производственная линия China Northern Rare Earth: Производственная линия для 50,000 комплектов резервуаров для хранения водорода на основе редкоземельных элементов в год была запущена в Баотоу, Внутренняя Монголия, используя сплавы на основе Pr-Nd (содержание лантана и церия >60%), что снизило стоимость одного резервуара на 40% по сравнению с импортными продуктами. Композитный материал GRINM Group на основе редкоземельных элементов и ванадия: Разработан новый сплав (V₀.3Ce₀.7), с плотностью хранения водорода 35 кг/м³ при давлении 5 МПа, подходящий для систем водородного судового привода. 2. Основные сценарии применения и отечественные практики (1) Динамическое снабжение водородом для автомобилей на топливных элементах Техническая адаптация: Резервуары для хранения водорода на основе редкоземельных элементов могут удовлетворить требования к частым запускам и остановкам автомобилей на топливных элементах. Например, китайский водородный тяжелый грузовик «HydrogenTeng 3.0», оснащенный модулем хранения водорода на основе редкоземельных элементов, достиг дальности хода 800 км на угольной транспортной линии в Ордосе, при этом потребление водорода на 100 км было снижено на 12% по сравнению с системами на чистом водороде. Последний случай: Shanghai Jieqing Technology и China Northern Rare Earth совместно интегрировали резервуары для хранения водорода на основе редкоземельных элементов в системы хранения водорода на водородных заправочных станциях, совместимые с водородными заправочными станциями на 35 МПа, с целью локализации более 90% к 2026 году. (2) Распределенная генерация энергии для сглаживания пиков Решение для интеграции системы: Резервуары для хранения водорода на основе редкоземельных элементов, интегрированные с топливными элементами, обеспечивают двустороннее преобразование «водород-электричество». Немецкая компания Hyzon Motors запустила распределенную систему генерации энергии мощностью 50 кВт, способную обеспечивать стабильное энергоснабжение во время пиковых нагрузок на сеть, с циклической эффективностью 45%. Отечественное применение: Weishi Energy представила распределенную систему генерации энергии на основе редкоземельных элементов и топливных элементов, подходящую для резервного энергоснабжения центров обработки данных, с сокращением времени отклика до 10 секунд. (3) Аварийное энергоснабжение и высококлассное оборудование Решение Toshiba: Резервуар для хранения водорода на основе редкоземельных элементов в сочетании с топливным элементом мощностью 5 кВт образует резервный источник питания, уже развернутый в центрах обработки данных в Токио. Отечественный прорыв: Zihuan Environmental разработала технологию переработки катализаторов на основе редкоземельных элементов, достигнув коэффициента извлечения лантана и церия >95% с помощью гидрометаллургии, при этом затраты на 60% ниже, чем у первичных редкоземельных элементов. II. Твердотельное хранение водорода на основе магния: «Разрушитель» для недорогого длительного хранения энергии 1. Технические характеристики и отечественные прорывы Материалы для хранения водорода на основе магния (например, MgH₂) хранят водород через обратимую реакцию магния и водорода, с теоретической плотностью хранения водорода 7,6 вес.%, но медленной кинетикой (требуется активация при высокой температуре). Технологические прорывы 2025 года сосредоточены на: Модификации наноструктуры: С помощью шарового измельчения частицы магния были уменьшены до менее 50 нм, что снизило температуру поглощения водорода с 300℃ до 150℃ и увеличило скорость поглощения водорода в три раза. Оптимизации катализатора: Двухметаллический катализатор Ti/Fe от ThyssenKrupp увеличил циклический срок службы MgH₂ с 300 до 500 циклов. Ключевые достижения в апреле 2025 года: Проект зеленого водорода China Energy Engineering на Ближнем Востоке: Использование резервуаров для хранения водорода на основе магния для хранения колеблющейся энергии ветра и солнца, с продолжительностью хранения водорода 72 часа, а стоимость системы на 40% ниже, чем у жидкого водорода. Годовая производственная линия Yunhai Metal на 200 МВт·ч: Производственная линия резервуаров для хранения водорода на основе магния была создана в Чичжоу, провинция Аньхой, с использованием интегрированного процесса шарового измельчения и спекания, с увеличением выхода до 75%, применена в проекте интеграции фотоэлектрической энергии и водорода в Цинхае. Решение Shanghai Magnesium Power для трансграничного хранения и транспортировки: В сотрудничестве с Mitsui был протестирован пилотный проект «реформинга метана с паром для хранения водорода на основе магния» в Дубае, с емкостью резервуара для хранения водорода на основе магния 10 МВт·ч, объем которого на 60% меньше, чем у резервуаров для жидкого водорода. 2. Основные сценарии применения и отечественные практики (1) Промышленное длительное хранение энергии Проект нового города NEOM: China Energy Engineering предоставила систему хранения водорода на основе магния мощностью 50 МВт·ч, сглаживающую прерывистость энергии ветра и солнца, с жизненным циклом на 40% дешевле, чем у жидкого водорода. Композитный материал CATL на основе редкоземельных элементов и магния: Разработан композитный материал Mg₂NiH₄/CeO₂, снижающий температуру поглощения водорода до 150℃, подходящий для тяжелых грузовиков на угольной транспортной линии в Ордосе, с увеличением дальности хода до 1,000 км. (2) Водородное снабжение для островов и автономных сетей Проект в Кагосиме, Япония: Toray развернула систему электролиза мощностью 5 МВт + систему хранения водорода на основе магния мощностью 20 МВт·ч, обеспечивающую автономное энергоснабжение сообщества, с жизненным циклом на 25% дешевле, чем дизельная генерация. Отечественный подходящий сценарий: Yunhai Metal предоставила систему на основе магния для проекта фотоэлектрической энергии и водорода в Цинхае, хранящую 48 часов колеблющейся энергии, с затратами на 50% ниже, чем у жидкого водорода. (3) Трансграничная торговля водородом Пилотный проект LNG для водорода на Ближнем Востоке и в Восточной Азии: Shanghai Magnesium Power и Mitsui совместно транспортировали водород в твердом виде морем в Восточную Азию, избегая высоких затрат и рисков безопасности жидкого хранения и транспортировки. III. Сравнение технических путей и стратегии совместного развития 1. Сравнение параметров производительности 2. Совместные сценарии применения и отечественные практики (1) Гибридные системы хранения водорода Сценарий водородной заправочной станции: Водородная заправочная станция в Антине, Шанхай, использует резервуары для хранения водорода на основе редкоземельных элементов для частой заправки автомобилей, в то время как резервуары для хранения водорода на основе магния хранят недорогой зеленый водород, снижая стоимость системы на 20%. Сценарий микросети: Материалы на основе редкоземельных элементов удовлетворяют мгновенным требованиям к высокой мощности (например, колебаниям фотоэлектрической генерации), в то время как материалы на основе магния хранят водород, произведенный из недорогой ночной электроэнергии. (2) Технологии модификации материалов Разработка сплава на основе редкоземельных элементов и магния: Например, композитный материал Mg₂NiH₄, с плотностью хранения водорода 3,5 вес.%, и температурой поглощения водорода, сниженной до 100℃, находится на пилотной стадии. Процесс нанопокрытия: Покрытие частиц магния оксидами редкоземельных элементов (например, CeO₂) подавляет разложение гидридов, увеличивая срок службы до 800 циклов. IV. Проблемы индустриализации и возможности политики 1. Технологические узкие места и направления прорыва На основе редкоземельных элементов: Колебания в поставках легких редкоземельных элементов (таких как лантан и церий) увеличивают затраты, требуя разработки систем без кобальта/никеля (например, водородных сплавов на основе железа). На основе магния: Тысячетонные производственные линии имеют выход менее 60%, требуя прорывов в автоматизированных процессах шарового измельчения и технологиях теплового управления. 2. Синергия политики и капитала Отечественная политика: Министерство финансов включило НИОКР материалов для хранения водорода на основе редкоземельных элементов в сферу субсидирования, с максимальной субсидией 5 миллионов юаней на транспортное средство; системы хранения водорода на основе магния получают субсидию 0,3 юаня/Вт·ч на основе емкости хранения. Распределение капитала: В первом квартале 2025 года финансирование в отечественном секторе водородной энергетики превысило 20 миллиардов юаней, из которых 35% было выделено на направление твердотельного хранения водорода, с акцентом на материалы на основе магния (Yunhai Metal, Magnesium Power) и катализаторы на основе редкоземельных элементов (Zihuan Environmental). V. Будущие перспективы: от двойного привода к глобальной конкуренции и сотрудничеству Краткосрочная перспектива (2025-2030): Материалы на основе редкоземельных элементов будут доминировать в транспортных и распределенных сценариях, в то время как материалы на основе магния сосредоточатся на промышленном хранении энергии и трансграничной торговле.Среднесрочная перспектива (2030-2035): Материалы из редкоземельно-магниевых сплавов будут коммерциализированы, а гибридные системы хранения водорода станут основным направлением. Долгосрочная перспектива (после 2035 года): Твердотельное хранение водорода, наряду с жидким водородом и органическим жидким хранением водорода, сформирует конкуренцию между многими технологическими маршрутами, что приведет к снижению полной цепочки затрат на водородную энергию до уровня традиционной энергии. Основной вывод: Отечественные предприятия, благодаря стратегии двойного привода «редкоземельные элементы для транспорта, магний для хранения энергии», сформировали полные цепочки возможностей в материалах, системной интеграции и трансграничной торговле. В будущем необходимы дальнейшие прорывы в тепловом управлении и крупномасштабном производстве, чтобы перевести технологию твердотельного хранения водорода из лаборатории в крупномасштабное применение, предоставляя экономичное и высокоэффективное китайское решение для глобальной водородной энергетической отрасли.

SMM

Краткий обзор цен на импортированную железную руду 24 апреля

Еженедельный обзор SMM стоимости водорода из электролизированной воды: 24 апреля 2025 года