SMM

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 свойствах материалов. В апреле 2025 года в глобальном секторе водородной энергетики часто наблюдались прорывы в индустриализации этих двух типов материалов: Китайский университет науки и технологий объявил, что плотность хранения водорода в атмосферных условиях в резервуарах на основе редкоземельных элементов достигла 7,2 вес.%, а ThyssenKrupp в Германии выпустила систему хранения водорода на основе магния с циклическим сроком службы более 500 циклов. В данной статье, основываясь на событиях этой недели в отрасли, систематически рассматриваются технологические пути, адаптивность к различным сценариям и практики индустриализации отечественных предприятий для этих двух типов материалов, а также исследуются пути их совместного развития.

I. Хранение водорода в твердом состоянии 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 она может достигать 30-35 кг/м³ (более чем в два раза выше, чем у жидкого водорода), что подходит для сценариев с ограниченным пространством, таких как пассажирские автомобили и дроны.

Стабильность в широком температурном диапазоне: Диапазон рабочих температур от -30℃ до 100℃, с отличной производительностью при низких температурах (поглощение водорода завершается в течение 5 минут).

Срок службы: На лабораторном уровне превышает 10,000 циклов (подтверждено на водородных грузовиках Toyota).

Ключевые достижения в апреле 2025 года:

Новый сплав редкоземельных элементов и переходных металлов от USTC: Используя композитную систему CeCo₀.8Ni₀.2, плотность хранения водорода достигает 7,2 вес.% при нормальном давлении 1 МПа, с циклическим сроком службы более 12,000 циклов, планируется использовать в демонстрационном проекте водородных автобусов в Шанхае.

Линия массового производства низкой стоимости от China Northern Rare Earth: Запущена в Баотоу, Внутренняя Монголия, с годовой производственной мощностью 50,000 комплектов резервуаров для хранения водорода на основе редкоземельных элементов, используя сплавы на основе Pr-Nd (содержание лантана и церия >60%), с уменьшением стоимости одного резервуара на 40% по сравнению с импортными продуктами.

Композитный материал на основе редкоземельных элементов и ванадия от Youyan Technology Group: Разработан новый сплав (V₀.3Ce₀.7), с плотностью хранения водорода 35 кг/м³ при давлении 5 МПа, подходящий для систем водородного привода судов.

2. Основные сценарии применения и отечественные практики

(1) Динамическое снабжение водородом для транспортных средств на топливных элементах

Техническая адаптивность: Резервуары для хранения водорода на основе редкоземельных элементов могут удовлетворить частые требования к запуску и остановке транспортных средств на топливных элементах. Например, китайский водородный грузовик «Hydrogen Teng 3.0» оснащен модулем хранения водорода на основе редкоземельных элементов, достигая дальности хода 800 километров на линии транспортировки угля в Ордосе, с уменьшением расхода водорода на 12% на 100 километров по сравнению с системами на чистом водороде.

Последний случай: Shanghai Jie Hydrogen Technology сотрудничает с China Northern Rare Earth для интеграции резервуаров для хранения водорода на основе редкоземельных элементов в системы хранения водорода на водородных заправочных станциях, совместимые с заправочными станциями на 35 МПа, с целью достижения уровня локализации более 90% к 2026 году.

(2) Распределенная генерация электроэнергии для сглаживания пиков

Решение для интеграции системы: Резервуары для хранения водорода на основе редкоземельных элементов интегрируются с топливными элементами для достижения двунаправленного преобразования «водород-электричество». Распределенная система генерации электроэнергии мощностью 50 кВт, запущенная немецкой компанией Hyzon Motors, может обеспечивать стабильное электроснабжение во время пиковых нагрузок на сеть, с циклической эффективностью 45%.

Отечественное применение: Weishi Energy представила распределенную систему генерации электроэнергии на основе водорода и топливных элементов, подходящую для резервного электроснабжения дата-центров, сокращая время отклика до 10 секунд.

(3) Аварийное электроснабжение и высококлассное оборудование

Решение Toshiba: Топливный элемент мощностью 5 кВт в сочетании с резервуаром для хранения водорода на основе редкоземельных элементов был развернут в качестве резервного источника питания в дата-центре в Токио.

Отечественный прорыв: Zhongzi Environmental Protection разработала технологию восстановления катализаторов на основе редкоземельных элементов, достигая коэффициента восстановления лантана и церия более 95% с помощью гидрометаллургических процессов, снижая затраты на 60% по сравнению с первичными редкоземельными элементами.

II. Хранение водорода в твердом состоянии на основе магния: «Разрушитель» для низкозатратного длительного хранения энергии (LDES)

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.%. Однако кинетика медленная (требуется активация при высокой температуре). Технологические прорывы 2025 года сосредоточены на:

Модификации наноструктуры: Частицы магния измельчаются до размеров менее 50 нм с помощью шарового измельчения, снижая температуру поглощения водорода с 300°C до 150°C и увеличивая скорость поглощения водорода в три раза.

Оптимизации катализатора: Биметаллический катализатор Ti/Fe, разработанный ThyssenKrupp, увеличил срок службы MgH₂ с 300 до 500 циклов.

Ключевые достижения в апреле 2025 года:

Проект зеленого водорода в Ближнем Востоке от China Energy Construction: Использованы резервуары для хранения водорода на основе магния для хранения колеблющейся мощности производства водорода из ветра и солнца, с продолжительностью хранения водорода 72 часа, снижая системные затраты на 40% по сравнению с хранением жидкого водорода.

Годовая производственная линия на 200 МВтч от Yunhai Metals: Создана производственная линия резервуаров для хранения водорода на основе магния в Чичжоу, провинция Аньхой, с использованием интегрированного процесса шарового измельчения и спекания, увеличивая коэффициент выхода до 75%, и применена в интегрированном проекте фотоэлектрического-водородного-хранения в Цинхае.

Решение Shanghai Magnesium Power для трансграничного хранения и транспортировки: Сотрудничество с Mitsui для пилотного проекта «производство водорода из метанового парового реформинга-хранение на основе магния» в Дубае, с емкостью резервуара для хранения водорода на основе магния 10 МВтч, снижая объем на 60% по сравнению с резервуарами для жидкого водорода.

2. Основные сценарии применения и отечественные практики

(1) Промышленное длительное хранение энергии

Проект NEOM New City в Саудовской Аравии: China Energy Engineering Corporation предоставила систему хранения водорода на основе магния емкостью 50 МВтч для смягчения прерывистости генерации энергии из ветра и солнца, снижая стоимость жизненного цикла на 40% по сравнению с хранением жидкого водорода.

Композитный материал для хранения водорода на основе редкоземельных элементов и магния от CATL: Разработан композитный материал Mg₂NiH₄/CeO₂, снижающий температуру поглощения водорода до 150℃, подходящий для тяжелых грузовиков на линии транспортировки угля в Ордосе, увеличивая дальность хода до 1,000 километров.

(2) Водородное снабжение для островов и автономных систем

Проект в Кагосиме, Япония: Toray развернула электролизер мощностью 5 МВт + систему хранения водорода на основе магния емкостью 20 МВтч для обеспечения автономного электроснабжения сообщества, снижая стоимость жизненного цикла на 25% по сравнению с дизельной генерацией.

Отечественный адаптационный сценарий: Yunhai Metals предоставила систему на основе магния для проекта ветро-солнечно-водородного хранения в Цинхае, хранящую 48 часов колеблющейся мощности, снижая затраты на 50% по сравнению с жидким водородом.

(3) Трансграничная торговля водородной энергией

Пилотный проект LNG в водород между Ближним Востоком и Восточной Азией: Shanghai Magnesium Power сотрудничала с Mitsui для транспортировки водорода в твердой форме 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) Гибридная система хранения водорода

Сценарий водородной заправочной станции: Водородная заправочная станция Anting в Шанхае использует резервуары для хранения водорода на основе редкоземельных элементов для обработки частых заправок транспортных средств, в то время как резервуары для хранения водорода на основе магния хранят низкозатратный зеленый водород.Объединенная система снижает затраты на 20%.

Сценарий микросети: Редкоземельные материалы удовлетворяют мгновенные высокие потребности в энергии (например, при колебаниях мощности солнечных панелей), в то время как материалы на основе магния обеспечивают производство и хранение водорода в периоды низкой стоимости электроэнергии ночью.

(2) Технология модификации материалов

Разработка редкоземельно-магниевого сплава: Например, композитный материал Mg₂NiH₄ достигает плотности хранения водорода 3,5 вес.% и снижает температуру абсорбции водорода до 100℃, в настоящее время находится на стадии пилотных испытаний.

Нанопокрытие: Покрытие магниевых частиц оксидами редкоземельных элементов (например, CeO₂) подавляет разложение водорода, увеличивая срок службы до 800 циклов.

IV. Проблемы индустриализации и возможности политики

1. Технические узкие места и направления прорыва

Серия редкоземельных материалов: Колебания в поставках легких редкоземельных элементов (например, лантан, церий) увеличивают затраты, что требует разработки систем без кобальта/никеля (например, железо-водородных сплавов).

Серия на основе магния: Выход производственных линий на тысячу тонн составляет менее 60%, что требует прорывов в автоматизированных процессах шарового измельчения и технологиях управления теплом.

2. Политика и связь с капиталом

Внутренняя политика: Министерство финансов включило НИОКР редкоземельных водородных материалов в сферу субсидирования, с максимальной субсидией 500,000 юаней на транспортное средство; системы хранения водорода на основе магния получают субсидию 0,3 юаня/Втч на основе емкости ESS.

Размещение капитала: В первом квартале 2025 года внутреннее финансирование в секторе водородной энергии превысило 20 миллиардов юаней, при этом на долю твердотельного хранения водорода пришлось 35%, с акцентом на материалы на основе магния (Yunhai Metals, Magnesium Power) и редкоземельные катализаторы (Zhongzi Environmental Protection).

V. Перспективы: от двойного привода к глобальной конкуренции и сотрудничеству

Краткосрочная перспектива (2025-2030): Редкоземельные материалы доминируют в транспортных и распределенных сценариях, в то время как магниевые сосредоточены на промышленных ESS и трансграничной торговле.

Среднесрочная перспектива (2030-2035): Редкоземельно-магниевые сплавы достигают коммерциализации, а гибридные системы хранения водорода становятся основными.

Долгосрочная перспектива (после 2035 года): Твердотельное хранение водорода, жидкий водород и органическое жидкое хранение водорода формируют конкуренцию многоуровневых технологий, приближая стоимость всей цепочки водородной энергии к традиционной энергии.

Основной вывод: Отечественные предприятия, благодаря стратегии двойного привода «редкоземельные материалы для транспорта и магниевые для ESS», разработали полные цепочки возможностей в материалах, системной интеграции и трансграничной торговле. В будущем необходимо преодолеть такие узкие места, как управление теплом и крупномасштабное производство, способствуя переходу технологии твердотельного хранения водорода из лаборатории в крупномасштабные приложения, предоставляя китайское решение с преимуществами по стоимости и производительности для глобальной водородной энергетики.