บทนำ
เทคโนโลยีการเก็บไฮโดรเจนในสถานะของแข็งเป็นหนึ่งในทิศทางหลักในการแก้ปัญหาคอขวดของการเก็บและขนส่งไฮโดรเจน วัสดุที่ใช้ธาตุหายาก (เช่น โลหะผสมเก็บไฮโดรเจนชนิด AB₅) และวัสดุที่ใช้แมกนีเซียม (เช่น MgH₂) มีคุณสมบัติเสริมกันในด้านความหนาแน่นพลังงาน ต้นทุน และความปลอดภัย เนื่องจากความแตกต่างของคุณสมบัติของวัสดุ ในเดือนเมษายน 2025 มีความก้าวหน้าในอุตสาหกรรมของวัสดุทั้งสองประเภทนี้ในภาคพลังงานไฮโดรเจนทั่วโลก: มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีนประกาศว่าความหนาแน่นการเก็บไฮโดรเจนในบรรยากาศของถังเก็บไฮโดรเจนธาตุหายากถึง 7.2wt% และ ThyssenKrupp ในเยอรมนีได้เปิดตัวระบบเก็บไฮโดรเจนที่ใช้แมกนีเซียมที่มีอายุการใช้งานเกิน 500 รอบ บทความนี้อ้างอิงจากพัฒนาการในอุตสาหกรรมในสัปดาห์นี้ ทบทวนเส้นทางเทคโนโลยี ความเหมาะสมของสถานการณ์ และการปฏิบัติในอุตสาหกรรมของบริษัทในประเทศสำหรับวัสดุทั้งสองประเภทนี้อย่างเป็นระบบ และสำรวจเส้นทางการพัฒนาร่วมกันของพวกเขา
I. การเก็บไฮโดรเจนในสถานะของแข็งที่ใช้ธาตุหายาก: "เทคโนโลยีพื้นฐาน" สำหรับสถานการณ์ที่ต้องการความหนาแน่นพลังงานสูง
1. ลักษณะทางเทคนิคและความก้าวหน้าหลัก
วัสดุเก็บไฮโดรเจนที่ใช้ธาตุหายาก ซึ่งแสดงโดย LaNi₅ และ MmNi₅ (โลหะผสมธาตุหายากนิกเกิล) เก็บไฮโดรเจนผ่านปฏิกิริยาโลหะไฮไดรด์ ข้อได้เปรียบทางเทคนิคของพวกเขารวมถึง:
ความหนาแน่นการเก็บไฮโดรเจนเชิงปริมาตรสูง: ภายใต้ความดันปกติ สามารถถึง 30-35 กก./ม³ (มากกว่าการเก็บไฮโดรเจนในสถานะของเหลวสองเท่า) เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีข้อจำกัดด้านพื้นที่ เช่น รถยนต์โดยสารและโดรน
เสถียรภาพในช่วงอุณหภูมิกว้าง: ช่วงอุณหภูมิการทำงานตั้งแต่ -30℃ ถึง 100℃ พร้อมประสิทธิภาพการเริ่มต้นเย็นที่ยอดเยี่ยมที่อุณหภูมิต่ำ (การดูดซับไฮโดรเจนเสร็จสิ้นภายใน 5 นาที)
อายุการใช้งานรอบ: ระดับห้องปฏิบัติการเกิน 10,000 รอบ (ได้รับการยืนยันโดยรถบรรทุกหนักพลังงานไฮโดรเจนของ Toyota)
ความก้าวหน้าหลักในเดือนเมษายน 2025:
โลหะผสมธาตุหายาก-โลหะทรานซิชันชนิดใหม่โดย USTC: ใช้ระบบคอมโพสิต CeCo₀.8Ni₀.2 ความหนาแน่นการเก็บไฮโดรเจนถึง 7.2 wt% ภายใต้ความดันปกติ 1 MPa พร้อมอายุการใช้งานรอบเกิน 12,000 รอบ วางแผนใช้ในโครงการสาธิตรถบัสไฮโดรเจนเซี่ยงไฮ้หลิงกัง
สายการผลิตมวลชนต้นทุนต่ำของ China Northern Rare Earth: เปิดตัวในเป่าถู มองโกเลียใน ด้วยกำลังการผลิตประจำปี 50,000 ชุดของถังเก็บไฮโดรเจนธาตุหายาก โดยใช้โลหะผสม Pr-Nd (ปริมาณแลนทานัม-ซีเรียม >60%) ลดต้นทุนต่อถังลง 40% เมื่อเทียบกับผลิตภัณฑ์นำเข้า
วัสดุคอมโพสิตธาตุหายาก-วานาเดียมโดย Youyan Technology Group: พัฒนาโลหะผสมชนิดใหม่ (V₀.3Ce₀.7) ความหนาแน่นการเก็บไฮโดรเจน 35 กก./ม³ ภายใต้ความดัน 5 MPa เหมาะสำหรับระบบขับเคลื่อนเรือพลังงานไฮโดรเจน
2. สถานการณ์การใช้งานหลักและการปฏิบัติในประเทศ
(1) การจ่ายไฮโดรเจนแบบไดนามิกสำหรับยานยนต์เซลล์เชื้อเพลิง
ความเหมาะสมทางเทคนิค: ถังเก็บไฮโดรเจนธาตุหายากสามารถตอบสนองความต้องการเริ่ม-หยุดบ่อยของยานยนต์เซลล์เชื้อเพลิง ตัวอย่างเช่น รถบรรทุกหนักพลังงานไฮโดรเจนของจีน "Hydrogen Teng 3.0" ติดตั้งโมดูลเก็บไฮโดรเจนธาตุหายาก ทำให้สามารถขับขี่ได้ระยะทาง 800 กิโลเมตรในเส้นทางขนส่งถ่านหินเออร์ดอส โดยลดการใช้ไฮโดรเจนต่อ 100 กิโลเมตรลง 12% เมื่อเทียบกับระบบไฮโดรเจนบริสุทธิ์
กรณีล่าสุด: Shanghai Jie Hydrogen Technology ได้ร่วมมือกับ China Northern Rare Earth เพื่อรวมถังเก็บไฮโดรเจนธาตุหายากเข้ากับระบบเก็บไฮโดรเจนของสถานีเติมไฮโดรเจน ซึ่งเข้ากันได้กับสถานีเติมไฮโดรเจน 35MPa โดยตั้งเป้าอัตราการผลิตในประเทศเกิน 90% ภายในปี 2026
(2) การผลิตไฟฟ้าแบบกระจายสำหรับการปรับสมดุลพลังงาน
โซลูชันการรวมระบบ: ถังเก็บไฮโดรเจนธาตุหายากถูกรวมเข้ากับเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อให้เกิดการแปลง "ไฮโดรเจน-ไฟฟ้า" แบบสองทิศทาง ระบบผลิตไฟฟ้าแบบกระจายขนาด 50kW ที่เปิดตัวโดย Hyzon Motors ของเยอรมนีสามารถให้พลังงานที่เสถียรในช่วงที่โหลดกริดสูงสุด โดยมีประสิทธิภาพรอบ 45%
การใช้งานในประเทศ: Weishi Energy ได้เปิดตัวระบบผลิตไฟฟ้าแบบกระจายที่ใช้ถังเก็บไฮโดรเจนธาตุหายาก-เซลล์เชื้อเพลิง เหมาะสำหรับสถานการณ์พลังงานสำรองของศูนย์ข้อมูล โดยลดเวลาตอบสนองลงเหลือ 10 วินาที
(3) การจ่ายพลังงานฉุกเฉินและอุปกรณ์ระดับสูง
โซลูชันของ Toshiba: เซลล์เชื้อเพลิงขนาด 5kW รวมกับถังเก็บไฮโดรเจนธาตุหายากถูกนำไปใช้เป็นพลังงานสำรองที่ศูนย์ข้อมูลในโตเกียว
ความก้าวหน้าในประเทศ: Zhongzi Environmental Protection ได้พัฒนาเทคโนโลยีการกู้คืนตัวเร่งปฏิกิริยาธาตุหายาก โดยบรรลุอัตราการกู้คืนแลนทานัมและซีเรียมเกิน 95% ผ่านกระบวนการไฮโดรเมทัลลูร์จี ลดต้นทุนลง 60% เมื่อเทียบกับธาตุหายากปฐมภูมิ
II. การเก็บไฮโดรเจนในสถานะของแข็งที่ใช้แมกนีเซียม: "ผู้เปลี่ยนเกม" สำหรับการเก็บพลังงานระยะยาวต้นทุนต่ำ (LDES)
1. ลักษณะทางเทคนิคและความก้าวหน้าในประเทศ
วัสดุเก็บไฮโดรเจนที่ใช้แมกนีเซียม (เช่น MgH₂) เก็บไฮโดรเจนผ่านปฏิกิริยากลับได้ของแมกนีเซียมและไฮโดรเจน โดยมีความหนาแน่นการเก็บไฮโดรเจนทางทฤษฎี 7.6wt% อย่างไรก็ตาม การเกิดปฏิกิริยาช้า (ต้องการการกระตุ้นที่อุณหภูมิสูง) ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในปี 2025 มุ่งเน้นที่:
การปรับเปลี่ยนโครงสร้างนาโน: อนุภาคแมกนีเซียมถูกทำให้ละเอียดลงต่ำกว่า 50nm ผ่านการบดลูกบอล ลดอุณหภูมิการดูดซับไฮโดรเจนจาก 300°C เป็น 150°C และเพิ่มอัตราการดูดซับไฮโดรเจนสามเท่า
การปรับปรุงตัวเร่งปฏิกิริยา: ตัวเร่งปฏิกิริยาไบเมทัลลิก Ti/Fe ที่พัฒนาโดย ThyssenKrupp เพิ่มอายุการใช้งานรอบของ MgH₂ จาก 300 เป็น 500 รอบ
ความก้าวหน้าหลักในเดือนเมษายน 2025:
โครงการไฮโดรเจนสีเขียวของ China Energy Construction Middle East: ใช้ถังเก็บไฮโดรเจนที่ใช้แมกนีเซียมเพื่อเก็บความสามารถในการผลิตไฮโดรเจนจากพลังงานลมและแสงอาทิตย์ที่ผันผวน โดยมีระยะเวลาการเก็บไฮโดรเจน 72 ชั่วโมง ลดต้นทุนระบบลง 40% เมื่อเทียบกับการเก็บไฮโดรเจนในสถานะของเหลว
สายการผลิตประจำปี 200MWh ของ Yunhai Metals: จัดตั้งสายการผลิตถังเก็บไฮโดรเจนที่ใช้แมกนีเซียมในฉือโจว อันฮุย โดยใช้กระบวนการบดลูกบอล-เผาแบบบูรณาการ เพิ่มอัตราผลผลิตเป็น 75% และนำไปใช้ในโครงการพลังงานแสงอาทิตย์-ไฮโดรเจน-เก็บพลังงานในชิงไห่
โซลูชันการเก็บและขนส่งข้ามพรมแดนของ Shanghai Magnesium Power: ร่วมมือกับ Mitsui เพื่อทดลอง "การผลิตไฮโดรเจนจากการปฏิรูปไอน้ำมีเทน-การเก็บที่ใช้แมกนีเซียม" ในดูไบ โดยมีความจุถังเก็บไฮโดรเจนที่ใช้แมกนีเซียม 10MWh ลดปริมาตรลง 60% เมื่อเทียบกับถังไฮโดรเจนในสถานะของเหลว
2. สถานการณ์การใช้งานหลักและการปฏิบัติในประเทศ
(1) การเก็บพลังงานระยะยาวในอุตสาหกรรม
โครงการเมืองใหม่ NEOM ในซาอุดีอาระเบีย: China Energy Engineering Corporation จัดหาถังเก็บไฮโดรเจนที่ใช้แมกนีเซียมขนาด 50MWh เพื่อลดความไม่ต่อเนื่องของการผลิตพลังงานลมและแสงอาทิตย์ ลดต้นทุนวงจรชีวิตลง 40% เมื่อเทียบกับการเก็บไฮโดรเจนในสถานะของเหลว
วัสดุเก็บไฮโดรเจนคอมโพสิตธาตุหายาก-แมกนีเซียมของ CATL: พัฒนา Mg₂NiH₄/CeO₂ คอมโพสิต ลดอุณหภูมิการดูดซับไฮโดรเจนลงเหลือ 150℃ เหมาะสำหรับรถบรรทุกหนักในเส้นทางขนส่งถ่านหินเออร์ดอส เพิ่มระยะทางขับขี่เป็น 1,000 กิโลเมตร
(2) การจ่ายไฮโดรเจนสำหรับเกาะและพื้นที่นอกกริด
โครงการคาโกชิมะในญี่ปุ่น: Toray ติดตั้งอิเล็กโทรไลเซอร์ขนาด 5MW + ระบบเก็บไฮโดรเจนที่ใช้แมกนีเซียมขนาด 20MWh เพื่อให้พลังงานแก่ชุมชนที่อยู่นอกกริด ลดต้นทุนวงจรชีวิตลง 25% เมื่อเทียบกับการผลิตพลังงานด้วยดีเซล
สถานการณ์การปรับตัวในประเทศ: Yunhai Metals จัดหาระบบที่ใช้แมกนีเซียมสำหรับโครงการพลังงานลม-แสงอาทิตย์-ไฮโดรเจนในชิงไห่ เก็บความสามารถที่ผันผวนได้ 48 ชั่วโมง ลดต้นทุนลง 50% เมื่อเทียบกับการเก็บไฮโดรเจนในสถานะของเหลว
(3) การค้าพลังงานไฮโดรเจนข้ามพรมแดน
โครงการนำร่อง LNG สู่ไฮโดรเจนในตะวันออกกลาง-เอเชียตะวันออก: Shanghai Magnesium Power ร่วมมือกับ Mitsui เพื่อขนส่งไฮโดรเจนในรูปแบบของแข็งทางทะเลไปยังเอเชียตะวันออก หลีกเลี่ยงต้นทุนสูงและความเสี่ยงด้านความปลอดภัยของการเก็บและขนส่งในสถานะของเหลว
III. การเปรียบเทียบเส้นทางเทคโนโลยีและกลยุทธ์สำหรับการพัฒนาร่วมกัน
- การเปรียบเทียบพารามิเตอร์ประสิทธิภาพ
|
มิติ |
การเก็บไฮโดรเจนที่ใช้ธาตุหายาก |
การเก็บไฮโดรเจนที่ใช้แมกนีเซียม |
|
ความหนาแน่นการเก็บไฮโดรเจน |
ความหนาแน่นมวล 1.5-2.0 wt% |
ทางทฤษฎี 7.6 wt%, ปริมาตร >50 กก./ม³ |
|
อุณหภูมิการทำงาน |
-30℃ ถึง 100℃ |
150℃ ถึง 300℃ (ต้องการแหล่งความร้อน) |
|
อายุการใช้งานรอบ |
>10,000 รอบ |
500-1,000 รอบ (หลังการปรับปรุงตัวเร่งปฏิกิริยา) |
|
ต้นทุน |
สูง (ความผันผวนของราคาธาตุหายากมีนัยสำคัญ) |
ต่ำ (ทรัพยากรแมกนีเซียมมีมากมาย) |
|
ความปลอดภัย |
การเก็บไฮโดรเจนที่ความดันบรรยากาศ ไม่มีความเสี่ยงการรั่วไหล |
การกระตุ้นที่อุณหภูมิสูงมีความเสี่ยงต่อการลุกลามความร้อน |
2. สถานการณ์การใช้งานร่วมกันและการปฏิบัติในประเทศ
(1) ระบบเก็บไฮโดรเจนแบบผสม
สถานการณ์สถานีเติมไฮโดรเจน: สถานีเติมไฮโดรเจน Anting ในเซี่ยงไฮ้ใช้ถังเก็บไฮโดรเจนธาตุหายากเพื่อจัดการการเติมเชื้อเพลิงยานยนต์ที่มีความถี่สูง ขณะที่ถังเก็บไฮโดรเจนที่ใช้แมกนีเซียมเก็บไฮโดรเจนสีเขียวต้นทุนต่ำระบบผสมผสานลดต้นทุนลง 20%
สถานการณ์ไมโครกริด: วัสดุธาตุหายากตอบสนองความต้องการพลังงานสูงในทันที (เช่น ในช่วงที่กำลังไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ผันผวน) ในขณะที่วัสดุพื้นฐานแมกนีเซียมจัดการการผลิตและเก็บไฮโดรเจนในช่วงเวลาค่าไฟฟ้าต่ำในเวลากลางคืน
(2) เทคโนโลยีการปรับแต่งวัสดุ
การพัฒนาอัลลอยด์ธาตุหายาก-แมกนีเซียม: ตัวอย่างเช่น วัสดุคอมโพสิต Mg₂NiH₄ บรรลุความหนาแน่นการเก็บไฮโดรเจน 3.5wt% และลดอุณหภูมิการดูดซึมไฮโดรเจนลงเหลือ 100℃ ปัจจุบันอยู่ในระยะทดสอบนำร่อง
กระบวนการเคลือบนาโน: การเคลือบอนุภาคแมกนีเซียมด้วยออกไซด์ธาตุหายาก (เช่น CeO₂) ยับยั้งการสลายตัวของไฮโดรเจน เพิ่มอายุการใช้งานวงจรเป็น 800 รอบ
IV. ความท้าทายในการอุตสาหกรรมและการมีโอกาสทางนโยบาย
1. ข้อจำกัดทางเทคนิคและทิศทางการพัฒนา
ชุดธาตุหายาก: ความผันผวนในการจัดหาธาตุหายากแสง (เช่น ลานทานัม เซเรียม) ทำให้ต้นทุนเพิ่มขึ้น จำเป็นต้องพัฒนาระบบที่ไม่มีโคบอลต์/นิกเกิล (เช่น อัลลอยด์เก็บไฮโดรเจนพื้นฐานเหล็ก)
ชุดพื้นฐานแมกนีเซียม: ประสิทธิภาพของการผลิตในสายการผลิตพันตันต่ำกว่า 60% ต้องมีการพัฒนาในกระบวนการบดโดยใช้เครื่องกลและเทคโนโลยีการจัดการความร้อน
2. การเชื่อมโยงนโยบายและทุน
นโยบายภายในประเทศ: กระทรวงการคลังได้รวมการวิจัยและพัฒนาวัสดุเก็บไฮโดรเจนบนพื้นฐานธาตุหายากเข้าในขอบเขตการสนับสนุน โดยมีการสนับสนุนสูงสุด 500,000 หยวนต่อรถยนต์ ส่วนระบบเก็บไฮโดรเจนพื้นฐานแมกนีเซียมได้รับการสนับสนุน 0.3 หยวน/วัตต์ชั่วโมงตามความจุ ESS
การจัดสรรงบประมาณ: ในไตรมาสแรกปี 2025 การระดมทุนภายในประเทศในภาคพลังงานไฮโดรเจนเกินสองหมื่นล้านหยวน โดยแทรคการเก็บไฮโดรเจนแบบแข็งมีสัดส่วน 35% มุ่งเน้นไปที่วัสดุพื้นฐานแมกนีเซียม (Yunhai Metals, Magnesium Power) และสารเร่งปฏิกิริยาธาตุหายาก (Zhongzi Environmental Protection)
V. แนวโน้มอนาคต: จากการขับเคลื่อนสองล้อสู่การแข่งขันและร่วมมือระดับโลก
ระยะสั้น (2025-2030): ธาตุหายากครอบครองการขนส่งและการกระจายสถานการณ์ ในขณะที่พื้นฐานแมกนีเซียมมุ่งเน้นที่ ESS อุตสาหกรรมและการค้าข้ามชาติ
ระยะกลาง (2030-2035): วัสดุอัลลอยด์ธาตุหายาก-แมกนีเซียมบรรลุการพาณิชย์ และระบบเก็บไฮโดรเจนผสมกลายเป็นหลัก
ระยะยาว (หลัง 2035): การเก็บไฮโดรเจนแบบแข็ง ไฮโดรเจนเหลว และไฮโดรเจนเหลวอินทรีย์สร้างการแข่งขันหลายเทคโนโลยี ขับเคลื่อนต้นทุนทั้งหมดของโซ่พลังงานไฮโดรเจนใกล้เคียงกับพลังงานแบบดั้งเดิม
สรุปหลัก: บริษัทภายในประเทศผ่านกลยุทธ์การขับเคลื่อนสองล้อ "ธาตุหายากรักษาการขนส่งและแมกนีเซียมขยาย ESS" พัฒนาความสามารถครบวงจรในวัสดุ การรวมระบบ และการค้าข้ามชาติ ในอนาคตจำเป็นต้องทะลุผ่านข้อจำกัด เช่น การจัดการความร้อนและการผลิตขนาดใหญ่ กระตุ้นการเปลี่ยนแปลงเทคโนโลยีการเก็บไฮโดรเจนแบบแข็งจากห้องทดลองสู่การประยุกต์ใช้ขนาดใหญ่ และนำเสนอแนวทางของจีนที่มีทั้งข้อดีด้านต้นทุนและสมรรถนะสำหรับอุตสาหกรรมพลังงานไฮโดรเจนทั่วโลก
