氢能产业背景下稀土系储氢材料的发展机遇

文|吉力强

1.氢能产业背景

人类历史上每一次能源利用的里程碑式发展，都会开启一个新的时代。从木柴到煤炭再到石油，人类文明也随之飞速进步，同时也越来越离不开能源。而目前煤炭和石油等石化能源正面临着枯竭，人类文明又将面临一个重大的转折。未来能源的选择将何去何从？答案似乎模糊却也清晰，高效、清洁、可持续是必备要素，其中高效是必要条件。高效就意味着能量密度高，寻踪能源发展史不难发现，每次能源的更迭都是在向更高的能量密度发展（见图1）。由此来看，目前所知的燃料中能量密度最高就是氢气，同时它还具备清洁和可持续的优势，因此氢能极大概率将成为能源的终极之路。

氢作为一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效的二次能源，在汽车、轨道交通、船舶、航天、物流、供电供暖等领域，有着丰富而广泛的应用前景，被视为21 世纪最具发展潜力的清洁能源，代表着未来新能源的发展方向。中国是世界最大的碳排放国家，在碳减排方面面临着巨大的压力，交通领域的碳排放占到国内总碳排放的五分之一以上。2020 年9 月22 日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会发表讲话强调，中国将采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。在这种形势下，发展氢能尤其是氢燃料电池汽车的推广，成为发展零污染低碳交通的必然选择。

图1 能源科技发展规律图

2.我国氢能产业现状

我国氢气资源丰富，发展氢能源具有先天优势。目前国内氢气产量已经位居世界第一位，而且我国煤炭资源丰富，已经开始发展煤制氢产业，还有丰富的风电、光电、水电资源，未来都可以用来进行水电解制氢。但是，我国氢能源产业相关技术，尤其是燃料电池技术与发达国家差距很大，相关政策法规还不够完善，加氢站基础设施建设滞后，还需要进一步在国家和省级层面进行统筹规划，推进我国氢能源产业发展。

目前，国内氢能产业加速规划布局。国家高度重视氢能产业发展，《国家创新驱动发展战略纲要》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》《交通强国建设纲要》等文件均鼓励引导氢能产业发展。国内氢能产业呈现迅猛发展态势，上海、浙江、江苏、河北等省（市）陆续出台文件或规划，加快布局氢能产业，推进燃料电池汽车示范应用，目前国内已形成六个主要的氢能产业集群（见图2）。

2019 年，中国氢能联盟发布了《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》，到2050 年，氢能将在中国终端能源体系中占比达到10%（约5 亿吨标煤，折合1.1 亿吨氢气），与电力协同互补，共同成为中国终端能源体系的消费主体之一。届时，可实现二氧化碳减排约7 亿吨/年，累计拉动33 万亿元经济产值。而“绿氢”可再生能源制氢将是未来的主要氢气来源，到2050 年，可再生能源制氢超过80%。这个亿吨级氢能的目标，将改变中国的能源结构并推动中国进入氢能社会，中国具有广阔的西部荒漠和良好的光照条件，可开发的“绿氢”资源超过3亿吨。完全能够满足我国可持续发展的自给自足的无碳氢能，将从根本上改变我国能源战略安全。但我国西部储量丰富的绿氢资源，远离中东部的能源负荷中心，需要远距离的输送。因此如何达到开发规模，建立“产、储、输、分销、应用”完整的低成本氢能供应链，就需要进行氢能储运模式的构建并进行技术经济分析。

3.储运技术是制约氢能产业发展的最主要瓶颈之一

氢能产业链长，涉及领域广（见图3），市场前景广阔。在整个氢能产业链中，上游和下游与传统行业关联度高，技术突破具备的基础条件相对较好，突破路径也较多，但中游氢储运受氢气本身的物性限制（自然界最轻的气体），导致各种储运方式成本都很高，是制约产业发展的关键瓶颈。

储氢技术作为氢气从生产到利用过程中的桥梁，是指将氢气以稳定形式的能量储存起来，以方便使用的技术。氢气的质量能量密度约为120 MJ/kg，是汽油、柴油、天然气的2.7 倍，然而在常温常压下，单位体积氢气的能量密度仅为12.1MJ。因此，储氢技术的关键点在于如何提高氢气的能量密度。传统的氢气存储与输运一般采用高压气态和低温液态两种方式。高压气态储氢是目前工业用氢最普遍的储运方式，具有较高的质量储氢密度，但成本较高，并存在较大的安全隐患。低温液态储氢具有极高的质量和体积储氢密度，但需要额外的冷却系统（冷却至-253 ℃），整个冷却过程消耗的能量占储存能量的30%，同时液氢储运过程中挥发严重，不宜长期保存。从安全和经济的角度来讲，这两种储氢方式均有待进一步完善。所以，从目前的产业特点和氢气特性来看，仍没有较理想的储运手段来实现氢气的经济性储存和运输，导致储运技术成为制约氢能产业顺利发展的主要瓶颈之一。

图2 目前国内主要氢能产业集群分布情况图

图3 氢能产业链示意图

4.稀土系储氢材料面临着重要发展机遇

固态储氢是指通过物理或者化学吸附的方式将氢气存储于固态储氢材料介质中，这种新型储氢技术具有体积储氢密度高、储运方便、安全性能好等优点，因而被认为是最有发展前景的储氢方式。稀土系储氢材料是目前生产工艺最为成熟，产业规模最大的固态储氢材料，稀土储氢材料可作为氢能实现产业化过程中的关键技术手段，在充分考虑氢能产业的发展形势和应用领域前提下，根据产品的性能特点确定合适的目标市场，制定不同的市场推广方案。

针对加氢站市场，可利用固态储氢材料的低压储氢优势，以同等压力下的高储氢量为切入点进行市场推广。同时可结合固态储氢材料放氢平台随温度变化较大的特点，实现对氢气的逐级压缩。该压缩过程不存在机械运动，能耗低，可达到很高的极限压力。

针对分布式储能发电市场，不断发掘氢能作为储能介质的规模优势和能量密度优势，充分与可再生能源发电结合，不断向储能市场渗透，提高氢储能在储能市场的占有率。

针对大型汽车市场，在公交大巴领域以氢安全性为切入点，突出固态储氢对人身安全的保障。在重型货车领域以体积密度优势作为切入点，考虑重型货车的长途运输需求，再结合高压复合技术可使储氢系统在同等体积下可储存更多氢气，提升重型货车的续航里程。

总之，稀土系储氢材料在氢能产业迅速发展的背景下面临着空前的发展机遇。随着氢能产业的发展壮大，高密度稀土储氢材料将在交通运输、加氢站、储能和分布式发电领域具有广阔的应用空间，为支撑氢能产业成为具有万亿级市场规模的绿色能源体系提供有力保障。

5.结语

氢能既可以大规模储存，又可以跨区域跨季节的调度，可以成为连接不同能源形式（气、电、热等）的桥梁，并与电力系统（核电、风电、光电等）互补协同，是跨能源网络协同优化的理想互联媒介，在分布式能源供应方面具有独特优势，可提供环保、安全和高效的能源保障。内蒙古地区是我国稀土资源最丰富的省区，尤其是镧铈稀土产能过剩，同时，内蒙古地区的风电和光伏资源丰富，存在较多的弃风和弃电现象，而生产稀土系储氢材料恰恰需要使用大量的镧铈元素。所以，如能将风电制氢、光电制氢与稀土系储氢材料固态储氢相结合，就能使这两种优势资源协同发展，走出一条有中国特色的氢能发展之路。