氫能產(chǎn)業(yè)背景下稀土系儲(chǔ)氫材料的發(fā)展機(jī)遇

文|吉力強(qiáng)

1.氫能產(chǎn)業(yè)背景

人類歷史上每一次能源利用的里程碑式發(fā)展，都會(huì)開(kāi)啟一個(gè)新的時(shí)代。從木柴到煤炭再到石油，人類文明也隨之飛速進(jìn)步，同時(shí)也越來(lái)越離不開(kāi)能源。而目前煤炭和石油等石化能源正面臨著枯竭，人類文明又將面臨一個(gè)重大的轉(zhuǎn)折。未來(lái)能源的選擇將何去何從？答案似乎模糊卻也清晰，高效、清潔、可持續(xù)是必備要素，其中高效是必要條件。高效就意味著能量密度高，尋蹤能源發(fā)展史不難發(fā)現(xiàn)，每次能源的更迭都是在向更高的能量密度發(fā)展（見(jiàn)圖1）。由此來(lái)看，目前所知的燃料中能量密度最高就是氫氣，同時(shí)它還具備清潔和可持續(xù)的優(yōu)勢(shì)，因此氫能極大概率將成為能源的終極之路。

氫作為一種來(lái)源廣泛、清潔無(wú)碳、靈活高效的二次能源，在汽車、軌道交通、船舶、航天、物流、供電供暖等領(lǐng)域，有著豐富而廣泛的應(yīng)用前景，被視為21 世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，代表著未?lái)新能源的發(fā)展方向。中國(guó)是世界最大的碳排放國(guó)家，在碳減排方面面臨著巨大的壓力，交通領(lǐng)域的碳排放占到國(guó)內(nèi)總碳排放的五分之一以上。2020 年9 月22 日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)發(fā)表講話強(qiáng)調(diào)，中國(guó)將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。在這種形勢(shì)下，發(fā)展氫能尤其是氫燃料電池汽車的推廣，成為發(fā)展零污染低碳交通的必然選擇。

圖1 能源科技發(fā)展規(guī)律圖

2.我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

我國(guó)氫氣資源豐富，發(fā)展氫能源具有先天優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)氫氣產(chǎn)量已經(jīng)位居世界第一位，而且我國(guó)煤炭資源豐富，已經(jīng)開(kāi)始發(fā)展煤制氫產(chǎn)業(yè)，還有豐富的風(fēng)電、光電、水電資源，未來(lái)都可以用來(lái)進(jìn)行水電解制氫。但是，我國(guó)氫能源產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)，尤其是燃料電池技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家差距很大，相關(guān)政策法規(guī)還不夠完善，加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，還需要進(jìn)一步在國(guó)家和省級(jí)層面進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，推進(jìn)我國(guó)氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

目前，國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)加速規(guī)劃布局。國(guó)家高度重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》等文件均鼓勵(lì)引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)迅猛發(fā)展態(tài)勢(shì)，上海、浙江、江蘇、河北等省（市）陸續(xù)出臺(tái)文件或規(guī)劃，加快布局氫能產(chǎn)業(yè)，推進(jìn)燃料電池汽車示范應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)已形成六個(gè)主要的氫能產(chǎn)業(yè)集群（見(jiàn)圖2）。

2019 年，中國(guó)氫能聯(lián)盟發(fā)布了《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》，到2050 年，氫能將在中國(guó)終端能源體系中占比達(dá)到10%（約5 億噸標(biāo)煤，折合1.1 億噸氫氣），與電力協(xié)同互補(bǔ)，共同成為中國(guó)終端能源體系的消費(fèi)主體之一。屆時(shí)，可實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排約7 億噸/年，累計(jì)拉動(dòng)33 萬(wàn)億元經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值。而“綠氫”可再生能源制氫將是未來(lái)的主要?dú)錃鈦?lái)源，到2050 年，可再生能源制氫超過(guò)80%。這個(gè)億噸級(jí)氫能的目標(biāo)，將改變中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)并推動(dòng)中國(guó)進(jìn)入氫能社會(huì)，中國(guó)具有廣闊的西部荒漠和良好的光照條件，可開(kāi)發(fā)的“綠氫”資源超過(guò)3億噸。完全能夠滿足我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的自給自足的無(wú)碳?xì)淠?，將從根本上改變我?guó)能源戰(zhàn)略安全。但我國(guó)西部?jī)?chǔ)量豐富的綠氫資源，遠(yuǎn)離中東部的能源負(fù)荷中心，需要遠(yuǎn)距離的輸送。因此如何達(dá)到開(kāi)發(fā)規(guī)模，建立“產(chǎn)、儲(chǔ)、輸、分銷、應(yīng)用”完整的低成本氫能供應(yīng)鏈，就需要進(jìn)行氫能儲(chǔ)運(yùn)模式的構(gòu)建并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

3.儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最主要瓶頸之一

氫能產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，涉及領(lǐng)域廣（見(jiàn)圖3），市場(chǎng)前景廣闊。在整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈中，上游和下游與傳統(tǒng)行業(yè)關(guān)聯(lián)度高，技術(shù)突破具備的基礎(chǔ)條件相對(duì)較好，突破路徑也較多，但中游氫儲(chǔ)運(yùn)受氫氣本身的物性限制（自然界最輕的氣體），導(dǎo)致各種儲(chǔ)運(yùn)方式成本都很高，是制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

儲(chǔ)氫技術(shù)作為氫氣從生產(chǎn)到利用過(guò)程中的橋梁，是指將氫氣以穩(wěn)定形式的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，以方便使用的技術(shù)。氫氣的質(zhì)量能量密度約為120 MJ/kg，是汽油、柴油、天然氣的2.7 倍，然而在常溫常壓下，單位體積氫氣的能量密度僅為12.1MJ。因此，儲(chǔ)氫技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何提高氫氣的能量密度。傳統(tǒng)的氫氣存儲(chǔ)與輸運(yùn)一般采用高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)兩種方式。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前工業(yè)用氫最普遍的儲(chǔ)運(yùn)方式，具有較高的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度，但成本較高，并存在較大的安全隱患。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫具有極高的質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度，但需要額外的冷卻系統(tǒng)（冷卻至-253 ℃），整個(gè)冷卻過(guò)程消耗的能量占儲(chǔ)存能量的30%，同時(shí)液氫儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中揮發(fā)嚴(yán)重，不宜長(zhǎng)期保存。從安全和經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)講，這兩種儲(chǔ)氫方式均有待進(jìn)一步完善。所以，從目前的產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)和氫氣特性來(lái)看，仍沒(méi)有較理想的儲(chǔ)運(yùn)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)氫氣的經(jīng)濟(jì)性儲(chǔ)存和運(yùn)輸，導(dǎo)致儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)成為制約氫能產(chǎn)業(yè)順利發(fā)展的主要瓶頸之一。

圖2 目前國(guó)內(nèi)主要?dú)淠墚a(chǎn)業(yè)集群分布情況圖

圖3 氫能產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D

4.稀土系儲(chǔ)氫材料面臨著重要發(fā)展機(jī)遇

固態(tài)儲(chǔ)氫是指通過(guò)物理或者化學(xué)吸附的方式將氫氣存儲(chǔ)于固態(tài)儲(chǔ)氫材料介質(zhì)中，這種新型儲(chǔ)氫技術(shù)具有體積儲(chǔ)氫密度高、儲(chǔ)運(yùn)方便、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，因而被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的儲(chǔ)氫方式。稀土系儲(chǔ)氫材料是目前生產(chǎn)工藝最為成熟，產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的固態(tài)儲(chǔ)氫材料，稀土儲(chǔ)氫材料可作為氫能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)手段，在充分考慮氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形勢(shì)和應(yīng)用領(lǐng)域前提下，根據(jù)產(chǎn)品的性能特點(diǎn)確定合適的目標(biāo)市場(chǎng)，制定不同的市場(chǎng)推廣方案。

針對(duì)加氫站市場(chǎng)，可利用固態(tài)儲(chǔ)氫材料的低壓儲(chǔ)氫優(yōu)勢(shì)，以同等壓力下的高儲(chǔ)氫量為切入點(diǎn)進(jìn)行市場(chǎng)推廣。同時(shí)可結(jié)合固態(tài)儲(chǔ)氫材料放氫平臺(tái)隨溫度變化較大的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的逐級(jí)壓縮。該壓縮過(guò)程不存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)，能耗低，可達(dá)到很高的極限壓力。

針對(duì)分布式儲(chǔ)能發(fā)電市場(chǎng)，不斷發(fā)掘氫能作為儲(chǔ)能介質(zhì)的規(guī)模優(yōu)勢(shì)和能量密度優(yōu)勢(shì)，充分與可再生能源發(fā)電結(jié)合，不斷向儲(chǔ)能市場(chǎng)滲透，提高氫儲(chǔ)能在儲(chǔ)能市場(chǎng)的占有率。

針對(duì)大型汽車市場(chǎng)，在公交大巴領(lǐng)域以氫安全性為切入點(diǎn)，突出固態(tài)儲(chǔ)氫對(duì)人身安全的保障。在重型貨車領(lǐng)域以體積密度優(yōu)勢(shì)作為切入點(diǎn)，考慮重型貨車的長(zhǎng)途運(yùn)輸需求，再結(jié)合高壓復(fù)合技術(shù)可使儲(chǔ)氫系統(tǒng)在同等體積下可儲(chǔ)存更多氫氣，提升重型貨車的續(xù)航里程。

總之，稀土系儲(chǔ)氫材料在氫能產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的背景下面臨著空前的發(fā)展機(jī)遇。隨著氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大，高密度稀土儲(chǔ)氫材料將在交通運(yùn)輸、加氫站、儲(chǔ)能和分布式發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間，為支撐氫能產(chǎn)業(yè)成為具有萬(wàn)億級(jí)市場(chǎng)規(guī)模的綠色能源體系提供有力保障。

5.結(jié)語(yǔ)

氫能既可以大規(guī)模儲(chǔ)存，又可以跨區(qū)域跨季節(jié)的調(diào)度，可以成為連接不同能源形式（氣、電、熱等）的橋梁，并與電力系統(tǒng)（核電、風(fēng)電、光電等）互補(bǔ)協(xié)同，是跨能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化的理想互聯(lián)媒介，在分布式能源供應(yīng)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可提供環(huán)保、安全和高效的能源保障。內(nèi)蒙古地區(qū)是我國(guó)稀土資源最豐富的省區(qū)，尤其是鑭鈰稀土產(chǎn)能過(guò)剩，同時(shí)，內(nèi)蒙古地區(qū)的風(fēng)電和光伏資源豐富，存在較多的棄風(fēng)和棄電現(xiàn)象，而生產(chǎn)稀土系儲(chǔ)氫材料恰恰需要使用大量的鑭鈰元素。所以，如能將風(fēng)電制氫、光電制氫與稀土系儲(chǔ)氫材料固態(tài)儲(chǔ)氫相結(jié)合，就能使這兩種優(yōu)勢(shì)資源協(xié)同發(fā)展，走出一條有中國(guó)特色的氫能發(fā)展之路。