镁基固态储氢行业市场分析

镁基固态储氢行业市场分析1.储氢行业发展及市场概述1.1.氢能低碳环保，国家政策助力稳定发展氢能是一种来源丰富的二次能源，应用场景广泛。氢能的利用形式包括将水、风、光能等一次能源以氢的形式进行再存储，通过燃料电池发电的形式满足电力供应的需求，最大限度地跨地区、跨季节利用可再生能源，与绿色能源发电协同互补，可广泛应用于能源、交通运输、工业、建筑等领域。既可以直接为炼化、钢铁、冶金等行业提供高效原料、还原剂和高品质的热源，有效减少碳排放；也可以通过燃料电池技术应用于汽车、轨道交通、船舶等领域，降低长距离高负荷交通对石油和天然气的依赖；还可应用于分布式发电，为家庭住宅、商业建筑等供电供暖。氢能清洁低碳，是实现碳中和目标重要方式。氢能逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一，亦是推进我国能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，实现“碳达峰、碳中和”目标的重要途径。根据国际能源署预计，到2050年，氢能将满足全球18%终端能源需求，欧洲、美国、日本、韩国等国家纷纷将氢能作为能源技术革命的重要方向和未来能源战略储备的重要组成部分。氢能主要分为灰氢、蓝氢和绿氢三种。灰氢是通过化石燃料（天然气、煤等）转化反应制取氢气。由于生产成本低、技术成熟，也是目前最常见的制氢方式。由于会在制氢过程中释放一定二氧化碳，不能完全实现无碳绿色生产，故而被称为灰氢；蓝氢是在灰氢的基础上应用碳捕捉、碳封存等技术将碳保留下来，而非排入大气。蓝氢作为过渡性技术手段，可以加快绿氢社会的发展；绿氢是通过光电、风电等可再生能源电解水制氢，在制氢过程中将基本不会产生温室气体，因此被称为“零碳氢气”。绿氢是氢能利用最理想的形态，但目前受制于技术门槛和较高的成本，实现大规模应用还有待时日。绿氢是实现碳中和重要路径，可再生能源电解水制氢潜力巨大。为实现“碳达峰、碳中和”，我国要求加快推进绿色氢能与可再生能源应用、推进可再生能源电解制氢的降碳工程。从技术路径来看，可再生能源电解水制氢、CCUS化石能源制氢、生物质制氢是未来三种低碳制氢的技术选择。从全球在建或计划项目来看，基于低碳制氢技术的氢气产量在2030年前会保持迅速增长，到2050年，全球51%氢气产量将由可再生能源电解水制氢技术提供。因此，可再生能源电解水制氢被视为未来最有潜力的制氢技术。氢气能源属性提升，作为国家能源安全新战略能源选项之一。随着近年来全球主要经济体陆续提出2050净零排放目标，氢气作为二次清洁能源，其能源属性逐渐凸显，应用领域将逐步拓展至电力、交通、建筑等场景。从全球趋势来看，国外发达国家已经明确氢能源于能源体系中的地位；从国内来看，能源结构正在由化石能源主导转向清洁能源，氢能作为现有化石燃料的理想替代品，具备巨大的发展空间。《中华人民共和国能源法》征求意见稿中将氢列为一种能源，围绕能源安全新战略、支持能源碳达峰、碳中和目标任务，国家能源局《2022年能源行业标准计划立项指南》也要求要加快电解质制氢及综合应用以及氢电耦合技术等氢能关键技术的突破。氢气能源的发展受到国外相关政策的支持。据欧洲议会，2022年12月欧盟确定碳边境调节机制(即碳关税)将从2026年正式起征，2023年10月至2025年底为过渡期。同时从2026年开始削减欧盟企业免费配额，逐步到2034年实现全部取消。碳关税征收行业主要包括钢铁、铝、水泥、化肥、电力、有机化学品、氢、氨等，同时纳入间接碳排放（制造商使用的外购电力、热力产生的排放）。1.2.氢能产业链及储氢根据产业链划分，氢能可以分为上游的氢气制备、中游的氢气储运和下游的氢气应用等众多环节。上游主要包括化石能源重整制氢、工业副产气制氢、可再生能源电解水制氢三种主流制取方式以及试验阶段的其他技术。其中，化石能源重整是目前最主要的氢气制备方法，成本最低，但会排放较多二氧化碳；而工业副产气制氢无法作为集中供氢来源；电解水制氢过程无碳排放，但能耗大，电力成本极高，目前占比较低。中游主要包括氢气储存运输和氢气加注两大环节。氢气可以高压气态、低温液态、有机液态和固态四种方式储存，其中，气态氢是目前主要的储存方式，可使用长管拖车、管道运输两种方式运输。长管拖车是我国目前主要的氢气运输方式，适宜短距离、小规模输送；管道运输运量大、成本低，但建设投资大，目前应用极其有限。加氢站按照氢气来源可分为外供氢加氢站和站内制氢加氢站。下游的应用领域包括交通运输、工业、储能和建筑热电联供等。氢的储运是“制储输用”氢能产业链中的瓶颈问题。目前储氢有高压气态储氢、液态储氢和固态储氢3种方式。高压气态储氢技术成熟，是目前我国最常用的储氢技术。高压气态储氢即通过高压将氢气压缩到一个耐高压的容器中，高压容器内氢以气态储存，氢气的储量与储罐内的压力成正比。通常采用气罐作为容器,简便易行,其优点是存储能耗低、成本低（压力不太高时）,且可通过减压阀调控氢气的释放,因此，高压气态储氢已成为较为成熟的储氢方案。目前，高压气态储氢容器主要分为纯钢制金属容器（I型）、钢制内胆纤维缠绕容器（Ⅱ型）、铝内胆纤维缠绕容器（Ⅲ型）及塑料内胆纤维缠绕容器（Ⅳ型）4个类型。我国推广的氢燃料电池车大多采用公称工作压力为35MPa的Ⅲ型车载储氢瓶，70MPaⅢ型储氢瓶已开始应用推广。液态有机物储氢可实现氢在常温常压下液态输运。有机液态储氢是通过加氢反应将氢气与甲烷（TOL）等芳香族有机化合物固定，形成分子内结合有氢的甲基环己烷（MCH）等饱和环状化合物，从而可在常温和常压下，以液态形式进行储存和运输，并在使用地点在催化剂作用下通过脱氢反应提取出所需量的氢气。液态有机物储氢使得氢可在常温常压下以液态输运，储运过程安全、高效，但还存在脱氢技术复杂、脱氢能耗大、脱氢催化剂技术亟待突破等技术瓶颈。若能解决上述问题，液态有机物储氢将成为氢能储运领域最有希望取得大规模应用的技术之一。2.镁基固态储氢材料研究进展2.1.固态储氢技术固态储氢系统是目前最可靠、最安全、最高体积效率的储氢方式。相比于高压气态储氢和低温液态储氢，固体材料储氢能很好的解决传统储氢技术储氢密度低和安全系数差的问题。固体材料储氢机理总体上可分为两类，即物理吸附储氢和化学吸收储氢。物理吸附储氢材料包括碳质吸附材料、金属有机骨架和沸石等。氢气被吸附在材料的微孔、骨架或管结构上，不伴随化学反应的发生。对于化学吸收储氢，材料主要有各类金属合金、金属氢化物、配位氢化物以及氢气水合物等，有化学反应的发生，氢气被存储在金属氢化物的合金晶格中。在目前的储氢方式中，固态储氢系统是最可靠、最安全、最高体积效率的储氢方式。储氢材料是可以在一定的温度和压力下与氢气发生反应，并且能可逆吸放氢气的一种材料。储氢材料的种类非常多，主要可以分为物理吸附材料和化学储氢材料。物理吸附材料又可以分为金属有机框架和碳材料，化学储氢材料又可以分为金属氢化物和非金属氢化物。其中，稀土储氢材料市场占比高达90.55%。固态储氢材料中的主要合金材料有AB5、AB2和AB型储氢合金，其储氢容量分别为1.5%、2.0%和1.8%，钛钒固溶体合金和镁基合金储氢容量可达3.8%和7.6%，除此以外，由Li、B、N、Mg和Al等轻质元素组成的金属氢化物也显示出巨大潜力。储氢合金是指在一定温度和氢气压力下，能可逆地大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物。合金储氢机理简述就是：在一定的温度和压力下，金属和氢气接触会发生反应，生成金属氢化物来进行储氢，金属氢化物经加热又可以释放出氢，由此实现合金的循环储氢。镁由于其丰富的储量，较高的理论储氢量（7.6wt%）和体积储氢密度（110kg/m3H2），低廉的成本价格，且单质镁可以在高温条件下与氢气反应生成MgH2，故MgH2/Mg体系被认为是最有潜力的储氢体系之一。将储氢材料应用于固态储氢装置中，除需考虑罐体的耐压强度以及气密性外，还需考虑装置的传热传质和使用寿命等。储氢材料在吸/放氢过程中伴随着热效应的产生，热量在储氢床体中的集聚或散失速度决定了床体的温度场分布，而温度场的变化又将直接影响储氢材料的吸放氢速度和容量。固态储氢罐体结构的设计主要包括外部换热和内部换热，储氢床体的改进主要包括添加导热材料、压制成型和床体结构优化。固态储氢应用可分为固定式应用和移动式应用。其中固定式应用包括：分布式热电联供、制氢现场缓存、储热和金属氢化物压缩机等领域的应用，移动式应用包括车（船）载储氢、运氢等领域的应用。固定式应用对固态储氢系统的重量要求不高，但对储氢系统的安全性、寿命和成本提出了较高要求。固态储氢产业的研发现状活跃，该领域具有巨大的发展空间。从固态储氢系统市场潜力来看，由于整体技术较为前沿，当前仅有示范性项目，随着技术突破及氢能汽车的应用推广，我们预计未来几年固态储氢系统，尤其是车载固态储氢系统市场规模将快速增长。2.2.镁基固态储氢技术2.2.1.镁基储氢原理及水解产氢利用镁基储氢材料供氢主要有热分解放氢和水解产氢2种途径。MgH2的热分解放氢焓值高（75kJ/molH2），造成其放氢温度较高、动力学差；MgH2的水解过程中，由于常温水解产物Mg(OH)2逐渐包裹在MgH2表面，阻隔了MgH2与水的接触，从而导致水解产氢效率较低。MgH2水解产氢是一种简易、高效的制氢手段。MgH2与液态水反应生成Mg(OH)2和H2；在高温下与水蒸气反应生成MgO和H2（反应温度高于330℃）。MgH2水解反应可以在较为温和的条件下（室温、常压）进行，且理论产氢量是MgH2热解放氢的2倍，为15.2%（wt）。MgH2水解制氢燃料电池系统通过MgH2水解制取氢气，再将氢气导入氢燃料电池发电，其优点在于能量密度高、安全性高，且产物Mg(OH)2无毒并可回收利用，适用于千瓦量级以下的中小型备用电源、无人机、水下潜航器等。随着水解反应的进行，水解产物Mg(OH)2逐渐包裹在MgH2表面，阻隔了MgH2与水的接触，从而抑制了水解反应的进行。一般可通过改变水解环境、加入催化剂、减小颗粒尺寸等方式来改善MgH2的水解性能。通过改变水解环境的方法，可以改善MgH2的水解性能。在溶液中加入酸能够有效地溶解Mg(OH)2，从而达到破坏保护层的目的。研究表明，当多次加入9.2%（wt）H2SO4时，放氢主要在加入强酸的一瞬间发生。而当加入柠檬酸，多次加入等量水，可以发现放氢反应均匀进行，因此弱酸性柠檬酸也可有效破坏Mg(OH)2保护层，使放氢反应持续进行。加入催化剂可以提高MgH2的水解性能。通过电弧等离子体法、高能球磨法将过渡金属单质、氧化物、卤化物等与MgH2复合对其表面进行改性，也可显著提升MgH2水解性能。研究发现，添加MgIn、MgAg等金属氧化物在与MgH2球磨混合过程中作为助磨剂，增加了MgH2颗粒的新鲜表面，从而有效提升了MgH2水解产氢效率。减小颗粒尺寸同样可以改善MgH2的水解性能。减小MgH2颗粒尺寸使有效水解面积增加也会提升镁基储氢材料的水解产氢性能，其微观反应机制主要是颗粒尺寸越小，与水的接触面积越大，水解反应更加剧烈。此外，水解生成的Mg(OH)2对小颗粒的包覆作用更小，也会有助于水解的完成。2.2.2.镁基固态储氢性能改善方向镁基储氢材料具有储氢量高、镁资源丰富以及成本低廉等优点，被认为是极具应用前景的一类固态储氢材料。Mg基储氢材料的综合吸放氢性能不仅与热力学性能有关，还与动力学性能有关。动力学性能评估主要聚焦于材料吸放氢反应速率方面，而这主要由材料自身结构以及特定条件吸放氢反应机制来决定。镁吸放氢体系由金属初始态向具有较低能态的金属氢化物终态转变前，需要越过一个激发能态。由于MgH2高热力学稳定性（ΔH=76kJ/mol）和较差的动力学性质，MgH2只能在高温下（≥300℃）才有优异的吸附氢性能，且在吸放氢循环中，MgH2/Mg颗粒的团聚和长大导致循环稳定性差。因此，为了使MgH2在储氢应用中得到广泛应用，必须调整其热力学和动力学性能。目前在改善MgH2/Mg体系储氢性能方面，多使用纳米化、合金化、添加催化剂、复合轻金属配位氢化物等方法。通过使用纳米化的方法可以改善MgH2/Mg体系储氢性能。镁基储氢材料的动力学性能在很大程度上取决于镁基材料的粒径，因为纳米化能够缩短氢的扩散和离解途径，增大材料表面自由能，当尺寸小于几纳米时甚至改变了热力学性能。气相沉积法是基于电弧产生高温使金属瞬间蒸发,在氢气等气体作用下使金属原子经历蒸发、形核、长大、凝聚等一系列过程的一种制备纳米材料的方法，可以用来沉积大多数金属及合金材料。气相沉积法制备的材料的储氢性能应该更为优异。合金化的方式效果显著。合金化改性的原理是镁与其他元素形成热力学不稳定的合金相，储氢时反应路径发生改变，从而降低了吸放氢反应温度。尽管合金化可以一定程度降低储氢材料的反应焓变，改善动力学性能，但是相比于纯镁，镁基储氢合金的储氢量会不同程度地降低。添加催化剂同样可以改善储氢性能。掺杂催化剂已被证明可以显著提高MgH2的动力学性能，而不会过度损失其储氢容量。催化剂的加入可以有效地降低反应能垒，从而加快吸放氢速率。理论研究证实，具有特殊三维轨道态的过渡金属更倾向于与氢原子形成共价键，这意味着催化剂作为活性位点可以在其表面加速氢分子的解离和重新结合，增强MgH2的氢吸收/解吸动力学。此外，金属氧化物在氢化过程中可原位获得金属基活性位点从而催化Mg吸放氢反应，因此也可以用作改善MgH2储氢性能的催化剂。2.2.3.镁固态储氢系统研究进展及应用场景Mg基储氢材料体系的质量储氢密度为4~7.6wt%，可以在常温常压下进行氢气的存储和运输。与高压气态储氢方式相比，固态储氢具有高储氢密度和高安全的优势，这也降低了对附属设备的要求。固态储氢罐，主要包括固态储氢材料、壳体、气体管道及过滤器、鳍片、金属泡沫、加热管等强化传热介质，预置空余空间等。镁基固态储氢系统研究进展前景较好。法国McPhy公司在2010年前后开发了以Mg基合金为储氢介质的Mc-Store储氢系统，单罐储氢量可达5kg；澳大利亚的Hydrexia公司在2015年设计出了基于Mg基合金的储运氢装备，单车储运氢量700kg，可用于氢气的大规模安全储运；上海交通大学与氢储（上海）能源科技有限公司合作研制出中国首个70kg级Mg基固态储氢装置原型，并与宝武清洁能源有限公司合作开发了名为“氢行者”的“太阳能发电-电解水制氢-Mg基固态储/供氢”撬装式一体化氢能源系统，首次实现了Mg基储氢合金体系的示范化应用。镁基储氢系统的工程产业化仍处起步阶段，许多瓶颈问题亟待解决。尽管镁基固态储氢系统较现有储氢方式具备优势，但存在综合性能目前不能满足车载储氢要求、技术层面不成熟、成本偏高、固态储亲系统耦合集成其他应用系统的设计不完善等问题。中国镁年产量占全球85%以上，原料来源丰富且成本低。因此，Mg系储氢合金适合用于氢气的规模储运应用场景，可用于氢冶金、规模储能、加氢站等应用场景的氢气储存与运输。目前国内外正在开发面向应用场景的Mg基固态储运氢技术，但技术水平仍处于产业化初期阶段，仍需解决材料的规模低成本制备、大容量储氢罐设计、高温余热耦合集成等技术，实现储氢合金的高效安全吸放氢。上海交通大学氢科学中心丁文江院士团队自主研发的高性能镁基固态储氢材料原材料为镁，资源丰富；理论储氢密度高达7.6wt.%，储氢量极高；循环3000次储放氢密度无明显衰，并且可以实现常温常压下储运。是一种最具应用价值和市场前景的固态储氢材料！通过对材料结构和制备工艺创新，已经成功研发了国际领先的低成本批量化材料生产技术，全球首创的不同应用场景下固态储氢材料的可控放氢技术，以及工业化生产设备。3.镁基固态储氢市场空间及企业布局3.1.受益“双碳”政策，氢能市场空间广阔中国在发展氢能上具备良好的资源禀赋条件，2021年中国氢气产量约33百万吨，是世界第一大产氢国。2020年9月，“双碳”目标的提出带动氢产量快速提升，2021年我国氢能产量达3,300万吨，同比增长32%。与此同时，以燃料电池为代表的下游需求强势增长，带动氢能市场规模快速扩张。根据中国氢能联盟数据，2020年中国氢能行业市场规模为3,000亿元，预计至2025和2035年，氢能行业产值将分别达1万亿和5万亿规模。氢燃料电池以氢气为燃料，通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变为电能的发电装置，具有能量转换效率高、零排放、无噪声等优点，可广泛应用于汽车、便携式发电和固定电源等多种领域。燃料电池工作时一般会经过如下三个过程，第一，进行反应的氢气先在气体扩散层内扩散；第二，氢气被催化剂层的催化剂吸附后离解；第三，氢离子从燃料电池的阳极通过质子交换膜到达阴极与氧气反应，电子通过外电路到达阴极产生电。只要向燃料电池的阳极和阴极持续供给氢气和氧气或空气，外电路就会持续产生直流电。氢燃料电池汽车在“十五”期间即被确立为新能源汽车发展的主要技术路径之一。在《国家创新驱动发展战略纲要》、《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》、《中国制造2025》、《汽车产业中长期发展规划》中均明确了氢能与燃料电池产业的战略地位。受国家即地方出台并落实具体政策、加氢成本及燃料电池系统成本下降等因素的驱动，预计燃料电池汽车销量将于2026年超过48.2千辆；2017年至2021年，在燃料电池汽车产销量增长的驱动下，中国燃料电池系统销量由1,500套增长至2,200套，复合年增长率为9.0%，并预计将于2026年达到年销量52,900套，2021年至2026年复合年增长率为89.5%。基于我国“碳达峰、碳中和”的战略背景，燃料电池汽车或将与电动汽车共同成为中国新能源汽车产业的重要发展方向，特别是在续驶里程更长、动力能量密度要求更高的中型和重型卡车领域，燃料电池汽车相较于电动汽车具备明显的优势。供氢系统产业正处于发展初期，不断有新企业加入行业内并进行技术优化和产品创新。中国加氢站发展迅速。作为燃料电池车的配套基础设施，中国加氢站发展也正在提速。全球加氢站数量自2016年至今保持快速增长，预计到2030年依然将保持高速增长态势。截至2021年底，全球共建成在运营加氢站685座加氢站。2016-2021年全球加氢站数量复合增长率为20.11%。3.2.镁矿资源丰富，镁基储氢发展具备条件中国菱镁矿资源以及原镁产量全球领先。镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，镁在宇宙中含量第八，地壳丰度为2%，海水中含量第三。根据中国有色金属工业协会数据显示，预计2022年我国原镁产量89.36万吨左右。世界上所利用的镁资源主要是菱镁矿。根据美国地质调查局统计数据，作为世界上镁资源最为丰富的国家之一，我国的镁资源不仅不存在对外依存度的问题，而且向全世界供应了大部分的资源来源。2021年，我国菱镁矿产量约为2,100.00万吨，占全球菱镁矿总产量的70.00%，是世界上菱镁矿产量最多的国家。从国内镁行业产能及产量来看，据中国有色金属协会镁业分会数据，2021年我国原镁行业产能为137.61万吨，同比增长0.28%，产量达到94.88万吨，同比减少1.27%；下游深加工产量镁合金和镁粒（粉）产量情况为：镁合金产量36.05万吨，同比增长5.35%，镁粉产量9.14万吨，同比下降18.03%。2022年预计原镁产量为89.36万吨。2019年我国原镁市场规模为77.35亿元，2020年受产品价格下降的影响，我国原镁市场规模下滑至72.05亿元，2021年随着镁的价格上涨，原镁市场规模随之增长。镁价回落，成本端助力镁基储氢发展。从镁锭市场价格来看，在2021年年初市场价格持续增长，2021年09月市场价格达到51346元/吨，2022年市场价格走低，目前回落到26550元/吨(2023.05.19价格)。根据研究，自2023年以来至今，由于需求延续平淡，镁行业仍处于去库存阶段，供过于求的关系未有明显改善。再叠加煤炭价格持续回落，原镁成本进一步下降，留给镁价持续下降空间。在此供需格局下，镁价有望继续下行，由此对镁基储氢的降本将保有优势。4.重点公司分析4.1.山西银光华盛镁业股份有限公司山西银光华盛镁业股份有限公司下辖11个分公司，总资产13亿元，拥有年产原镁6.5万吨、镁合金3万吨、镁深加工产品5万吨的产能。其原镁产量仅次于云海金属。近年来，公司深入践行新发展理念，坚持创新引领、数字赋能、绿色转型，产业转型升级提速增效，高质量发展势头强劲。目前公司的压铸、挤压、锻压、轧板、铸造等7条深加工生产线已全部实现产业化生产，形成门类齐全、技术完整的镁深加工体系，为全国镁产业的转型升级起到了示范带动作用。注重提高技术研发能力和垂直一体化的生产能力。公司目前拥有国家认定企业技术中心、国家地方联合工程中心、博士后科研工作站，山西省镁铝合金创新中心也于2021年下半年投入运行，进一步增强了企业的技术研发能力。公司与国内20余家知名科研