镁行业更新：镁基储氢：打开镁行业广阔前景

投资建议：我们认为氢能作为最易推广的环保清洁能源，在全球各国的政策支持和导向下，发展前景可观。在诸项技术中，固态镁基储氢发展优势明显，将为镁行业需求打开新的增长空间。推荐：云海金属。 氢能是清洁能源，具备国家能源安全战略属性。氢能具有来源广泛、清洁环保、灵活高效等特点，既是清洁能源，又是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生源大规模发展的理想互联媒介。随着近年来全球主要经济体陆续提出2050年净零排放目标，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。 氢能产业链可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。 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。目前储氢主要有三条技术路线，即气态、液态、固态储氢技术。在三者之中，固态储氢由于其高体积储氢密度、高安全性、低远程运输成本等特点，是最具商业化发展前景的储存及运输方式之一。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，因此具备最可靠、最安全、最高体积效率的储氢方式特性。其中，镁基固态储氢(MgH2/Mg)储氢体系因其储氢密度高（质量储氢密度为7.6%（wt），体积储氢密度为110kg/m3 ）、镁储量丰富（地壳中Mg元素丰度排在第8位）、安全性、结构稳定性高、优点，适用场景广泛，是极具潜力的储氢体系。 氢能行业发展迅速，将为镁行业需求打开广阔前景。2021年中国氢气产量约33百万吨，同比增长32%，是世界第一大产氢国。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5万亿元规模；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。行业发展叠加本国优质资源条件助力镁基固态储氢行稳致远。 风险提示：政策执行不及预期；固态储氢技术研发不及预期。 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。 图1：氢能应用场景广泛 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。 图2：氢能产业链 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。 表1：氢能按照按碳排放强度分类 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。 表2：不同制氢方式的二氧化碳排放量表 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。 表3:近年来氢能相关政策支持 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）。 表4:海外氢能相关支持政策 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。 图3:氢能产业链涉及部分企业 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。 图4:目前主要储氢方式有三种 表5:主要储氢技术的优缺点及应用 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，70 MPaⅢ型储氢瓶已开始应 用推广。 图5:不同类型车用高压气态储氢瓶对比图 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。 图6:氢气有机液态储运过程示意图 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。 图7:固态金属储氢原理 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%。 图8:固态储氢材料分类 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。 表6：典型的储氢合金及其储氢性能 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/m3 H2 ），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。 图9:金属(镁)基储氢材料的氢化反应过程 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。 图10：三种固态储氢装置 图11：两种储氢装置内部换热结构 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。 图12：固态储氢固定式应用——东芝自给型能源供应系统 图13：固态储氢移动式应用——低压储氢燃料电池公交车 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。 表7:固态储氢产业及研究的领军企