لماذا تكلفة الحفاز هي العقبة الحرجة في إنتاج الهيدروجين الأخضر

ما زال تكلفة إنتاج الهيدروجين الأخضر عند حوالي 3.8 إلى 11.9 دولارًا أمريكيًا لكل كيلوجرام، وهو ما يجعله أعلى بكثير من التكلفة التي ندفعها مقابل البدائل الأحفورية مثل إصلاح الميثان بالبخار، والتي تتراوح بين 1.5 و6.4 دولارًا أمريكيًا لكل كجم. ويؤدي هذا الفارق السعري إلى صعوبة في توسيع العمليات. وتظل المصروفات الرأسمالية للخلايا الكهربائية (Electrolyzer) مصروفًا رئيسيًا، خاصةً في أنظمة غشاء تبادل البروتون (PEM)، التي تتراوح تكلفتها عادةً بين 800 و1,500 دولارًا أمريكيًا لكل كيلوواط. وتكشف النظرة الأقرب إلى هذه التكاليف عن أمر مثير للاهتمام: إن معظم هذه الأموال تنفق على العوامل الحفازة. فمعادن مجموعة البلاتين مثل الإيريديوم والبلاتين تمثل ما يقارب نصف تكلفة وحدات (PEM). وبالنسبة لأقطاب (PEM) الموجبة وحدها، نحتاج إلى حوالي 1 إلى 2 مليجرام لكل سنتيمتر مربع من الإيريديوم، وهو معدن نادر جدًا ومرتفع الثمن لدرجة أن أسعاره غالبًا ما تتجاوز 7,400 دولارًا أمريكيًا لكل كجم. ويزداد الأمر سوءًا لأن الإمدادات العالمية لا تستطيع مجاراة النمو المتوقع في الطلب. ويؤدي هذا الاعتماد على مواد نادرة إلى مخاطر تتعلق بكل من السيطرة على التكاليف واستقرار سلاسل التوريد. وللوصول إلى الهدف الصناعي المتمثل في 150 دولارًا أمريكيًا لكل كيلوواط بالنسبة للخلايا الكهربائية مع السعي لتحقيق هيدروجين بسعر 1 دولار أمريكي لكل كجم، سيكون من الضروري تحقيق تخفيضات كبيرة في تكاليف وكميات استخدام العوامل الحفازة. وقد تكون خلايا التحليل الكهربائي باستخدام غشاء تبادل القلوي (AEM) هي الحل البسيط الذي يمكن أن يحقق هذه الأهداف على نطاق واسع.

هندسة الكهربائيات AEM: تمكين تحميل منخفض للغاية من المحفزات غير القائمة على المعادن النبيلة

الغشاء الموصل للهيدروكسيد يمكّن التشغيل المستقر باستخدام أكاسيد النيكل والحديد

تعمل الأغشاغ الشااعبة للأنيونات (AEMs) عن طريق توصيل الأيونات الهيدروكسيدية (OH-)، مما يخلق بيئة قلوية تختلف كثيرًا عن الظروف الحمضية الموجودة في أنظمة PEM. إن الطبيعة القلوية تساعد فعلاً على تثبيت المحفزات غير المبنية على الفلزات الثمينة مثل أكاسيد النيكل والحديد في الجهة المثبتة بالأنود. هذا يعني أن نحصل على نشاط جيد لتفاعل تطوير الأكسجين (OER) دون أن تتفكك هذه المواد بسرعة كبيرة. لسنوات كانت الاستقرار مشكلة كبرى تعيق تطوير المحفزات غير المبنية على الفلزات الثمينة، لكن الأمور تغيرت مؤخراً. التطورات الجديدة في كيمياء الأغشاغ إلى جانب تحسين تصميم الأقطاب تسمح لهذه الأنظمة بالعمل بشكل مستقر عند كثافات تيار صناعية تتجاوز 0.5 أمبير لكل سنتيمتر مربع لأكثر من آلاف الساعات التشغيلية. ما يجعل الأغشاغ AEM الحديثة ذات قيمة كبيرة هو قدرتها على منع جزيئات المحفز من الذوبان أثناء التشغيل. فهي تحافظ على متطلبات التوصل الأيوني حتى عند ت fluctuation في الأحمال، مما يلغي الحاجة إلى الفلزات النبيلة باهظة الثمن لمجرد مقاومة التآكل. وينتج عن هذا في النهاية معدات ذات عمر افتراضي أطول بكثير بشكل عام.

المقارنة: تحميل الإريديوم في AEM مقابل PEM

تُظهر اختلافات التحميل بالعامل الحفاز الت advantage الهيكلي لـ AEM. فمُحلّل PEM الكهربائي يعتمد بشكل حصري على أقطاب أنودية من أكسيد الإريديوم (IrO₂) لتحمل الظروف الحمضية المسببة للتcorrosion. على العكس، تعمل أنظمة AEM إما باستخدام:

• عوامل حفازة غير-PGM (مثل أوكسيهيدروكسيد النيكل والحديد)، والتي لا تتطلب أي كمية من الإريديوم، أو
• طلاءات PGM بكميات ضئيلة جدًا ، عادة أقل من 0.1 مغ/سم²، وتُستخدم فقط لتحسين الأداء بشكل هامشي.

يمثل هذا تخفيضًا كبيرًا في استهلاك الإريديوم. يلخص الجدول أدناه الآثار الرئيسية:

يؤدي التحميل الأقل مباشرة إلى خفض استثمارات وحدة التخزين (CAPEX) بنسبة حوالي 30٪، ويُحصن المشاريع من تقلبات أسعار المعادن البلاتينية (PGM)، وهو أمر بالغ الأهمية لتمويل المشاريع على المدى الطويل وضمان قابليتها للتمويل المصرفي.

مزايا المادة والتصميم والحجم التي تقلل من تكلفة استثمارات وحدة التخزين (CAPEX) للمحفزات المستندة على غشاء AEM

المحفزات المتوفرة بكثرة في الطبيعة تقلل الاعتماد على المواد الخام وتقلل من مخاطر التقلبات السعرية

تستبدل أجهزة التحليل الكهربائي ذات غشاء التبادل القلوي (AEM) الإيريديوم، وهو معدن نادر يُنتج عالميًا بمعدل يتراوح بين 7 و10 أطنان سنويًا، بالنيكل والحديد. هذه البدائل أكثر وفرة بنحو 10000 مرة، وتُتداول في أسواق عالمية مستقرة ذات حجم تداول كبير. تُنفق أنظمة غشاء تبادل البروتونات (PEM) التقليدية ما بين 40 و60 بالمئة من نفقاتها الرأسمالية على المعادن النفيسة، بينما تُعيد تقنية AEM توجيه هذه الأموال نحو مواد أرخص وأكثر توفرًا. تُظهر الأبحاث المنشورة في مجلات علمية محكمة أن مصاعد AEM غير المصنوعة من المعادن النفيسة يمكن أن تصل إلى أكثر من 95% من نشاط تفاعل توليد الأكسجين في PEM حتى عند مستويات التيار الصناعية، مما يُقلل نفقات مواد التحفيز بنسبة تصل إلى 90%. ويُعزز تحليل ديناميكيات السوق من أهمية هذا التحول. فقد ارتفعت أسعار الإيريديوم بنسبة تقارب 800% من عام 2020 إلى عام 2023 مع انخفاض الإمدادات، بينما ظلت أسعار أكسيد النيكل والحديد مرتبطة بظروف السوق الصناعية العامة دون تقلبات حادة.

يقلل التصميم المبسط للخلية من تعقيد الت manufacturing وتكلفة دمج الحفاز

تتيح قدرة تقنية AEM على العمل في البيئات القلوية تبسيط التصميم العام لهذه الخلايا إلى حد كبير. فالأكوام الخاصة بـ PEM تتطلب جميع أنواع الأجزاء المكلفة مثل ألواح ثنائية قطب من التيتانيوم، وختمات مقاومة للحمض، ومكونات مطلية بمعادن ثمينة فقط للتصدي للتcorrosion. لكن أنظمة AEM تعمل بشكل جيد باستخدام أجزاء من الفولاذ المقاوم للصدأ العادي وختمات بوليمرية عادية. وفيما يتعلق بتطبيق طبقات الحفاز، فإن الصانعين لديهم خيارات قابلة للتوسيع واقتصادية. تقنيات مثل الطلاء بالرش أو الترسال المستمر تُعد مناسبة جيدًا، ما يعني أن الشركات لا تحتاج للاستثمار في معدات ترذيب الفراغ المكلفة أو العمليات الحرارية المعقدة المطلوبة لإنتاج الطبقات الرفيعة جدًا من الإيريديوم المستخدمة في تقنية PEM. وتساهم كل هذه التحسينات في التصميم في خفض التكاليف عبر ثلاث مجالات رئيسية:

• مواد مقاومة للحمض تُستخدم في التكدس (توفر حوالي 220 دولارًا أمريكيًا لكل كيلوواط)،
• بنية تحتية لمعالجة المياه الفائقة النقاء مسبقًا،
• لوجستيات استرداد وتدوير المعادن النبيلة.

تؤكد تحليلات الصناعة أن هذه التغييرات تقلل تكاليف دمج الحفاز بنسبة 35-50٪، مما يسرع من التصنيع بكميات كبيرة ويحسن اتساق العائد.

الأثر على اقتصاديات الهيدروجين الأخضر: خفض تكلفة الهيدروجين المكافئ (LCOH) من خلال كفاءة حفاز AEM

تقلل تقنية المحلل الكهربائي AEM بشكل كبير تكلفة إنتاج الهيدروجين المُعيارية، لأنها تستهدف واحدة من أكبر مجالات الإنفاق في أنظمة المحلل الكهربائي: المواد الحفازة. بدلاً من استخدام الإيريديوم المكلف، تستخدم هذه الأنظمة مركبات قائمة على النيكل والحديد، والتي تبلغ تكلفتها أقل بنسبة 80 إلى 90 بالمئة تقريباً. علاوة على ذلك، فإنها تتطلب تقريباً لا شيء من التحميل الحفاز على الإطلاق. يقلل هذا النهج من تكلفة المواد دون المساس بمستويات الأداء، التي تظل متمزة وتتراوح بين كفاءة 70 و75 بالمئة عند التشغيل بتيار 1 أمبير لكل سنتيمتر مربع. وبما أن تكلفة الحفازات تمثل عادةً ما بين 25 و40 بالمئة من التكلفة الإجمالية للمحلل الكهربائي، فإن إجراء هذه التحويلة وحدها يؤدي إلى تخفيضات كبيرة في المصروفات الرأسمالية. تتضاعف الفوائد عندما ننظر إلى عوامل أخرى أيضاً. فتصميم الأجهزة المبسط، وعمليات الت manufacturing الأسهل، والتشغيل الموثوق حتى عند التعامل مع مدخلات الطاقة المتجددة المت fluctuating، كلها عوامل تسهم في تحسين الجدوى الاقتصادية. عند التوسع، قد تتمكن أنظمة AEM بشكل محتمل في خفض أسعار الهيدروجين إلى أقل من 2 دولارات لكل كيلوغرام، محققة بذلك ذلك الرقم السحري اللازم للمنافسة بفعالية في الصناعات التي يصعب فيها إزالة الكربون بشكل خاص، مثل إنتاج الفولاذ الأخضر وقطاعات النقل الثقيلة. ومع زيادة المصنعين لأحجام الإنتاج، تبدأ وفورات الحجم بالعمل من خلال تأثيرات منحنى الت تعلم، مما يعزز موضع AEM كلاعب رئيسي في جعل الهيدروجين الأخضر ميسوراً وقابلًا للتطبيق على نطاق الأسواق العالمية.

الأسئلة الشائعة

لماذا يعتبر تكلفة العامل الحفاز أمرًا بالغ الأهمية في إنتاج الهيدروجين الأخضر؟

تُعد تكلفة العامل الحفاز عاملًا رئيسيًا لأن المواد المستخدمة، مثل الإيريديوم والبلاتين، باهظة الثمن وترفع بشكل كبير النفقات الرأسمالية لأجهزة التحليل الكهربائي مثل أنظمة PEM.

كيف تقلل أجهزة التحليل الكهربائي AEM من هذه التكاليف؟

تستخدم أجهزة التحليل الكهربائي AEM موادًا وافرة في الطبيعة مثل النيكل والحديد، وهي مواد أرخص بكثير، وبالتالي تقلل بشكل كبير من نفقات مواد العوامل الحفازة.

ما كفاءة أنظمة AEM مقارنةً بأنظمة PEM؟

بشكل عام، تحقق أنظمة AEM كفاءة تتراوح بين 70 و75 بالمئة، كما تستفيد من انخفاض التكاليف وتحسين الاستقرار مقارنةً بأنظمة PEM.

هل يمكن إنتاج الهيدروجين الأخضر بتكلفة تنافسية؟

نعم، مع التطورات في تقنية AEM، يمكن تخفيض تكاليف الهيدروجين الأخضر إلى أقل من 2 دولار لكل كيلوجرام، مما يجعلها منافسة للوقود الأحفوري.