Защо разходите за катализатор са критичното бутонче в производството на зелен водород

Стоимостта за производство на зелен водород все още е около 3,8 до 11,9 долара на килограм, което го поставя значително над цената, която плащаме за алтернативите от изкопаеми горива като паркова метанова реформация, чиято стойност варира от 1,5 до 6,4 долара на килограм. Тази разлика в цените прави мащабирането на операциите трудно. Капиталните разходи за електролизьори остават основен разход, особено за системи с протонен размяненененен мембран (PEM), които обикновено струват между 800 и 1 500 долара на киловат. По-внимателното разглеждане на тези разходи разкрива нещо интересно: по-голямата част от парите се изразходват за катализатори. Метали от групата на платината, като иридий и платина, съставляват почти половината от разходите за PEM стекове. Само за PEM анодите се нуждаем от около 1 до 2 милиграма иридий на квадратен сантиметър, метал толкова рядък и скъп, че често надвишава 7 400 долара на килограм. Проблемът се влошава, тъй като глобалните доставки не могат да вървят със скоростта на очакваното растящо търсене. Тази зависимост от дефицитни материали създава рискове както за контрола на разходите, така и за стабилността на доставащите вериги. Постигането на индустриалната цел от 150 долара на киловат за електролизьори, докато се цели 1 долар на килограм водород, ще изисква значителни намаления в разходите и количествата на катализаторите. Електролизьорите с алкален разменен мембран (AEM) може да предложят точния простото решение, необходимо за постигане на тези цели в мащаб.

Архитектура на AEM електролизер: Възможност за ултра-ниско натоварване на катализатори без благородни метали

Хидроксидно-проводима мембрана осигурява стабилна работа с оксиди на никел и желязо

Анионобменните мембрани (AEMs) работят чрез провеждане на хидроксидни йони (OH-), създавайки алкална среда, която е доста различна от киселинната среда в системите PEM. Алкалната природа всъщност помага за стабилизиране на тези разпространени в земната кора неблагородни катализатори като никел и желязна оксиди от анодната страна. Това означава, че постигаме добра активност за реакцията на еволюция на кислород (OER), без тези материали бързо да се разрушават. В продължение на години стабилността беше голям проблем, който забавяше развитието на неблагородни катализатори, но последните години нещата се промениха. Нови постижения в химията на мембраните, както и подобрени конструкции на електродите, позволяват на тези системи да работят стабилно при индустриални плътности на тока над 0,5 A на квадратен сантиметър в продължение на хиляди часове. Онова, което прави съвременните AEM мембрани толкова ценни, е тяхната способност да предотвратяват разтварянето на катализаторните частици по време на работа. Те запазват необходимата йонна проводимост дори при променливи натоварвания, което премахва нуждата от скъпи благородни метали само за борба с корозията. Това в крайна сметка води до значително по-дълъг живот на цялото оборудване.

Сравнение: Съдържание на иридий в AEM спрямо PEM

Разликите в натоварването на катализатора подчертават структурното предимство на AEM. PEM електролизерите разчитат изключително на аноди от оксид на иридий (IrO₂), за да издържат на корозивните кисели условия. Напротив, системите с AEM работят или с:

• Катализатори без платинова група (PGM) (напр. оксихидроксиди на никел и желязо), които не изискват никакъв иридий, или
• Микродози покрития с PGM , обикновено <0,1 mg/cm², използвани само за незначително подобряване на производителността.

Това означава значително намаление на потреблението на иридий. Таблицата по-долу обобщава основните последици:

По-ниско натоварване директно намалява CAPEX на стека с приблизително 30% и предпазва проекти от волатилността на цените на плащина, което е от съществено значение за дългосрочното финансиране на проекти и тяхната банковост.

Предимства в материала, дизайна и мащаба, които намаляват CAPEX за катализатора на AEM

Катализатори от леснодостъпни материали намаляват зависимостта от суровини и риска от волатилност

Електролизьорите с алкална обменна мембрана (AEM) заменят иридия, рядък метал, който се произвежда глобално в количества от около 7 до 10 тона годишно, с никел и желязо. Тези алтернативи са приблизително 10 000 пъти по-обилни и всъщност се търгуват на стабилни пазари с висок обем по целия свят. Традиционните системи с протонна обменна мембрана (PEM) изразходват около 40 до 60 процента от капитала си за стека за скъпоценни метали от платинова група, докато технологията AEM насочва тези средства към по-евтини и по-лесно достъпни материали. Проучвания, публикувани в рецензирани списания, показват, че анодите AEM без метали от платинова група могат да достигнат над 95% от активността на PEM при реакцията за еволюция на кислород дори при индустриални токови нива, като по този начин намалят разходите за каталитични материали до 90%. Разглеждането на пазарната динамика прави този преход още по-убедителен. Цените на иридия нараснаха почти 800% между 2020 и 2023 година поради ограничени доставки, докато цените на оксиди на никел и желязо останаха свързани с общите индустриални пазарни условия, без да има подобна екстремна волатилност.

Опростената конструкция на клетка намалява сложността при производство и разходите за интегриране на катализатор

Възможността на AEM технологията да работи в алкални среди прави възможно значително опростяване на общата конструкция на тези клетки. PEM стековете се нуждаят от разнообразни скъпи компоненти, включително биполярни плочи от титан, специални уплътнения с устойчивост към киселина и части с покритие от скъпи метали, за да се противопоставят на корозия. Обаче AEM системите могат да работят напълно добре с обикновени части от неръждаема стомана и стандартни полимерни уплътнения. При нанасянето на катализаторни слоеве производителите разполагат с мащабируеми и икономични опции. Методи като напръскване или ролково нанасяне са напълно подходящи, което означава, че компаниите няма нужда да инвестират в скъпо вакуумно напръскване или сложни термични процеси, необходими за изключително тънките слоеве иридий, използвани в PEM технологията. Всички тези подобрения в конструкцията намаляват разходите в три основни области:

• Материали за киселинноустойчиви стекове (спестяване ~$220/кВт),
• Инфраструктура за предварителна обработка на ултрачиста вода,
• Логистика за възстановяване и рециклиране на скъпоценни метали.

Анализът на индустрията потвърждава, че тези промени намаляват разходите за интегриране на катализаторите с 35-50%, ускорявайки производството в голям обем и подобрявайки последователността на добива.

Въздействие върху икономиката на зеления водород: По-нисък LCOH чрез ефективност на AEM катализатора

Технологията на AEM електролизер значително намалява нивото на хидрогенна продукция, защото се насочва към една от най-големите разходни области в електролизните системи: катализаторните материали. Вместо скъпия иридий, тези системи използват съединения на никел и желязо, които струват около 80 до 90 процента по-малко. Освен това, те изискват почти никаква натовареност на катализатора. Този подход намалява разходите за материали, без да се компрометират нивата на производителност, които остават доста впечатляващи – между 70 и 75 процента ефективност при работа при 1 ампер на квадратен сантиметър. Тъй като разходите за катализатор обикновено съставляват от 25 до 40 процента от общата цена на електролизера, самото превключване води до значителни намаления в капитализираните разходи. Предимствата се умножават, когато разглеждаме и други фактори. Упростена конструкция на хардуера, по-лесни производствени процеси и надеждна работа дори при променливи входове от възобновяема енергия допринасят за по-добри икономически показатели. В мащаб, AEM системите потенциално биха могли да доведат цените на водорода под 2 долара на килограм, достигайки този магически брой, необходим за ефективна конкуренция в индустрии, където декарбонизацията е особено предизвикателна, като производството на зелен стоман и тежкотоварния транспорт. Докато производителите увеличават обемите на производство, икономиите от мащаб се проявяват чрез ефектите на кривата на учене, като утвърждават позицията на AEM като ключов играч в постигането на достъпен и осъществим зелен водород на глобалните пазари.

ЧЗВ

Защо цената на катализатора е от съществено значение при производството на зелен водород?

Цената на катализатора е основен фактор, тъй като използваните материали, като иридий и платина, са скъпи и значително увеличават капитала за електролизери като PEM системи.

Как АЕМ електролизерите намаляват тези разходи?

АЕМ електролизерите използват разпространени в земната кора материали като никел и желязо, които са много по-евтини, по този начин значително намалявайки разходите за каталитични материали.

Каква е ефективността на АЕМ системите в сравнение с PEM системите?

Обикновено АЕМ системите постигат ефективност между 70 и 75 процента, като освен това имат полза от по-ниски разходи и подобрена стабилност в сравнение с PEM системите.

Може ли зеленият водород да се произвежда при конкурентни цени?

Да, с напредъка в АЕМ технологията, разходите за зелен водород могат да бъдат намалени под 2 долара за килограм, като по този начин стане конкурентен спрямо изкопаемите горива.