সবুজ হাইড্রোজেন উৎপাদনে ক্যাটালিস্ট খরচ কেন গুরুত্বপূর্ণ বাধা

সবুজ হাইড্রোজেন উৎপাদনের খরচ এখনও প্রতি কিলোগ্রামে প্রায় 3.8 থেকে 11.9 ডলারের মধ্যে অবস্থান করছে, যা এটিকে ভাপ মিথেন রিফরমিংয়ের মতো জীবাশ্ম জ্বালানি বিকল্পগুলির চেয়ে অনেক বেশি করে তোলে, যার মূল্য 1.5 থেকে 6.4 ডলার প্রতি কেজি। এই মূল্যের পার্থক্য অপারেশনগুলি আরও বাড়ানোর জন্য কঠিন করে তোলে। প্রোটন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (PEM) সিস্টেমগুলির জন্য ইলেকট্রোলাইজারের মূলধন ব্যয় এখনও একটি প্রধান খরচ, যা সাধারণত প্রতি কিলোওয়াট 800 থেকে 1,500 ডলার খরচ হয়। এই খরচগুলির দিকে কাছাকাছি থেকে তাকালে একটি আকর্ষক বিষয় দেখা যায়: অধিকাংশ অর্থ ব্যয় হয় অনুঘটকগুলির জন্য। PEM স্ট্যাকগুলির প্রায় অর্ধেক খরচ গঠন করে প্লাটিনাম গ্রুপের ধাতু যেমন আইরিডিয়াম এবং প্লাটিনাম। শুধুমাত্র PEM অ্যানোডগুলির জন্য, আমাদের প্রতি বর্গ সেন্টিমিটারে 1 থেকে 2 মিলিগ্রাম আইরিডিয়ামের প্রয়োজন, এমন একটি ধাতু যা এতটাই বিরল এবং দামি যে এর মূল্য প্রায়শই 7,400 ডলার প্রতি কেজি অতিক্রম করে। আশা করা চাহিদা বৃদ্ধির সাথে বৈশ্বিক সরবরাহ পিছিয়ে থাকার সাথে সমস্যাটি আরও খারাপ হয়। বিরল উপকরণগুলির উপর নির্ভরতা খরচ নিয়ন্ত্রণ এবং স্থিতিশীল সরবরাহ শৃঙ্খল উভয়ের জন্যই ঝুঁকি তৈরি করে। ইলেকট্রোলাইজারগুলির জন্য $150 প্রতি কিলোওয়াট এবং হাইড্রোজেনের জন্য $1 প্রতি কেজি লক্ষ্যে পৌঁছানোর জন্য অনুঘটকের খরচ এবং ব্যবহারের পরিমাণে উল্লেখযোগ্য হ্রাস প্রয়োজন। আলকালাইন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (AEM) ইলেকট্রোলাইজারগুলি এই লক্ষ্যগুলি প্রাপ্তির জন্য প্রয়োজনীয় সরল সমাধান প্রদান করতে পারে।

AEM ইলেকট্রোলাইজার আর্চিতেকচার: অ-পিজিএম ক্যাটালিস্টের অতি-নিম্ন লোডিং সক্ষম করা

হাইড্রোক্সাইড-পরিবাহী মেমব্রেন নিকেল এবং লৌহ অক্সাইড দিয়ে স্থিতিশীল পরিচালন সক্ষম করে

অ্যানায়ন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (AEM)-গুলি হাইড্রোক্সাইড আয়ন (OH-) পরিচালনা করে, যা PEM সিস্টেমে পাওয়া যায় তার থেকে ভিন্ন একটি ক্ষারীয় পরিবেশ তৈরি করে। ক্ষারীয় প্রকৃতি আসলে অ্যানোড প্রান্তে নিকেল এবং লৌহ অক্সাইডের মতো পৃথিবীর প্রচুর পরিমাণ অ-PGM অনুঘটকগুলির স্থিতিশীলতা বাড়ায়। এর অর্থ হল যে আমরা এই উপকরণগুলি খুব দ্রুত ভেঙে যাওয়ার আগেই ভালো অক্সিজেন বিবর্তন বিক্রিয়া (OER) ক্রিয়াকলাপ পাই। বছরের পর বছর ধরে স্থিতিশীলতা অ-PGM অনুঘটকগুলির পিছনে ধীরগতি আটকানোর একটি বড় সমস্যা ছিল, কিন্তু সাম্প্রতিক সময়ে জিনিসগুলি পরিবর্তিত হয়েছে। মেমব্রেন রসায়নে নতুন উন্নয়ন এবং আরও ভালো ইলেক্ট্রোড ডিজাইনের সাথে এই সিস্টেমগুলি শিল্প প্রবাহ ঘনত্বের উপর 0.5 A প্রতি বর্গ সেমির বেশি স্থিতিশীলভাবে হাজার ঘন্টা ধরে চালানো যায়। আধুনিক AEM মেমব্রেনগুলির মূল্য হল অপারেশনের সময় অনুঘটক কণাগুলি দ্রবীভূত হওয়া থেকে রক্ষা করার ক্ষমতা। লোড পরিবর্তিত হলেও এগুলি আয়নিক পরিবাহিতা চাহিদা পূরণ করে, যা ক্ষয় মোকাবেলা করার জন্য দামি মূল্যবান ধাতু ব্যবহারের প্রয়োজন দূর করে। এটি চূড়ান্তভাবে সামগ্রিকভাবে আরও দীর্ঘস্থায়ী সরঞ্জামের দিকে নিয়ে যায়।

তুলনা: AEM বনাম PEM-এ আইরিডিয়াম লোডিং

AEM-এর কাঠামোগত সুবিধাকে ক্যাটালিস্ট লোডিংয়ের পার্থক্য আরও স্পষ্ট করে তোলে। PEM ইলেকট্রোলাইজারগুলি ক্ষয়কারী অ্যাসিডিক অবস্থার বিরুদ্ধে সহিষ্ণু হওয়ার জন্য একমাত্র আইরিডিয়াম অক্সাইড (IrO₂) অ্যানোড ব্যবহার করে। অন্যদিকে, AEM সিস্টেমগুলি নিম্নলিখিত কোনো একটি ব্যবহার করে:

• অ-প্লাটিনাম গ্রুপ মেটাল (PGM) ক্যাটালিস্ট (যেমন, NiFe অক্সিহাইড্রক্সাইড), যা আইরিডিয়ামের প্রয়োজন হয় না, অথবা
• অতি সূক্ষ্ম PGM কোটিং , সাধারণত <0.1 mg/cm², যা কেবল সামান্য কর্মদক্ষতা উন্নতির জন্য ব্যবহৃত হয়।

এটি আইরিডিয়াম ব্যবহারের পরিমাণ উল্লেখযোগ্য হ্রাস করে। নিচের টেবিলটি মূল প্রভাবগুলি সংক্ষেপে দেখায়:

নিম্ন লোডিং সরাসরি স্ট্যাক CAPEX প্রায় 30% কমায় এবং প্রকল্পগুলিকে PGM মূল্য অস্থিরতা থেকে রক্ষা করে, যা দীর্ঘমেয়াদি প্রকল্প অর্থায়ন এবং ব্যাংকযোগ্যতার জন্য গুরুত্বপূর্ণ।

উপাদান, নকশা এবং স্কেলের সুবিধা যা AEM ক্যাটালিস্ট CAPEX কমায়

পৃথিবীতে প্রচুর পরিমাণে পাওয়া যায় এমন ক্যাটালিস্ট কাঁচামালের নির্ভরশীলতা এবং অস্থিরতার ঝুঁকি কমায়

ক্ষারীয় বিনিময় পদার্থ (AEM) ইলেকট্রোলাইজারগুলি আইরিডিয়ামের পরিবর্তে নিকেল এবং লৌহ ব্যবহার করে, যা একটি বিরল ধাতু যা বিশ্বব্যাপী প্রতি বছর প্রায় 7 থেকে 10 টন উৎপাদিত হয়। এই বিকল্প উপাদানগুলি প্রায় 10,000 গুণ বেশি প্রাপ্য এবং আসলে বিশ্বব্যাপী স্থিতিশীল, উচ্চ পরিমাণের বাজারে চলাচল করে। ঐতিহ্যগত প্রোটন বিনিময় পদার্থ (PEM) সিস্টেমগুলি তাদের স্ট্যাক মূলধন ব্যয়ের প্রায় 40 থেকে 60 শতাংশ মূল্যবান ধাতুগুলিতে ব্যয় করে, কিন্তু AEM প্রযুক্তি সেই অর্থগুলিকে সস্তা এবং সহজলভ্য উপকরণের দিকে ঘুরিয়ে দেয়। সহকর্মী-পর্যালোচিত জার্নালগুলিতে প্রকাশিত গবেষণা দেখায় যে শিল্প প্রবাহের মাত্রায় থাকা সত্ত্বেও অ-PGM AEM অ্যানোডগুলি PEM-এর অক্সিজেন বিক্রিয়ার ক্রিয়াকলাপের 95% ছাড়িয়ে যেতে পারে, যা অনুঘটক উপকরণের খরচকে প্রায় 90% পর্যন্ত কমিয়ে দেয়। বাজারের গতিশীলতা দেখলে এই পরিবর্তনটি আরও বেশি আকর্ষক মনে হয়। 2020 থেকে 2023 সাল পর্যন্ত সরবরাহ কমে যাওয়ায় আইরিডিয়ামের দাম প্রায় 800% বেড়ে গিয়েছিল, অন্যদিকে নিকেল এবং লৌহ অক্সাইডের দাম চরম অস্থিরতা ছাড়াই সাধারণ শিল্প বাজারের পরিস্থিতির সঙ্গে সংযুক্ত ছিল।

সরলীকৃত সেল ডিজাইন উৎপাদনের জটিলতা এবং প্রভাবক একীভূতকরণের খরচ কমায়

AEM প্রযুক্তির ক্ষারীয় পরিবেশে কাজ করার ক্ষমতা এই সেলগুলির সামগ্রিক ডিজাইনকে অনেকাংশে সরলীকরণ করে। PEM স্ট্যাকগুলির ক্ষয় মোকাবিলা করার জন্য টাইটানিয়াম বাইপোলার প্লেট, বিশেষ অ্যাসিড-প্রতিরোধী গ্যাসকেট এবং মূল্যবান ধাতুতে আবৃত উপাদানগুলির মতো বিভিন্ন দামী অংশের প্রয়োজন হয়। কিন্তু AEM সিস্টেমগুলি সাধারণ স্টেইনলেস স্টিলের অংশ এবং সাধারণ পলিমার সীল ব্যবহার করে চমৎকারভাবে কাজ করে। প্রভাবক স্তর প্রয়োগের ক্ষেত্রে, উৎপাদকদের কাছে উভয়ই স্কেলযোগ্য এবং বাজেট-বান্ধব বিকল্পগুলি থাকে। স্প্রে কোটিং বা রোল-টু-রোল ডিপোজিশনের মতো পদ্ধতিগুলি এখানে ভালভাবে কাজ করে, যার অর্থ কোম্পানিগুলিকে PEM প্রযুক্তিতে ব্যবহৃত অত্যন্ত পাতলা আইরিডিয়াম স্তরগুলির জন্য প্রয়োজনীয় দামী ভ্যাকুয়াম স্পাটারিং সরঞ্জাম বা জটিল তাপীয় প্রক্রিয়াগুলিতে বিনিয়োগ করতে হবে না। এই সমস্ত ডিজাইন উন্নতি তিনটি প্রধান ক্ষেত্রে খরচ কমায়:

• অ্যাসিড-প্রতিরোধী স্ট্যাক উপকরণ (প্রায় 220 ডলার/কিলোওয়াট সাশ্রয়),
• আলট্রা-বিশুদ্ধ জলের প্রাক-চিকিত্সা অবকাঠামো,
• ধাতব নোবেল ধাতু পুনরুদ্ধার এবং পুনর্ব্যবহার যোগাযোগ ব্যবস্থা।

শিল্প বিশ্লেষণে এই পরিবর্তনগুলি উৎপ্রেরক একীভূতকরণের খরচ 35-50% হ্রাস করে, আয়তন উৎপাদনের সময় ত্বরান্বিত করে এবং আদায়ের সামগ্রী উন্নত করে বলে নিশ্চিত করে।

সবুজ হাইড্রোজেনের অর্থনীতির উপর প্রভাব: AEM উৎপ্রেরকের দক্ষতা বৃদ্ধির মাধ্যমে LCOH হ্রাস

AEM ইলেকট্রোলাইজার প্রযুক্তি হাইড্রোজেন উৎপাদনের স্তরযুক্ত খরচ উল্লেখযোগ্য হ্রাস করে কারণ এটি ইলেকট্রোলাইজার সিস্টেমের একটি বৃহত্তম খরচের ক্ষেত্রকে লক্ষ্য করে: উৎসেচক উপকরণ। দুর্মূল্য আইরিডিয়ামের পরিবর্তে, এই সিস্টেমগুলি নিকেল এবং লৌহ-ভিত্তিক যৌগিক ব্যবহার করে যা খরচ প্রায় ৮০ থেকে ৯০ শতাংশ কম। আরও কি, এগুলি প্রায় কোনও উৎসেচক লোডিংয়ের প্রয়োজন হয় না। এই পদ্ধতি উপকরণ খরচ কমায় কিন্তু কার্যকারিত্বের স্তরকে অক্ষুণ্ণ রাখে, যা ১ এম্পিয়ার প্রতি বর্গ সেন্টিমিটারে কাজ করার সময় ৭০ থেকে ৭৫ শতাংশ দক্ষতা অব্যাহত রাখে। যেহেতু উৎসেচকের খরচ সাধারণত কোনও ইলেকট্রোলাইজারের মোট খরচের ২৫ থেকে ৪০ শতাংশ গঠন করে, একমাত্র এই পরিবর্তন করার ফলে মূলধন ব্যয়ে বড় হ্রাস ঘটে। আমরা যখন অন্যান্য কারণগুলির দিকে তাকাই তখন সুবিধাগুলি আরও বৃদ্ধি পায়। সরঞ্জামের সরল নকশা, উৎপাদন প্রক্রিয়ার সহজতা এবং পরিবর্তনশীল নবানুকূল শক্তি ইনপুটগুলির সাথে কাজ করার সময়ও নির্ভরযোগ্য কার্যকারিত্ব সবই ভাল অর্থনীতির দিকে অবদান করে। বড় পরিসরে, AEM সিস্টেমগুলি সম্ভাব্যভাবে হাইড্রোজেনের মূল্য প্রতি কিলোগ্রাম ২ ডলারের নিচে আনতে পারে, যে জাদুকরী সংখ্যাটি দশমিক হ্রাস কঠিন শিল্পগুলির মধ্যে কার্যকরভাবে প্রতিযোগিতা করার জন্য প্রয়োজন, যেমন সবুজ ইস্পাত উৎপাদন এবং ভারী যান পরিবহন খাত। যখন উৎপাদকরা উৎপাদন পরিমাণ বাড়ায়, তখন শিক্ষার বক্ররেখার প্রভাবের মাধ্যমে পরিসরের অর্থনীতি কাজ করে, AEM-এর অবস্থানকে সুদৃঢ় করে যা বৈশ্বিক বাজারগুলির মধ্যে সবুজ হাইড্রোজেনকে সাশ্রয়ী এবং বাস্তবায়নযোগ্য করে তোলে।

FAQ

সবুজ হাইড্রোজেন উৎপাদনে অনুঘটকের মূল্য কীভাবে গুরুত্বপূর্ণ?

অনুঘটকের মূল্য একটি প্রধান কারণ কারণ ইরিডিয়াম এবং প্ল্যাটিনাম সহ ব্যবহৃত উপকরণগুলি দামি এবং PEM সিস্টেমের মতো বৈদ্যুতিক বিকারকগুলির মূলধন ব্যয় উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি করে।

AEM বৈদ্যুতিক বিকারকগুলি এই খরচ কমায় কীভাবে?

AEM বৈদ্যুতিক বিকারকগুলি নিকেল এবং লোহার মতো পৃথিবীতে প্রচুর পরিমাণে পাওয়া যায় এমন উপকরণ ব্যবহার করে যা অনেক কম দামি, ফলে অনুঘটক উপকরণের খরচ উল্লেখযোগ্যভাবে কমে।

PEM সিস্টেমের তুলনায় AEM সিস্টেমগুলির দক্ষতা কেমন?

সাধারণত, AEM সিস্টেমগুলি 70 থেকে 75 শতাংশ দক্ষতা অর্জন করে, পাশাপাশি PEM সিস্টেমগুলির তুলনায় কম খরচ এবং উন্নত স্থিতিশীলতার সুবিধা পায়।

কি সবুজ হাইড্রোজেন প্রতিযোগিতামূলক খরচে উৎপাদিত হতে পারে?

হ্যাঁ, AEM প্রযুক্তির উন্নতির সাথে, সবুজ হাইড্রোজেনের মূল্য প্রতি কিলোগ্রাম 2 ডলারের নিচে নামানো যেতে পারে, যা এটিকে জীবাশ্ম জ্বালানির বিপরীতে প্রতিযোগিতামূলক করে তুলবে।