Zašto su troškovi katalizatora ključni u proizvodnji zelenog vodonika

Troškovi proizvodnje zelenog vodonika i dalje su oko 3,8 do 11,9 dolara po kilogramu, što je mnogo više od onoga što plaćamo za alternative fosilnim gorivima kao što je reformiranje parnog metana, koje se kreće od 1,5 do 6,4 dolara po kilogramu. Ova razlika u cijenama otežava proširenje poslovanja. Kapitalni troškovi elektrolizatora ostaju veliki trošak, posebno za sisteme protonske razmjene membrane (PEM) koji obično koštaju između 800 i 1.500 dolara po kW. Ako pogledamo detaljno ove troškove otkrivamo nešto zanimljivo: većina novca ide na katalizatore. Metali platinske grupe kao što su iridijum i platina čine gotovo polovinu troškova PEM-a. Samo za PEM anode, potrebno nam je oko 1 do 2 miligrama po kvadratnom centimetru iridija, tako retkog i skupog metala da cijene često prelaze 7.400 dolara po kilogramu. Problem se pogoršava jer globalna ponuda ne može pratiti korak sa očekivanim rastom potražnje. Ova zavisnost od oskudnih materijala stvara rizike za kontrolu troškova i stabilne lance snabdevanja. Smanjenje cilja industrije od 150 dolara po kW za elektrolizatore dok se cilja na 1 dolar po kg vodonika zahtijeva značajno smanjenje troškova katalizatora i količine upotrebe. Elektrolizatori s alkalnom razmjenom membrane (AEM) mogu pružiti jednostavno rješenje potrebno za postizanje ovih ciljeva u velikoj meri.

Arhitektura AEM elektrolizora: omogućava ultra nisko opterećenje katalizatora koji nisu PGM

Membrana koja vodi hidrokside omogućava stabilan rad sa nikl i gvozdeni oksidi

Anionske membrane za razmjenu (AEM) rade provodeći ione hidroksida (OH-), stvarajući alkalno okruženje sasvim drugačije od kiselosti koja se nalazi u PEM sistemima. Alkalna priroda zapravo pomaže stabilizaciji onih ne-PGM katalizatora koji su u zemlji kao što su nikl i željezni oksidi na strani anode. To znači da dobijamo dobru aktivnost reakcije evolucije kiseonika (OER) bez da se ovi materijali razgrađuju prebrzo. Godinama je stabilnost bila veliki problem, zadržavajući katalizatore koji nisu PGM, ali stvari su se nedavno promenile. Novi razvoj u hemiji membrana zajedno sa boljim dizajnom elektroda omogućava ovim sistemima da stabilno rade na gustoćama industrijske struje iznad 0,5 A po kvadratnom centimetru tokom hiljada radnih sati. Ono što čini moderne AEM membrane tako vrednim je njihova sposobnost da spreče da se čestice katalizatora rastvore tokom rada. Oni zadržavaju zahteve za ionsku provodljivost čak i kada se opterećenja menjaju, što uklanja potrebu za skupim plemenitim metalima samo za borbu protiv korozije. Ovo na kraju dovodi do mnogo duže trajanja opreme.

U poređenju sa AEM-om i PEM-om

Razlike u opterećenju katalizatora naglašavaju strukturnu prednost AEM-a. PEM elektrolizori se oslanjaju isključivo na anode iridijum oksida (IrO2) da bi izdržavali korozivne kiselne uslove. Za razliku od toga, AEM sistemi rade sa:

• Katalisatori koji nisu PGM (npr. NiFe oksihidroksi) koji zahtijevaju nultu iridiju, ili
• PGM premazi za tragove , obično < 0,1 mg/cm2, koristi se samo za marginalno poboljšanje performansi.

To predstavlja značajno smanjenje potrošnje iridijuma. Sledeća tabela sažima ključne implikacije:

Smanjenje opterećenja direktno smanjuje skup CAPEX-a za približno 30% i izolira projekte od volatilnosti cijena PGM-a, što je kritično za dugoročno finansiranje projekata i bankama.

Prednosti materijala, dizajna i obima koje smanjuju AEM katalizator CAPEX

Katalisatori u izobilju zemlje smanjuju zavisnost od sirovina i rizik od nestabilnosti

Elektrolizatori alkalne razmjene membrane (AEM) zamjenjuju iridijum, rijedak metal proizveden u svijetu u količini od oko 7 do 10 tona godišnje, za nikl i gvožđe. Ove alternative su otprilike 10.000 puta više i zapravo se trguju na stabilnim, velikim tržištima širom svijeta. Tradicionalni protonski razmjenjivi membrani (PEM) troše oko 40 do 60 posto svojih ulaganja na dragocene grupe metala, ali AEM tehnologija preusmjerava te fondove na jeftinije i pristupačnije materijale. Istraživanja objavljena u stručno recenziranim časopisima pokazuju da ne-PGM AEM anode mogu dostići preko 95% aktivnosti reakcije evolucije kiseonika PEM čak i na industrijskim nivoima struje, smanjujući troškove katalizatora za čak 90%. Pogledajte dinamiku tržišta čini ovu promjenu još uvjerljivijom. Cene iridijuma porasle su za gotovo 800% od 2020. do 2023. godine, s obzirom na smanjenje snabdevanja, dok su cijene nikla i željeznog oksida ostale povezane sa opštim uslovima na industrijskom tržištu bez takve ekstremne nestabilnosti.

Jednostavljeni dizajn ćelija smanjuje složenost proizvodnje i troškove integracije katalizatora

Sposobnost AEM tehnologije da radi sa alkalnim okruženjima omogućava da se pojednostavni cjelokupni dizajn ovih ćelija. PEM-i trebaju sve vrste skupih dijelova uključujući titanijeve bipolarne ploče, specijalne maske otporne na kiseline i komponente prekrivene plemenitim metalima samo da bi se odupreli koroziji. Ali AEM sistemi rade dobro koristeći obične dijelove od nehrđajućeg čelika i svakodnevne polimerne čipove. Kada je u pitanju primjena katalizatora, proizvođači imaju mogućnosti koje su i skalabilne i prihvatljive za budžet. Tehnike kao što su sprej premaz ili odlagavanje od valjki do valjke dobro rade ovdje, što znači da kompanije ne moraju da ulažu u skupu opremu za vakumno prskanje ili složene toplotne procese potrebne za one super tanke slojeve iridijuma koji se koriste u PEM tehnologiji. Sve ove poboljšanja dizajna smanjuju troškove u tri glavne oblasti:

• Materijali za postavljanje koji su otporni na kiseline (štednja ~ 220 USD/kW),
• Infrastruktura za pretprerađivanje ultračiste vode,
• Logistika za oporavak i recikliranje plemenitih metala.

Analiza industrije potvrđuje da ove promjene smanjuju troškove integracije katalizatora za 35-50%, ubrzavajući vrijeme do proizvodnje u količini i poboljšavajući doslednost prinosa.

Uticaj na ekonomiju zelenog vodonika: Smanjenje LCOH-a kroz efikasnost AEM katalizatora

Tehnologija AEM elektrolizora značajno smanjuje izjednačene troškove proizvodnje vodonika jer cilja na jednu od najvećih oblasti troškova u elektrolizornim sistemima: katalisatorne materijale. Umjesto da koriste skup iridijum, ovi sistemi koriste spojeve na bazi nikla i gvožđa koji koštaju oko 80 do 90 posto manje. Štaviše, oni zahtevaju gotovo nikakvo napunjenje katalizatora. Ovaj pristup smanjuje troškove materijala bez žrtvovanja performansi, koje ostaju prilično impresivne sa između 70 i 75 posto efikasnosti pri radu na 1 ampera po kvadratnom centimetru. Pošto troškovi katalizatora obično čine bilo gdje od 25 do 40 posto ukupnih troškova elektrolizatora, samo ovo prebacivanje dovodi do značajnog smanjenja kapitalnih troškova. Koristi se množe kada pogledamo i druge faktore. Jednostavljeni dizajn hardvera, lakši proizvodni procesi i pouzdan rad čak i kada se bave promenljivim ulazima obnovljive energije sve doprinose boljoj ekonomiji. U skali, AEM sistemi potencijalno mogu smanjiti cijene vodonika ispod 2 dolara po kilogramu, dostižući taj magični broj potreban za efikasnu konkurenciju u industrijama u kojima je dekarbonizacija posebno izazovna, kao što su proizvodnja zelenog čelika i sektor teškog transporta. Kako proizvođači povećavaju proizvodne količine, ekonomije razmjera se pojavljuju kroz efekte učenja, čime se učvršćuje pozicija AEM-a kao ključnog igrača u stvaranju zelenog vodonika koji je pristupačan i izvedivi na globalnim tržištima.

Često se postavljaju pitanja

Zašto su troškovi katalizatora ključni u proizvodnji zelenog vodonika?

Troškovi katalizatora su glavni faktor jer su korišćeni materijali, kao što su iridijum i platina, skupi i značajno povećavaju kapitalne troškove elektrolizatora kao što su PEM sistemi.

Kako AEM elektrolizori smanjuju ove troškove?

AEM elektrolizori koriste materijale iz zemlje kao što su nikl i gvožđe koji su mnogo jeftiniji, čime se značajno smanjuju troškovi katalizatora.

Kolika je efikasnost AEM sistema u poređenju sa PEM sistemima?

Uopšteno, AEM sistemi postižu efikasnost između 70 i 75 posto, dok istovremeno imaju koristi od smanjenih troškova i poboljšane stabilnosti u poređenju sa PEM sistemima.

Može li se proizvoditi zeleni vodonik po konkurentnim troškovima?

Da, sa napretkom u AEM tehnologiji, troškovi zelenog vodonika mogli bi se smanjiti na manje od 2 dolara po kilogramu, čineći ga konkurentnim u odnosu na fosilna goriva.