Proč jsou náklady na katalyzátor kritickou překážkou ve výrobě zeleného vodíku

Náklady na výrobu zeleného vodíku se stále pohybují kolem 3,8 až 11,9 USD na kilogram, což je výrazně více, než platíme za fosilní alternativy jako je párová reformace metanu, jejíž náklady jsou v rozmezí 1,5 až 6,4 USD na kg. Tento cenový rozdíl ztěžuje rozšiřování provozu. Kapitálové výdaje na elektrolyzéry zůstávají významnou položkou nákladů, zejména pro systémy s protonovou výměnnou membránou (PEM), jejichž cena se obvykle pohybuje mezi 800 a 1 500 USD na kW. Podrobnější analýza těchto nákladů odhaluje něco zajímavého: většina peněz jde na katalyzátory. Platinové skupiny kovů, jako iridium a platina, tvoří téměř polovinu nákladů na PEM články. Samotné anody PEM vyžadují přibližně 1 až 2 miligramy iridia na čtvereční centimetr, kovu, který je takzvlášťzřídkavý a drahý, že jeho cena často přesahuje 7 400 USD na kg. Problém se zhoršuje, protože globální dodávky nedokážou držet krok s očekávaným růstem poptávky. Tato závislost na vzácných materiálech vytváří rizika pro kontrolu nákladů i stabilní dodavatelské řetězce. Dosáhnutí průmyslového cíle 150 USD na kW pro elektrolyzéry při současném cílení na 1 USD na kg vodíku bude vyžadovat významné snížení nákladů na katalyzátory a množství jejich použití. Elektrolyzéry s alkalickou výměnnou membránou (AEM) by mohly poskytnout přímočaré řešení potřebné k dosažení těchto cílů ve velkém měřítku.

Architektura AEM elektrolýzy: Povoluje ultra-nízké zatížení ne-PLM katalyzátorů

Hydroxidově vodivá membrána umožňuje stabilní provoz s oxidy niklu a železa

Aniontové výměnné membrány (AEM) fungují tím, že vedou hydroxidové ionty (OH-), čímž vytvářejí alkalické prostředí, které je značně odlišné od kyselých podmínek nacházejících se v systémech PEM. Alkalický charakter skutečně pomáhá stabilizovat tyto hojně se vyskytující nešlachetné katalyzátory typu niklu a oxidů železa na straně anody. To znamená, že dosahujeme dobrou aktivitu reakce evoluce kyslíku (OER), aniž by se tyto materiály příliš rychle rozpadaly. Po mnoho let byla stabilita velkým problémem, který bránil rozvoji nešlachetných katalyzátorů, ale v poslední době se situace změnila. Nové pokroky v chemii membrán spolu s vylepšenými návrhy elektrod umožňují těmto systémům stabilně pracovat při průmyslových proudových hustotách nad 0,5 A na čtvereční centimetr po tisíce provozních hodin. Co činí moderní AEM membrány tak cennými, je jejich schopnost zabránit rozpouštění katalytických částic během provozu. Udržují požadovanou úroveň iontové vodivosti i při kolísání zatížení, čímž eliminují potřebu drahých šlachetných kovů pouze kvůli potížím s korozí. To nakonec vede k výrazně delší životnosti celého zařízení.

Porovnání: obsah iridia v AEM vs. PEM

Rozdíly v obsahu katalyzátoru podtrhuje strukturní výhodu AEM. Elektrolyzéry PEM využívají výhradně anody z oxidu iridia (IrO₂) k odolání korozivním kyselým podmínkám. Naproti tomu systémy AEM pracují buď s:

• Nešlechovanými katalyzátory (např. hydroxidy niklu a železa), které nevyžadují žádné iridium, nebo
• Stopovými povlaky PGM , obvykle <0,1 mg/cm², používanými pouze pro malé zlepšení výkonu.

To představuje významné snížení spotřeby iridia. Níže uvedená tabulka shrnuje klíčové důsledky:

Nižší zatížení přímo snižuje CAPEX stacku o přibližně 30 % a chrání projekty od volatility cen platinových skupinových kovů, což je klíčové pro dlouhodobé financování projektů a jejich bankovatelnost.

Výhody materiálu, návrhu a měřítka, které snižují CAPEX katalyzátoru AEM

Katalyzátory z hojně se vyskytujících materiálů snižují závislost na surovinách a riziko volatility

Elektrolýzy s alkalickou výměnnou membránou (AEM) nahrazují iridium, vzácný kov produkovaný globálně v množství kolem 7 až 10 tun ročně, niklem a železem. Tyto alternativy jsou přibližně 10 000krát hojnější a skutečně se obchodují na stabilních trzích s vysokým objemem po celém světě. Tradiční systémy s protonovou výměnnou membránou (PEM) vynakládají přibližně 40 až 60 procent kapitálových nákladů na jejich stacku na drahé skupinové kovy, zatímco technologie AEM přesměruje tyto prostředky na levnější a dostupnější materiály. Výzkum publikovaný v recenzovaných odborných časopisech ukazuje, že anody AEM bez skupinových kovů mohou dosáhnout více než 95 % aktivity PEM při reakci vývoje kyslíku, a to dokonce při průmyslových úrovních proudového výkonu, čímž snižují náklady na katalytický materiál až o 90 %. Pohled na tržní dynamiku tento posun činí ještě přesvědčivějším. Ceny iridia mezi lety 2020 až 2023 vystřelily téměř o 800 %, když se dodávky zpřísnily, zatímco ceny oxidu niklu a železa zůstaly spojeny s obecnými podmínkami průmyslového trhu bez takové extrémní volatility.

Zjednodušený návrh článku snižuje výrobní složitost a náklady na integraci katalyzátoru

Schopnost AEM technologie pracovat v alkalickém prostředí umožňuje značně zjednodušit celkový návrh těchto článků. PEM články vyžadují množství drahých součástí, včetně titanových bipolárních desek, speciálních kyselinovzdorných těsnění a komponent pokrytých vzácnými kovy, pouze aby odolaly korozivnímu působení. Naopak AEM systémy dobře fungují s běžnými součástkami ze nerezové oceli a běžnými polymerovými těsněními. Pokud jde o aplikaci vrstev katalyzátoru, výrobci mají k dispozici škálovatelné i cenově výhodné možnosti. Zde se osvědčují techniky jako stříkání nebo depozice metodou roll-to-roll, což znamená, že firmy nemusí investovat do nákladného vybavení pro vakuové naprašování ani do složitých tepelných procesů potřebných pro velmi tenké vrstvy iridia používané v PEM technologii. Všechna tato vylepšení návrhu snižují náklady ve třech hlavních oblastech:

• Kyselinovzdorné materiály pro stohy (úspora cca 220 USD/kW),
• Infrastruktura předčištění ultrastylné vody,
• Logistika recyklace a zpětného získávání drahých kovů.

Analýza odvětví potvrzuje, že tyto změny snižují náklady na integraci katalyzátorů o 35–50 %, urychlují spuštění sériové výroby a zlepšují konzistenci výtěžku.

Dopad na ekonomiku zeleného vodíku: Nižší LCOH díky účinnosti katalyzátoru AEM

Technologie AEM elektrolyzéru výrazně snižuje úroveň nákladů na výrobu vodíku, protože zaměřuje se na jednu z nejvýznamnějších oblastí výdajů v systémech elektrolyzérů: katalyzátory. Namísto drahého iridu používají tyto systémy sloučeniny niklu a železa, jejichž náklady jsou nižší o přibližně 80 až 90 procent. Co víc, vyžadují téměř žádné množství katalyzátoru. Tento přístup snižuje náklady na materiál, aniž by docházelo ke zhoršení výkonu, který zůstává velmi působivý – mezi 70 a 75 procent účinnosti při provozu s proudem 1 ampér na čtvereční centimetr. Protože náklady na katalyzátory obvykle tvoří 25 až 40 procent celkových nákladů na elektrolyzér, samotná změna vede k významnému snížení kapitálových výdajů. Výhody se dále násobí, když se zohlední i další faktory. Zjednodušený návrh hardwaru, jednodušší výrobní procesy a spolehlivý provoz i při kolísavých vstupech obnovitelné energie přispívají ke zlepšení ekonomiky. Ve velkém měřítku by systémy AEM mohly potenciálně snížit ceny vodíku pod 2 USD na kilogram, dosáhnout tím magické hranice potřebné k efektivní konkurenci v odvětvích, kde je dekarbonizace obzvláště náročná, jako je výroba zelené oceli nebo odvětví těžké dopravy. Jak výrobci navyšují objemy výroby, uplatňují se efekty ekonomie škály prostřednictvím učící se křivky, čímž se AEM pevně upevňuje jako klíčový hráč v dosažení cenově dostupného a proveditelného zeleného vodíku na globálních trzích.

Často kladené otázky

Proč je cena katalyzátoru klíčová při výrobě zeleného vodíku?

Cena katalyzátoru je hlavním faktorem, protože materiály, jako je iridium a platin, jsou drahé a výrazně zvyšují kapitálové náklady elektrolýz, například systémů PEM.

Jak snižují AEM elektrolýzy tyto náklady?

AEM elektrolýzy využívají materiály hojně se vyskytující v zemské kůře, jako je nikl a železo, které jsou mnohem levnější, čímž výrazně snižují náklady na materiál katalyzátoru.

Jaká je účinnost AEM systémů ve srovnání s PEM systémy?

Obecně dosahují AEM systémy účinnost mezi 70 až 75 procent, a navíc profitovaly ze snížených nákladů a zlepšené stability ve srovnání s PEM systémy.

Lze zelený vodík vyrábět za konkurenceschopné ceny?

Ano, díky pokrokům v technologii AEM se mohou náklady na zelený vodík snížit pod 2 USD na kilogram, čímž bude konkurenceschopný ve srovnání s fosilními palivy.