Hvorfor katalysatoromkostning er den kritiske flaskehals i grøn brintproduktion

Omkostningen ved produktion af grønt brint ligger stadig omkring 3,8 til 11,9 dollar per kilogram, hvilket placerer det langt over prisen for fossile alternativer såsom dampmetanreformering, der varierer mellem 1,5 og 6,4 dollar per kg. Denne prisforskel gør det vanskeligt at skala op produktionen. Kapitaludgifter til elektrolyseure anlæg forbliver en stor omkostning, især for protonudvekslingsmembran (PEM) systemer, som typisk koster mellem 800 og 1.500 dollar per kW. En nærmere analyse af disse omkostninger afslører noget interessant: det meste af pengene går til katalysatorer. Platin-gruppemetaller som iridium og platin udgør næsten halvdelen af omkostningerne for PEM-stable. Alene for PEM-anoder kræver vi omkring 1 til 2 milligram per kvadratcentimeter iridium, et metal så sjældent og dyrt, at priserne ofte overstiger 7.400 dollar per kg. Problemet forværres, da globale forsyninger ikke kan følge med den forventede efterspørgsmarsk vækst. Denne afhængighed af sjældne materialer skaber risici for både omkostningskontrol og stabile leveringskæder. Nedbringelse af omkostningerne til industriel mål på 150 dollar per kW for elektrolyseanlæg, samtidigt med mål om 1 dollar per kg brint, vil kræve betydelige reduktioner i katalysatoromkostninger og forbrug. Alkalisk udvekslingsmembran (AEM) elektrolyseanlæg kan måske blot være den enkle løsning, der er nødvendig for at opnå disse mål i stor skala.

AEM Elektrolysearkitektur: Muliggør ekstremt lav belægning af ikke-PGM katalysatorer

Hydroxidledende membran muliggør stabil drift med nikkel- og jernoxider

Anionbyttemembraner (AEM) fungerer ved at lede hydroxidioner (OH-), hvilket skaber et basisk miljø, der adskiller sig væsentligt fra de sure forhold, der findes i PEM-systemer. Den basiske karakter hjælper faktisk med at stabilisere jordfylde ikke-PGM-katalysatorer som nikkel og jernoxider på anodesiden. Dette betyder, at vi opnår god aktivitet for oxidation af ilt (OER), uden at materialerne nedbrydes for hurtigt. I mange år var stabilitet et stort problem, der hæmmede udviklingen af ikke-PGM-katalysatorer, men det har ændret sig for nylig. Nye fremskridt inden for membrankemi sammen med bedre elektrodekonstruktioner gør det muligt for disse systemer at køre stabilt ved industrielle strømtætheder over 0,5 A pr. kvadratcentimeter i tusindvis af driftstimer. Det, der gør moderne AEM-membraner så værdifulde, er deres evne til at forhindre katalysatorpartikler i at opløse sig under driften. De opretholder den krævede ioneledeevne, selv når belastningen svinger, hvilket eliminerer behovet for dyre ædle metaller blot for at modvirke korrosion. Dette resulterer i sidste ende i langt mere holdbare anlæg i alt.

Sammenligning: Iridiumindhold i AEM mod PEM

Forskelle i katalysatorindhold understreger AEM's strukturelle fordel. PEM-elektrolyseure er udelukkende afhængige af iridiumoxid (IrO₂) anoder for at modstå de korroderende sure forhold. I modsætning hertil fungerer AEM-systemer enten med:

• Ikke-PGM katalysatorer (f.eks. NiFe-oxyhydroxider), som ikke kræver iridium overhovedet, eller
• Spor af PGM-belægninger , typisk <0,1 mg/cm², som kun anvendes til marginal forbedelse af ydelsen.

Dette repræsenterer en betydelig reduktion i iridiumforbruget. Tabellen nedenfor sammenfatter de vigtigste konseksekvenser:

Lavere belastning reducerer direkte stack CAPEX med cirka 30 % og beskytter projekter mod PGM-prisvolatilitet, hvilket er afgørende for langsigtede finansierings- og banklånsforhold.

Fordele inden for materiale, design og skala, som sænker AEM-katalysator CAPEX

Katalysatorer baseret på jordens almindelige grundstoffer reducerer afhængigheden af råmaterialer og risikoen for prisvolatilitet

Alkaliske brændselscellemembran (AEM) elektrolyseapparater udskifter iridium, et sjældent metal, der produceres globalt i mængder af omkring 7 til 10 tons årligt, med nikkel og jern i stedet. Disse alternativer er cirka 10.000 gange mere almindelige og handles faktisk på stabile markeder med høj omsætning verden over. Traditionelle protonudvekslingsmembran (PEM) systemer bruger omkring 40 til 60 procent af deres stakke kapitaludgifter på ædle metaller, men AEM-teknologi omdirigerer disse midler mod billigere og mere tilgængelige materialer. Forskning offentliggjort i fagfællebedømte tidsskrifter viser, at ikke-PGM AEM anoder kan nå over 95 % af PEM's aktivitet for oxygenudviklingsreaktionen, selv ved industrielle strømniveauer, hvilket reducerer omkostningerne til katalysatormaterialer med op til 90 %. Set i lyset af markedsdynamikken gør dette skift det endnu mere overbevisende. Iridiumpriserne steg næsten 800 % fra 2020 til 2023, da udbuddet strammede til, mens priserne på nikkel og jernoxid forblev knyttet til generelle industrielle markedsforhold uden en så ekstrem volatilitet.

Forenklet celle-design nedsætter produktionskompleksiteten og omkostningerne ved integrering af katalysator

AEM-teknologiens evne til at fungere i alkaliske miljøer gør det muligt at forenkle celledesignet betydeligt. PEM-stablede kræver alle former for dyre komponenter, herunder titanbipolarplader, særlige syrerestistente tætningsringe og dele belagt med ædle metaller, blot for at modstå korrosion. AEM-systemer kan derimod fungere godt med almindelige rustfri ståldelene og almindelige polymertætninger. Når det gælder påførsel af katalysatorlag, har producenter adgang til metoder, der er både skalerbare og økonomisk fordelagtige. Teknikker såsom spray-belægning eller rulle-til-rulle-belægning fungerer godt her, hvilket betyder, at virksomheder ikke behøver at investere i kostbar vakuum-sputterudstyr eller komplekse termiske processer, som kræves for de ekstremt tynde iridiumlag brugt i PEM-teknologi. Alle disse designforbedringer reducerer omkostningerne inden for tre hovedområder:

• Syrefaste stakmaterialer (besparelse på ca. 220 USD/kW),
• Infrastruktur til forbehandling af ultrarent vand,
• Logistik for genanvendelse og recycling af ædle metaller.

Industrianalyse bekræfter, at disse ændringer reducerer omkostningerne til katalysatorintegration med 35-50 %, fremskynder tiden til volumenproduktion og forbedrer udbyttekonsistensen.

Indvirkning på økonomien i grøn brint: Lavere LCOH gennem AEM-katalysatoreffektivitet

AEM-elektrolyseteknologien reducerer betydeligt de gennemsnitlige omkostninger ved brintproduktion, fordi den fokuserer på et af de største udgiftsområder i elektrolysesystemer: katalysatormaterialerne. I stedet for at bruge det dyre iridium anvender disse systemer forbindelser baseret på nikkel og jern, som koster omkring 80 til 90 procent mindre. Desuden kræver de næsten slet ingen katalysatorpåførsel overhovedet. Denne tilgang reducerer materialeomkostningerne uden at kompromittere ydelsesniveauet, som forbliver imponerende med en effektivitet på mellem 70 og 75 procent ved drift på 1 ampere pr. kvadratcentimeter. Da katalysatoromkostninger typisk udgør mellem 25 og 40 procent af den samlede pris på en elektrolyseanlæg, resulterer denne ændring alene i store besparelser i kapitaludgifter. Fordele forstærkes yderligere, når vi ser på andre faktorer. Forenklet hårdvarudesign, nemmere produktionsprocesser og pålidelig drift selv ved svævende input fra vedvarende energikilder bidrager alle til bedre økonomi. I stor målestok kan AEM-systemer potentielt nedbringe brintspriserne til under 2 dollar pr. kilogram og dermed nå det afgørende niveau, der er nødvendigt for at konkurrere effektivt i industrier, hvor decarbonisering er særligt udfordrende, såsom grøn stålproduktion og tung transport. Når producenter øger produktionsvolumenerne, træder skalafordele i kraft gennem læringskurveeffekter, hvilket fastlægger AEM's position som en nøglespiller for at gøre grøn brint både overkommelig og gennemførlig på globale markeder.

Ofte stillede spørgsmål

Hvorfor er katalysatoromkostningerne afgørende for grøn brintproduktion?

Katalysatoromkostninger er en vigtig faktor, fordi materialer som iridium og platin er dyre og betydeligt øger kapitaludgifterne for elektrolysesystemer som PEM-systemer.

Hvordan reducerer AEM-elektrolysesystemer disse omkostninger?

AEM-elektrolysesystemer anvender jordarve-rige materialer som nikkel og jern, som er langt billigere, og dermed betydeligt reducerer omkostningerne til katalysatormaterialer.

Hvad er effektiviteten af AEM-systemer sammenlignet med PEM-systemer?

Generelt opnår AEM-systemer en effektivitet mellem 70 og 75 procent, samtidig med at de har fordele ved reducerede omkostninger og forbedret stabilitet i sammenligning med PEM-systemer.

Kan grøn brint produceres til konkurrencedygtige omkostninger?

Ja, med fremskridt i AEM-teknologi kan omkostningerne til grøn brint reduceres til under 2 dollar per kilogram, hvilket gør det konkurrencedygtigt i forhold til fossile brændsler.