Γιατί το Κόστος του Καταβυθιωτή είναι το Κρίσιμο Εμπόδιο στην Παραγωγή Πράσινου Υδρογόνου

Το κόστος παραγωγής του πράσινου υδρογόνου παραμένει γύρω στα 3,8 έως 11,9 δολάρια ανά κιλό, κάτι που το φέρνει πολύ πάνω από την τιμή που πληρώνουμε για εναλλακτικές λύσεις από ορυκτά καύσιμα, όπως η αναμόρφωση με ατμό μεθανίου, η οποία κυμαίνεται από 1,5 έως 6,4 δολάρια ανά κιλό. Αυτό το διάστημα τιμών καθιστά δύσκολη την αναβάθμιση των επιχειρησιακών δραστηριοτήτων. Τα κεφαλαιουχικά έξοδα για ηλεκτρολυτές παραμένουν σημαντικό κόστος, ιδιαίτερα για συστήματα μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM), τα οποία συνήθως κοστίζουν από 800 έως 1.500 δολάρια ανά kW. Η πιο λεπτομερής εξέταση αυτών των κοστών αποκαλύπτει κάτι ενδιαφέρον: το μεγαλύτερο μέρος του χρήματος δαπανάται για καταλύτες. Μέταλλα της ομάδας του λευκόχρυσου, όπως το ιρίδιο και ο λευκόχρυσος, αποτελούν σχεδόν το μισό του κόστους των στοιβών PEM. Μόνο για τις ανόδους PEM, χρειαζόμαστε περίπου 1 έως 2 χιλιοστόγραμμα ανά τετραγωνικό εκατοστό ιριδίου, ενός μετάλλου τόσο σπάνιου και ακριβού, ώστε η τιμή του υπερβαίνει συχνά τα 7.400 δολάρια ανά κιλό. Το πρόβλημα επιδεινώνεται καθώς οι παγκόσμιες προμήθειες δεν μπορούν να ακολουθήσουν τον αναμενόμενο ρυθμό αύξησης της ζήτησης. Η εξάρτηση από σπάνια υλικά δημιουργεί κινδύνους τόσο για τον έλεγχο του κόστους όσο και για τις σταθερές αλυσίδες εφοδιασμού. Για να φτάσουμε στο στόχο της βιομηχανίας για 150 δολάρια ανά kW για τους ηλεκτρολύτες, με στόχο το 1 δολάριο ανά κιλό υδρογόνου, θα απαιτηθούν σημαντικές μειώσεις στο κόστος και την ποσότητα χρήσης των καταλυτών. Οι ηλεκτρολύτες με μεμβράνη αλκαλικής ανταλλαγής (AEM) ίσως προσφέρουν την απλή λύση που χρειάζεται για να επιτευχθούν αυτοί οι στόχοι σε μεγάλη κλίμακα.

Αρχιτεκτονική ΑΗΜ Ηλεκτρολυτικού: Ενεργοποίηση Πολύ-Χαμηλής Φόρτωσης Μη-Καταλυτών PGM

Η Μεμβράνη Αγωγιμότητας Υδροξειδίου Επιτρέπει Σταθερή Λειτουργία με Οξείδια Νικελίου και Σιδήρου

Οι μεμβράνες ανταλλαγής ανιόντων (AEMs) λειτουργούν διά της αγωγιμότητας των ιόντων υδροξυλίου (OH-), δημιουργώντας ένα αλκαλικό περιβάλλον που διαφέρει σημαντικά από τις όξινες συνθήκες που επικρατούν στα συστήματα PEM. Η αλκαλική φύση βοηθά στη σταθεροποίηση των πλουσίων σε γη μη-κατηδύτες PGM, όπως τα οξείδια νικελίου και σιδήρου, στην πλευρά της ανόδου. Αυτό σημαίνει ότι επιτυγχάνουμε καλή δραστικότητα για την αντίδραση εξέλιξης οξυγόνου (OER) χωρίς να καταστραφούν γρήγορα αυτά τα υλικά. Για χρόνια η σταθερότητα ήταν ένα μεγάλο πρόβλημα που καθυστερούσε τους μη-κατηδύτες PGM, αλλά πρόσφατα έχει αλλάξει. Νέες εξελίξεις στη χημεία της μεμβράνης, μαζί με βελτιωμένα σχέδια ηλεκτροδίων, επιτρέπουν σε αυτά τα συστήματα να λειτουργούν σταθερά σε βιομηχανικές πυκνότητες ρεύματος πάνω από 0,5 A ανά τετραγωνικό εκατοστό για χιλιάδες ώρες λειτουργίας. Αυτό που κάνει τις σύγχρονες μεμβράνες AEM τόσο πολύτιμες είναι η ικανότητα τους να εμποδίσουν τους κατηδύτες σωματίδια να διαλυθούν κατά τη διάρκεια της λειτουργίας. Διατηρούν τις απαιτήσεις για ηλεκτρική αγωγιμότητα ακόμα και όταν οι φορτίσεις μεταβάλλονται, γεγονός που εξαλείφει την ανάγκη για ακριβά πολύτιμα μέταλλα απλώς για να αντιμετωπιστεί η διάβρωση. Αυτό τελικά οδηγεί σε εξοπλισμό που διαρκεί πολύ περισσότερο συνολικά.

Σύγκριση: Φορτίωση Ιριδίου σε AEM έναντι PEM

Οι διαφορές στη φόρτιση καταλύτη ενισχύουν το δομικό πλεονέκτημα του AEM. Οι ηλεκτρολυτές PEM εξαρτώνται αποκλειστικά από ανόδια οξειδίου ιριδίου (IrO₂) για να αντέξουν τις διαβρωτικές συνθήκες της όξινης περιβάλλοντα. Αντίθετα, τα συστήματα AEM λειτουργούν με είτε:

• Μη-PGM καταλύτες (π.χ. υδροξείδια NiFe), που δεν απαιτούν καθόλου ιρίδιο, ή
• Υπολειμματικά επικαλύμματα PGM , συνήθως <0,1 mg/cm², που χρησιμοποιούνται μόνο για οριακή βελτίωση απόδοσης.

Αυτό αντιπροσωπεύει μια σημαντική μείωση στην κατανάλωση ιριδίου. Ο παρακάτω πίνακας περιλαμβάνει τις βασικές επιπτώσες:

Η μείωση της φόρτωσης μειώνει άμεσα το CAPEX της στοίβας κατά περίπου 30% και προστατεύει τα έργα από την αστάθεια των τιμών των PGM, γεγονός κρίσιμο για τη μακροπρόθεσμη χρηματοδότηση και την τραπεζική επάρκεια έργων.

Πλεονεκτήματα σε υλικά, σχεδιασμό και κλίμακα που μειώνουν το CAPEX του καταλύτη AEM

Καταλύτες από ευρέως διαθέσιμα στοιχεία μειώνουν την εξάρτηση από πρώτες ύλες και τον κίνδυνο αστάθειας τιμών

Οι ηλεκτρολυτές μεμβράνης αλκαλικής ανταλλαγής (AEM) αντικαθιστούν το ιρίδιο, ένα σπάνιο μέταλλο του οποίου η παγκόσμια παραγωγή ανέρχεται σε περίπου 7 έως 10 τόνους ετησίως, με νικέλιο και σίδηρο. Αυτές οι εναλλακτικές λύσεις είναι περίπου 10.000 φορές πιο πλούσιες και πραγματοποιούνται σε σταθερές, υψηλότονους παγκόσμιους αγορές. Τα παραδοσιακά συστήματα μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM) δαπανούν περίπου 40 έως 60 τοις επί τοις επί των επενδύσεων του στοιβάδα σε ομάδα πολύτιμων μετάλλων, ενώ η τεχνολογία AEM ανακατεύθυνσε αυτά τα κεφάλαια προς φθηνότερα και πιο προσβάσιμα υλικά. Έρευνα δημοσιευμένη σε ομότιμα ελεγμένα περιοδικά δείχνει ότι μη-PMG ανόδια AEM μπορούν να φτάσουν πάνω από 95% της δραστηριότητας της PEM στην αντίδραση εξέλιξης οξυγόνου, ακόμη και σε βιομηχανικά επίπεδα ρεύματος, μειώνοντας τις δαπάνες για υλικά καταλυτών έως και 90%. Η εξέταση των δυναμικών της αγοράς καθιστά αυτή την αλλαγή ακόμη πιο ελκυστική. Οι τιμές του ιριδίου αυξήθηκαν σχεδόν 800% από το 2020 έως το 2023 καθώς οι προμήθειες στενεύθηκαν, ενώ οι τιμές του οξειδίου του νικελίου και του σιδήρου παρέμειναν συνδεδεμένες με τις γενικές συνθήκες της βιομηχανικής αγοράς χωρίς τέτοια ακραία μεταβλητότητα.

Η απλούστερη σχεδίαση κυψέλης μειώνει την πολυπλοκότητα της παραγωγής και το κόστος ενσωμάτωσης του καταλύτη

Η δυνατότητα της τεχνολογίας AEM να λειτουργεί σε αλκαλικά περιβάλλοντα καθιστά δυνατή την αρκετά μεγάλη απλοποίηση της συνολικής σχεδίασης αυτών των κυψελών. Οι στοιβάδες PEM απαιτούν ποικιλία ακριβών εξαρτημάτων, συμπεριλαμβανομένων δίπολων πλακών από τιτάνιο, ειδικών παρεμβυσμάτων ανθεκτικών στο οξύ και εξαρτημάτων επικαλυμμένων με πολύτιμα μέταλλα, απλώς για να αντιστέκουν στη διάβρωση. Αντίθετα, τα συστήματα AEM λειτουργούν εξίσου καλά χρησιμοποιώντας συνήθη εξαρτήματα από ανοξείδωτο χάλυβα και τυπικά πολυμερή στεγνώματα. Όσον αφορά την εφαρμογή των στρώσεων του καταλύτη, οι κατασκευαστές διαθέτουν επιλογές που είναι τόσο κλιμακώσιμες όσο και φιλικές προς το προϋπολογισμό. Τεχνικές όπως η επικάλυψη με ψεκασμό ή η απόθεση με κύλιση (roll to roll) λειτουργούν ικανοποιητικά εδώ, γεγονός που σημαίνει ότι οι εταιρείες δεν χρειάζεται να επενδύσουν σε ακριβούς εξοπλίσεις κενού (sputtering) ή σε πολύπλοκες θερμικές διεργασίες που απαιτούνται για τις εξαιρετικά λεπτές στρώσεις ιριδίου που χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία PEM. Όλες αυτές οι βελτιώσεις στη σχεδίαση μειώνουν το κόστος σε τρεις κύριες περιοχές:

• Υλικά ανθεκτικά στο οξύ για στοιβά (εξοικονόμηση ~220 $/kW),
• Υποδομή προεπεξεργασίας υδατος υψηλής καθαρότητας,
• Λογιστική ανάκτησης και ανακύκλωσης πολύτιμων μετάλλων.

Η ανάλυση της βιομηχανίας επιβεβαιώνει ότι αυτές οι αλλαγές μειώνουν το κόστος ενσωμάτωσης καταλυτών κατά 35-50%, επιταχύνοντας την παραγωγή σε μεγάλη κλίμακα και βελτιώνοντας την ενότητα απόδοσης.

Επίπτωση στην Οικονομία του Πράσινου Υδρογόνου: Χαμηλότερο LCOH μέσω της Απόδοσης Καταλυτών AEM

Η τεχνολογία AEM ηλεκτρολύτη μειώνει σημαντικά το επίπεδο κόστος παραγωγής υδρογόνου, καθώς στοχεύει σε μία από τις μεγαλύτερες περιοχές δαπανών στα συστήματα ηλεκτρολύτη: τα υλικά του καταλύτη. Αντί να χρησιμοποιούν ακριβή ιρίδιο, αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούν ενώσεις βασισμένες σε νικέλιο και σίδηρο, των οποίων το κόστος είναι περίπου 80 έως 90 τοις εκατό χαμηλότερο. Επιπλέον, απαιτούν σχεδόν ελάχιστη φόρτιση καταλύτη. Αυτή η προσέγγιση μειώνει το κόστος υλικών χωρίς θυσία επιδόσεων, οι οποίες παραμένουν αξιόλογες, με απόδοση μεταξύ 70 και 75 τοις εκατό όταν λειτουργεί σε 1 αμπέρ ανά τετραγωνικό εκατοστό. Δεδομένου ότι τα κόστη καταλύτη συνήθως αποτελούν από 25 έως 40 τοις εκατό του συνολικού κόστους ενός ηλεκτρολύτη, η απλή αλλαγή αυτής της επιλογής οδηγεί σε σημαντικές μειώσεις των κεφαλαίων δαπανών. Τα οφέλη πολλαπλασιάζονται όταν εξετάζουμε και άλλους παράγοντες. Η απλούστερη σχεδίαση υλικολογισμού, οι ευκολότερες διαδικασίες κατασκευής και η αξιόπιστη λειτουργία ακόμη και όταν αντιμετωπίζονται διακυμάνσεις στις παραγωγές ανανεώσιμης ενέργειας συμβάλλουν όλες σε καλύτερη οικονομική απόδοση. Σε κλίμακα, τα συστήματα AEM θα μπορούσαν ενδεχομένως να φέρνουν τις τιμές του υδρογόνου κάτω από 2 δολάρια ανά χιλιόγραμμο, φτάνοντας στον «μαγικό» αριθμό που απαιτείται για να ανταγωνίζονται αποτελεσματικά σε κλάδους όπου η αποκάρβονιση είναι ιδιαίτερα δύσκολη, όπως στην παραγωγή πράσινου χάλυβα και στους τομείς βαρέων μεταφορών. Καθώς οι κατασκευαστές αυξάνουν τους όγκους παραγωγής, οι οικονομίες κλίμακας ενεργούν μέσω των επιδράσεων της καμπύλης μάθησης, εδραιώνοντας τη θέση του AEM ως κύριου παίκτη στην επίτευξη του πράσινου υδρογόνου προσιτού και εφικτού σε παγκόσμιες αγορές.

Συχνές ερωτήσεις

Γιατί είναι κρίσιμο το κόστος του καταλύτη στην παραγωγή πράσινης υδρογόνου;

Το κόστος του καταλύτη είναι ένας σημαντικός παράγοντας επειδή τα υλικά που χρησιμοποιούνται, όπως το ιρίδιο και το πλατίνα, είναι ακριβά και αυξάνουν σημαντικά τα κεφαλαιουχικά έξοδα των ηλεκτρολυτών, όπως τα συστήματα PEM.

Πώς μειώνουν οι ηλεκτρολύτες AEM αυτά τα κόστη;

Οι ηλεκτρολύτες AEM χρησιμοποιούν φθηνότερα υλικά που είναι άφθονα στη γη, όπως το νικέλιο και ο σίδηρος, μειώνοντας έτσι σημαντικά το κόστος των υλικών του καταλύτη.

Ποια είναι η απόδοση των συστημάτων AEM σε σύγκριση με τα συστήματα PEM;

Γενικά, τα συστήματα AEM επιτυγχάνουν απόδοση μεταξύ 70 και 75 τοις εκατό, ενώ επωφελούνται επίσης από μειωμένο κόστος και βελτιωμένη σταθερότητα σε σύγκριση με τα συστήματα PEM.

Μπορεί το πράσινο υδρογόνο να παραχθεί σε ανταγωνιστικά κόστη;

Ναι, με τις εξελίξεις στην τεχνολογία AEM, το κόστος του πράσινου υδρογόνου θα μπορούσε να μειωθεί σε λιγότερο από 2 δολάρια ανά κιλό, καθιστώντας το ανταγωνιστικό σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα.