Miksi katalysaattorin kustannus on kriittinen pullonkaula vihreän vetyntuotannossa

Vihreän vetyä tuotettaessa kustannus on vielä noin 3,8–11,9 dollaria per kilogramma, mikä on selvästi korkeampi kuin fossiilisten vaihtoehtojen hinta, kuten höyrymetanireformoinnissa, joka vaihtelee 1,5–6,4 dollaria per kg. Tämä hintaero vaikeuttaa toimintojen skaalaamista. Elektrolyysin pääomakustannukset pysyvät merkittävänä kustannustekijänä, erityisesti protoninvaihtokalvo (PEM) -järjestelmille, joiden tyypillinen hinta on 800–1 500 dollaria per kW. Tarkempi tarkastelu näistä kustannuksista paljastaa jotain mielenkiintoista: suurin osa rahoista menee katalyysin. Platinarunkaiset metallit kuten iridium ja platina muodostavat lähes puolet PEM-kerrosten kustannuksista. Ainoastaan PEM-anodeihin tarvitaan noin 1–2 milligrammaa iridiumia neliösenttimetriä kohti, ja tämä metalli on niin harvinainen ja kallis, että sen hinta usein ylittää 7 400 dollaria per kg. Ongelma pahenee, kun maailman tarjonta ei pysy kasvun odotetun kysynnän tahdissa. Tämä harvinainen materiaaliin perustuva riippuvuus luo riskejä sekä kustannuskontrollille että vakaille toimitusketjuille. Päästäkseen teollisuustavoitteeseen 150 dollaria per kW elektrolyysille ja 1 dollaria per kg vedylle vaaditaan merkittäviä vähennyksiä katalyysin kustannuksiin ja käyttömääriin. Emäntenvaihtokalvo (AEM) -elektrolyysit saattavat tarjota suoraviivaisen ratkaisun näiden tavoitteiden saavuttamiseksi laajassa mittakaavassa.

AEM-elektrolyysirakennetta: Mahdollistaa erittäin alhaisen ei-PGM-katalyytin käytön

Hydroksidinjohtava kalvo mahdollistaa vakion toiminnan nikkeli- ja rautaoksidiin

Anioninvaihtokalvot (AEM) toimivat johtamalla hydroksidi-ioneja (OH⁻), luoden emäksisen ympäristön, joka poikkeaa selvästi PEM-järjestelmien happamista olosuhteista. Emäksisyys itse asiassa auttaa stabiloimaan maaperästä runsaasti saatavia ei-PGM-katalyyttejä, kuten nikkelin ja rautaoksidiyhdenteitä anodilla. Tämä tarkoittaa, että saavutetaan hyvä hapen kehitysreaktion (OER) aktiivisuus ilman, että nämä materiaalit hajoavat liian nopeasti. Vuosia sitten stabiilisuus oli suuri ongelma, joka hidasti ei-PGM-katalyyttien kehitystä, mutta tilanne on muuttunut viime aikoina. Uudet kalvokemian kehitykset yhdessä parantuneiden elektrodien suunnitteluiden kanssa mahdollistavat näiden järjestelmien vakaa käyttö teollisissa virrantiheyksissä yli 0,5 A:n neliösenttimetriä kohti tuhansia käyttötunteja. Modernien AEM-kalvojen arvokkuutta lisää niiden kyky estää katalyyttipartikkelien liukeneminen käytön aikana. Ne säilyttävät ionijohtavuuden vaatimukset jopa vaihtelevien kuormitusten aikana, mikä poistaa tarpeen kalliille jalometalleille pelkästään korroosion torjumiseksi. Tämä johtaa lopulta huomattavasti kestävämpiin laitteisiin kokonaisuudessaan.

Vertailu: Iridiumin määrä AEM:ssä ja PEM:ssä

Katalyyttien määrä eroavat ja korostavat AEM:n rakenteellista etua. PEM-elektrolyysijärjestelmät nojaavat yksinomaan iridiumoksidianodeihin (IrO₂), jotka kestävät syövyttäviä happamia olosuhteita. Sen sijaan AEM-järjestelmät voivat toimia joko:

• Ei-PGM-katalyytteillä (esim. NiFe-oxyhydroxidit), jotka eivät vaadi lainkaan iridiumia, tai
• Jäljittelevillä PGM-pinnoitteilla , tyypillisesti <0,1 mg/cm², joita käytetään ainoastaan marginaaliseen suorituskyvyn parantamiseen.

Tämä tarkoittaa merkittävää vähennystä iridiumin kulutuksessa. Alla oleva taulukko tiivistää keskeiset seuraukset:

Alhaisempi kuormitus vähentää suoraan pinon CAPEX:iä noin 30 %:lla ja suojelee hankkeita PGM-hintojen heilahtelulta, mikä on kriittistä pitkän aikavälin hankkeiden rahoituksessa ja luottoarvossa.

Materiaali-, suunnittelu- ja skaala-edut, jotka laskevat AEM-katalyyttien CAPEX:iä

Maaperästä saatavat katalyytit vähentävät raaka-aineriippuvuutta ja volatiliteettiriskiä

Emäksiset vaihtokalvot (AEM) korvaavat iridiumin, jota tuotetaan noin 7–10 tonnia vuodessa maailmanlaajuisesti, nikelillä ja raudalla. Nämä vaihtoehdot ovat noin 10 000 kertaa runsaammassa määrin saatavilla ja niiden kauppa tapahtuu vakailla, suurta tilavuutta käsittelevillä markkinoilla ympäri maailmaa. Perinteiset protoninvaihtokalvo (PEM) -järjestelmät käyttävät noin 40–60 prosenttia pinnoittain sijoitetusta pääomasta jalometallien hankintaan, mutta AEM-teknologia ohjaa nämä varat edullisempiin ja helpommin saatavilla oleviin materiaaleihin. Vertaisarvioituun tutkimuskirjallisuuteen julkaistut tiedot osoittavat, että ei-PGM AEM-anodit voivat saavuttaa yli 95 % PEM-järjestelmän hapenmuodostusreaktion aktiivisuudesta myös teollisilla virrantiheyksillä, mikä voi vähentää katalyyttimateriaalien kustannuksia jopa 90 prosentilla. Markkinoiden kehitystä tarkasteltaessa tämä siirtymä tulee entistä houkuttelevammaksi. Iridiumin hinta nousi lähes 800 prosenttia vuosina 2020–2023 tarjonnan kiristyessä, kun taas nikkeli- ja rautaoksidi-hinnat ovat pysyneet sidoksissa yleisiin teollisiin markkinoloihin ilman vastaavaa äärimmäistä volatiliteettia.

Yksinkertaisempi kennotsuunnittelu vähentää valmistusmonimutkaisuutta ja katalysaattorin integrointikustannuksia

AEM-tekniikan kyky toimia alkalisten ympäristöjen kanssa mahdollistaa näiden kennojen kokonaisrakenteen huomattavan yksinkertaistamisen. PEM-kennojärjestelmät vaativat kaikenlaisia kalliita osia, kuten titaanista bipolaarilevyjä, erityyppisiä hapenkestäviä tiivisteitä ja kultametallipinnoitettuja komponentteja korroosion estämiseksi. AEM-järjestelmät taas toimivat hyvin tavallisten ruostumattomasta teräksestä valmistettujen osien ja tavallisten polymeeritiivisteen kanssa. Katalysaattikerrosten levityksessä valmistajilla on käytettävissään skaalautuvia ja kustannustehokkaita menetelmiä. Esimerkiksi suihkepäällyste tai rullaperäpäällystys toimivat hyvin tässä, jolloin yritykset eivät tarvitse kalliita tyhjössputterointilaitteita tai monimutkaisia lämpöprosesseja, joita tarvitaan PEM-tekniikassa käytettyjen erittäin ohuiden iridiumikerrosten valmistukseen. Kaikki nämä suunnitteluparannukset vähentävät kustannuksia kolmella pääalueella:

• Happiinkestävät pinomateriaalit (säästö ~220 $/kW),
• Erityisen puhdistetun veden esikäsittelyinfrastruktuuri,
• Kultametallien keruu- ja kierrätyslogistiikka.

Toimialan analyysi vahvistaa, että nämä muutokset vähentävät katalyyttien integrointikustannuksia 35–50 %:lla, nopeuttavat tuotannon laajentumista ja parantavat saannon johdonmukaisuutta.

Vaikutus vihreän vetytalouden talouteen: Alhaisempi LCOH AEM-katalyyttien tehokkuuden ansiosta

AEM-elektrolyysiteknologia vähentää merkittävästi vetyntuotannon tasattua hintatasoa, koska se kohdistuu yhteen elektrolyysijärjestelmien suurimmista kustannusalueista: katalysaattimateriaaleihin. Näissä järjestelmissä käytetään iridiumin sijaan nikkeli- ja rautapohjaisia yhdisteitä, jotka maksavat noin 80–90 prosenttia vähemmän. Entistä parempi on, että niiden katalysaattimäärä vaaditaan melkein ollenkaan. Tämä lähestymistapa vähentää materiaalikustannuksia suorittamatta kompromisseja suorituskyvyn tasosta, joka säilyy melko vaikuttavana 70–75 prosentin tehokkuudella toimiessaan yhden ampeerin tiheysneliösenttimetrillä. Koska katalysaattikustannukset yleensä muodostavat 25–40 prosenttia elektrolyysin kokonaiskustannuksista, tämän vaihdon yksinään tekeminen johtaa merkittäviin pääomakustannusten alenemiseen. Hyödyt moninkertaistuvat, kun tarkastelemme myös muita tekijöitä. Yksinkertaisempi laitteiston suunnittelu, helpompi valmistusprosessi ja luotettava toiminta jopa vaihtelevan uusiutuvan energian syötteillä kaikki edistävät parempaa taloudellisuutta. Teollisessa mittakaavassa AEM-järjestelmät voisivat mahdollisesti saavuttaa vetyhinnan alle 2 dollaria per kilogramma, saavuttaen sen taikatalon arvon, joka tarvitaan tehokkaaseen kilpailuun sellaisissa aloilla kuin vihreän teräntuotannon ja raskaiden kuljetusten sektoreilla. Kun valmistajat kasvattavat tuotantotilavuuksiaan, mittakaavaeduista tulee todellisia oppimiskäyrävaikutusten kautta, vahvistaen AEM:n asemaa keskeisenä tekijänä vihreän vetyä halpalla ja toteuttavissa globaaleilla markkinoilla.

UKK

Miksi katalysaattorin hinta on ratkaisevaa vihreän vedyntuotannon kannattavuudessa?

Katalysaattorin hinta on merkittävä tekijä, koska käytetyt materiaalit, kuten iridium ja platina, ovat kalliita ja nostavat huomattavasti PEM-järjestelmien kuten elektrolyysien pääomaisuuskustannuksia.

Miten AEM-elektrolyysit vähentävät näitä kustannuksia?

AEM-elektrolyysit käyttävät maaperässä runsaasti olevia materiaaleja kuten nikkeliä ja rautaa, jotka ovat paljon halvempia, ja siten vähentävät merkittävästi katalysaattorimateriaalikustannuksia.

Mikä on AEM-järjestelmien hyötysuhde verrattuna PEM-järjestelmiin?

Yleensä AEM-järjestelmät saavuttavat hyötysuhteen välillä 70–75 prosenttia ja hyötyvät myös alhaisemmista kustannuksista ja parantuneesta stabiilisuudesta verrattuna PEM-järjestelmiin.

Voiko vihreää vetyä tuottaa kilpailukykyisillä kustannuksilla?

Kyllä, AEM-teknologian edistyessä vihreän vedyn tuotantokustannukset voivat laskea alle 2 dollarin kilogrammaa kohti, mikä tekee siitä kilpailukykyisen fossiilisten polttoaineiden kanssa.