Pourquoi le coût du catalyse constitue-t-il un goulot d'étranglement critique dans la production d'hydrogène vert

Le coût de production de l'hydrogène vert s'élève encore à environ 3,80 à 11,90 dollars par kilogramme, un niveau bien supérieur au prix des alternatives fossiles comme le reformage du méthane à la vapeur, dont le coût varie entre 1,50 et 6,40 dollars par kg. Cet écart de prix rend difficile le développement à grande échelle des opérations. Les dépenses en capital pour les électrolyseurs restent une charge importante, en particulier pour les systèmes à membrane échangeuse de protons (PEM), dont le coût se situe généralement entre 800 et 1 500 dollars par kW. Un examen plus attentif de ces coûts révèle un point intéressant : la majeure partie des dépenses concerne les catalyseurs. Les métaux du groupe du platine, comme l'iridium et le platine, représentent près de la moitié du coût des empilements PEM. Pour les anodes PEM seules, on a besoin d'environ 1 à 2 milligrammes par centimètre carré d'iridium, un métal si rare et cher que son prix dépasse souvent 7 400 dollars par kg. La situation s'aggrave car les approvisionnements mondiaux ne peuvent pas suivre la croissance attendue de la demande. Cette dépendance à l'égard de matériaux rares crée des risques tant pour le contrôle des coûts que pour la stabilité des chaînes d'approvisionnement. Atteindre l'objectif industriel de 150 dollars par kW pour les électrolyseurs, tout en visant 1 dollar par kg d'hydrogène, exigera des réductions significatives des coûts et des quantités utilisées de catalyseurs. Les électrolyseurs à membrane échangeuse alcaline (AEM) pourraient offrir la solution simple nécessaire pour atteindre ces objectifs à grande échelle.

Architecture d'électrolyseur AEM : Permettre une faible charge ultra-faible de catalyseurs sans PGM

La membrane conductrice d'hydroxyde permet un fonctionnement stable avec des oxydes de nickel et de fer

Les membranes échangeuses d'anions (AEM) fonctionnent en conduisant des ions hydroxyle (OH⁻), créant un environnement alcalin très différent des conditions acides rencontrées dans les systèmes PEM. La nature alcaline aide en fait à stabiliser les catalyseurs non-PGM abondants dans la terre, tels que les oxydes de nickel et de fer, du côté de l'anode. Cela permet d'obtenir une bonne activité pour la réaction d'évolution de l'oxygène (OER) sans que ces matériaux ne se dégradent trop rapidement. Pendant des années, la stabilité constituait un problème majeur freinant le développement des catalyseurs non-PGM, mais la situation a changé récemment. De nouvelles avancées en chimie des membranes, combinées à de meilleures conceptions d'électrodes, permettent à ces systèmes de fonctionner de manière stable à des densités de courant industrielles supérieures à 0,5 A par centimètre carré pendant des milliers d'heures de fonctionnement. Ce qui rend les membranes AEM modernes si précieuses, c'est leur capacité à empêcher la dissolution des particules de catalyseur pendant le fonctionnement. Elles maintiennent les exigences en conductivité ionique même en cas de fluctuations de charge, éliminant ainsi le besoin de métaux nobles coûteux uniquement pour lutter contre la corrosion. Cela conduit finalement à des équipements nettement plus durables.

Comparaison : teneur en iridium dans la AEM par rapport à la PEM

Les différences de charge catalytique soulignent l'avantage structurel de la AEM. Les électrolyseurs PEM s'appuient exclusivement sur des anodes d'oxyde d'iridium (IrO₂) pour résister aux conditions acides corrosives. En revanche, les systèmes AEM fonctionnent soit avec

• Catalyseurs non-PGM (par exemple, oxyhydroxydes de NiFe), ne nécessitant aucun iridium, soit
• Revêtements PGM en traces , généralement <0,1 mg/cm², utilisés uniquement pour une amélioration marginale des performances.

Cela représente une réduction significative de la consommation d'iridium. Le tableau ci-dessous résume les principales implications :

Une charge plus faible réduit directement le CAPEX du stack d'environ 30 % et protège les projets contre la volatilité des prix des métaux du groupe platine (PGM), ce qui est crucial pour le financement à long terme des projets et leur banqueabilité.

Avantages liés au matériau, à la conception et à l'échelle qui réduisent le CAPEX des catalyseurs AEM

Des catalyseurs à base d'éléments abondants sur Terre réduisent la dépendance aux matières premières et le risque de volatilité

Les électrolyseurs à membrane échangeuse d'alkalins (AEM) remplacent l'iridium, un métal rare produit au niveau mondial à raison de 7 à 10 tonnes par an environ, par du nickel et du fer. Ces alternatives sont environ 10 000 fois plus abondantes et font effectivement l'objet d'échanges sur des marchés stables et à haut volume dans le monde entier. Les systèmes traditionnels à membrane échangeuse de protons (PEM) consacrent environ 40 à 60 pour cent de leurs dépenses en capital pour la pile à des métaux du groupe précieux, mais la technologie AEM réaffecte ces fonds à des matériaux moins coûteux et plus accessibles. Des recherches publiées dans des revues scientifiques à comité de lecture montrent que les anodes AEM sans métaux du groupe platine (non-PGM) peuvent atteindre plus de 95 % de l'activité de la réaction d'évolution de l'oxygène des PEM, même à des niveaux de courant industriels, réduisant ainsi les coûts des matériaux catalytiques jusqu'à 90 %. L'analyse des dynamiques du marché rend ce changement encore plus pertinent. Le prix de l'iridium a augmenté de près de 800 % entre 2020 et 2023 avec le resserrement des approvisionnements, tandis que les prix du nickel et de l'oxyde de fer sont restés liés aux conditions générales des marchés industriels, sans présenter une telle volatilité extrême.

Une conception simplifiée de la cellule réduit la complexité de fabrication et le coût d'intégration du catalyseur

La capacité de la technologie AEM à fonctionner dans des environnements alcalins permet de simplifier considérablement la conception globale de ces cellules. Les piles PEM nécessitent toutes sortes de pièces coûteuses, comme des plaques bipolaires en titane, des joints résistants à l'acide et des composants revêtus de métaux précieux, simplement pour résister à la corrosion. En revanche, les systèmes AEM fonctionnent parfaitement avec des pièces en acier inoxydable classique et des joints polymères courants. En ce qui concerne l'application des couches catalysantes, les fabricants disposent de méthodes à la fois évolutives et économiques. Des techniques telles que le revêtement par pulvérisation ou le dépôt en continu (roll to roll) conviennent bien, ce qui signifie que les entreprises n'ont pas à investir dans des équipements coûteux de pulvérisation sous vide ou dans des procédés thermiques complexes nécessaires pour les fines couches d'iridium utilisées dans la technologie PEM. L'ensemble de ces améliorations de conception réduit les coûts dans trois domaines principaux :

• Matériaux de pile résistants aux acides (économie d'environ 220 $/kW),
• Infrastructure de prétraitement d'eau ultra-pure,
• Logistique de récupération et de recyclage des métaux nobles.

Une analyse du secteur confirme que ces changements réduisent les coûts d'intégration des catalyseurs de 35 à 50 %, accélérant ainsi la montée en échelle de la fabrication et améliorant la régularité des rendements.

Impact sur l'économie de l'hydrogène vert : réduction du coût actualisé de l'hydrogène (LCOH) grâce à l'efficacité du catalyseur AEM

La technologie d'électrolyseur AEM réduit considérablement le coût actualisé de production d'hydrogène, car elle cible l'un des postes de dépenses les plus importants dans les systèmes d'électrolyseurs : les matériaux catalytiques. Au lieu d'utiliser de l'iridium coûteux, ces systèmes emploient des composés à base de nickel et de fer dont le prix est inférieur de 80 à 90 pour cent. De plus, ils nécessitent pratiquement aucune charge en catalyseur. Cette approche permet de réduire les coûts des matériaux sans sacrifier les performances, qui restent très appréciables, entre 70 et 75 pour cent d'efficacité lorsqu'elles fonctionnent à 1 ampère par centimètre carré. Étant donné que les coûts de catalyseurs représentent généralement entre 25 et 40 pour cent du coût total d'un électrolyseur, ce simple changement entraîne des réductions majeures des dépenses en capital. Les avantages se multiplient lorsque l'on examine également d'autres facteurs. Une conception matérielle simplifiée, des procédés de fabrication plus faciles et un fonctionnement fiable même avec des apports d'énergie renouvelable fluctuants contribuent tous à une meilleure rentabilité. À grande échelle, les systèmes AEM pourraient potentiellement faire baisser le prix de l'hydrogène en dessous de 2 dollars le kilogramme, atteignant ainsi le seuil magique nécessaire pour être compétitif dans des secteurs où la décarbonation est particulièrement difficile, comme la production d'acier vert et les transports lourds. À mesure que les fabricants augmentent leurs volumes de production, les économies d'échelle interviennent grâce aux effets de la courbe d'apprentissage, consolidant ainsi la position de l'AEM comme acteur clé dans la réalisation d'un hydrogène vert abordable et réalisable sur les marchés mondiaux.

FAQ

Pourquoi le coût du catalyseur est-il crucial dans la production d'hydrogène vert ?

Le coût du catalyseur est un facteur majeur car les matériaux utilisés, comme l'iridium et le platine, sont coûteux et augmentent considérablement les dépenses en capital des électrolyseurs, tels que les systèmes PEM.

Comment les électrolyseurs AEM réduisent-ils ces coûts ?

Les électrolyseurs AEM utilisent des matériaux abondants dans la nature, comme le nickel et le fer, qui sont beaucoup moins chers, réduisant ainsi significativement les coûts des matériaux catalytiques.

Quelle est l'efficacité des systèmes AEM par rapport aux systèmes PEM ?

En général, les systèmes AEM atteignent une efficacité comprise entre 70 et 75 pour cent, tout en bénéficiant de coûts réduits et d'une stabilité améliorée par rapport aux systèmes PEM.

L'hydrogène vert peut-il être produit à des coûts compétitifs ?

Oui, grâce aux progrès de la technologie AEM, le coût de l'hydrogène vert pourrait être ramené à moins de 2 dollars le kilogramme, le rendant compétitif par rapport aux combustibles fossiles.