हरित हाइड्रोजन उत्पादन में उत्प्रेरक लागत महत्वपूर्ण बाधा क्यों है

हर किलोग्राम ग्रीन हाइड्रोजन के उत्पादन की लागत अभी भी लगभग 3.8 डॉलर से 11.9 डॉलर प्रति किलोग्राम के बीच है, जो इसे भाप मीथेन रिफॉर्मिंग जैसे जीवाश्म ईंधन विकल्पों की तुलना में काफी अधिक बनाती है, जिसकी लागत 1.5 डॉलर से 6.4 डॉलर प्रति किलोग्राम के बीच होती है। इस मूल्य अंतर के कारण संचालन के पैमाने को बढ़ाना मुश्किल हो जाता है। इलेक्ट्रोलाइज़र की पूंजीगत व्यय एक प्रमुख खर्च बना हुआ है, विशेष रूप से प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली (PEM) प्रणालियों के लिए, जिनकी लागत आमतौर पर 800 डॉलर से 1,500 डॉलर प्रति kW के बीच होती है। इन लागतों का निकटता से विश्लेषण करने से एक दिलचस्प बात सामने आती है: अधिकांश धन उत्प्रेरकों पर खर्च होता है। आइरीडियम और प्लैटिनम जैसी प्लैटिनम समूह की धातुएं PEM स्टैक की लागत का लगभग आधा हिस्सा बनाती हैं। केवल PEM एनोड के लिए, हमें आइरीडियम की लगभग 1 से 2 मिलीग्राम प्रति वर्ग सेंटीमीटर की आवश्यकता होती है, एक ऐसी धातु जो इतनी दुर्लभ और महंगी है कि इसकी कीमत अक्सर 7,400 डॉलर प्रति किलोग्राम से अधिक हो जाती है। समस्या और बढ़ जाती है क्योंकि वैश्विक आपूर्ति अपेक्षित मांग वृद्धि के साथ प्रतिस्पर्धा नहीं कर सकती। दुर्लभ सामग्रियों पर इस निर्भरता लागत नियंत्रण और स्थिर आपूर्ति श्रृंखलाओं दोनों के लिए जोखिम पैदा करती है। इलेक्ट्रोलाइज़र के उद्योग लक्ष्य 150 डॉलर प्रति kW तक लाने और हाइड्रोजन की लागत 1 डॉलर प्रति किलोग्राम के लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए उत्प्रेरक की लागत और उपयोग मात्रा में महत्वपूर्ण कमी की आवश्यकता होगी। क्षारीय एक्सचेंज झिल्ली (AEM) इलेक्ट्रोलाइज़र संभवतः इन लक्ष्यों को पैमाने पर प्राप्त करने के लिए आवश्यक सरल समाधान प्रदान कर सकते हैं।

एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र आर्किटेक्चर: गैर-पीजीएम उत्प्रेरकों के अति-कम लोडिंग को सक्षम करना

हाइड्रॉक्साइड-चालन झिल्ली निकेल और आयरन ऑक्साइड के साथ स्थिर संचालन को सक्षम करती है

एनियन एक्सचेंज झिल्लियाँ (AEMs) हाइड्रॉक्साइड आयनों (OH-) के संचालन द्वारा कार्य करती हैं, जो पीईएम प्रणालियों में पाए जाने वाले अम्लीय परिस्थितियों से काफी भिन्न क्षारीय वातावरण बनाती हैं। यह क्षारीय प्रकृति वास्तव में एनोड की ओर निकल और आयरन ऑक्साइड जैसे पृथ्वी में प्रचुर गैर-पीजीएम उत्प्रेरकों को स्थिर करने में सहायता करती है। इसका तात्पर्य है कि हमें ऑक्सीजन उत्सर्जन अभिक्रिया (OER) की अच्छी गतिविधि प्राप्त होती है बिना इन सामग्रियों के जल्दी टूटे। कई वर्षों तक स्थिरता गैर-पीजीएम उत्प्रेरकों को आगे बढ़ाने में एक बड़ी समस्या थी, लेकिन हाल ही में चीजें बदल गई हैं। झिल्ली रसायन में नए विकास के साथ-साथ बेहतर इलेक्ट्रोड डिजाइन इन प्रणालियों को औद्योगिक धारा घनत्व पर 0.5 ए/वर्ग सेमी से अधिक के लिए हजारों संचालन घंटों तक स्थिर रूप से चलाने की अनुमति देते हैं। आधुनिक AEM झिल्लियों को जो मूल्यवान बनाता है वह है संचालन के दौरान उत्प्रेरक कणों के घुलने से रोकने की उनकी क्षमता। भार में उतार-चढ़ाव होने पर भी वे आयनिक चालकता की आवश्यकताओं के साथ बने रहते हैं, जिससे संक्षारण से निपटने के लिए महंगी धातुओं की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। इससे अंततः कुल मिलाकर बहुत लंबे समय तक चलने वाले उपकरण मिलते हैं।

तुलना: AEM बनाम PEM में आइरिडियम लोडिंग

उत्प्रेरक लोडिंग में अंतर AEM के संरचनात्मक लाभ को दर्शाता है। PEM इलेक्ट्रोलाइज़र केवल संक्षारक अम्लीय परिस्थितियों का सामना करने के लिए आइरिडियम ऑक्साइड (IrO₂) एनोड पर निर्भर करते हैं। इसके विपरीत, AEM प्रणालियाँ या तो इस्तेमाल करती हैं:

• गैर-पीजीएम उत्प्रेरक (उदाहरण के लिए, NiFe ऑक्सीहाइड्रॉक्साइड), जिसमें शून्य आइरिडियम की आवश्यकता होती है, या
• अति सूक्ष्म पीजीएम कोटिंग , आमतौर पर <0.1 mg/cm², केवल सीमांत प्रदर्शन में सुधार के लिए उपयोग की जाती है।

इससे आइरिडियम की खपत में महत्वपूर्ण कमी आती है। नीचे दी गई तालिका प्रमुख प्रभावों का सारांश देती है:

कम लोडिंग सीधे तौर पर लगभग 30% तक स्टैक CAPEX को कम करती है और पीजीएम मूल्य अस्थिरता से परियोजनाओं को सुरक्षित रखती है, जो दीर्घकालिक परियोजना वित्तपोषण और बैंकेबिलिटी के लिए महत्वपूर्ण है।

AEM उत्प्रेरक CAPEX को कम करने वाले सामग्री, डिज़ाइन और पैमाने के लाभ

पृथ्वी में प्रचुर उत्प्रेरक कच्ची सामग्री पर निर्भरता और अस्थिरता के जोखिम को कम करते हैं

क्षारीय विनिमय झिल्ली (AEM) इलेक्ट्रोलाइज़र आइरिडियम को निकल और लोहे से बदल देते हैं, जो एक दुर्लभ धातु है जिसका उत्पादन विश्व स्तर पर लगभग 7 से 10 टन प्रति वर्ष की दर से होता है। ये विकल्प लगभग 10,000 गुना अधिक प्रचुर मात्रा में उपलब्ध हैं और वास्तव में दुनिया भर में स्थिर, उच्च मात्रा वाले बाजारों में कारोबार करते हैं। पारंपरिक प्रोटॉन विनिमय झिल्ली (PEM) प्रणालियाँ अपने स्टैक पूंजीगत व्यय का लगभग 40 से 60 प्रतिशत महंगी समूह धातुओं पर खर्च करती हैं, लेकिन AEM प्रौद्योगिकी उन निधियों को सस्ती और अधिक सुलभ सामग्री की ओर मोड़ देती है। सहकर्मी-समीक्षित पत्रिकाओं में प्रकाशित शोध दिखाते हैं कि औद्योगिक धारा स्तरों पर भी गैर-PMG AEM एनोड PEM की ऑक्सीजन उत्पादन प्रतिक्रिया गतिविधि का 95% से अधिक तक पहुँच सकते हैं, जिससे उत्प्रेरक सामग्री के खर्च में 90% तक की कमी आती है। बाजार गतिशीलता को देखने से यह बदलाव और भी अधिक आकर्षक बन जाता है। आपूर्ति संकुचित होने के कारण 2020 से 2023 तक आइरिडियम की कीमतें लगभग 800% तक बढ़ गईं, जबकि निकल और आयरन ऑक्साइड की कीमतें सामान्य औद्योगिक बाजार की स्थितियों से जुड़ी रहीं और उतनी चरम अस्थिरता नहीं दिखाई।

सरलीकृत सेल डिज़ाइन निर्माण जटिलता और उत्प्रेरक एकीकरण लागत को कम करता है

AEM तकनीक की क्षमता क्षारीय वातावरण में काम करने के लिए इन सेलों के समग्र डिज़ाइन को काफी हद तक सरल बनाना संभव बनाती है। PEM स्टैक्स को संक्षारण के खिलाफ खड़े रहने के लिए टाइटेनियम बाइपोलर प्लेट्स, विशेष अम्ल-प्रतिरोधक गैस्केट्स और महंगी धातुओं से लेपित घटकों सहित सभी प्रकार के महंगे भागों की आवश्यकता होती है। लेकिन AEM सिस्टम सामान्य स्टेनलेस स्टील भागों और सामान्य पॉलिमर सील्स का उपयोग करके भी ठीक से काम करते हैं। उत्प्रेरक परतों को लागू करने के मामले में, निर्माता स्केलेबल और बजट-अनुकूल विकल्पों का उपयोग कर सकते हैं। यहाँ स्प्रे कोटिंग या रोल-टू-रोल डिपॉजिशन जैसी तकनीकें अच्छी तरह काम करती हैं, जिसका अर्थ है कि कंपनियों को PEM तकनीक में उपयोग किए जाने वाले अत्यंत पतली आइरीडियम परतों के लिए आवश्यक महंगे वैक्यूम स्पटरिंग उपकरण या जटिल ताप प्रक्रियाओं में निवेश नहीं करना पड़ता। इन सभी डिज़ाइन सुधार लागत को तीन मुख्य क्षेत्रों में कम करते हैं:

• अम्ल-प्रतिरोधी ढेर सामग्री (लगभग $220/किलोवाट की बचत),
• अति-शुद्ध जल पूर्वउपचार बुनियादी ढांचा,
• महान-धातु पुनःप्राप्ति और पुनर्चक्रण तंत्र,

उद्योग विश्लेषण इन परिवर्तनों की पुष्टि करता है जो उत्प्रेरक एकीकरण लागत में 35-50% की कमी करते हैं, आयतन उत्पादन के समय को तेज करते हैं और उपज स्थिरता में सुधार करते हैं।

हरित हाइड्रोजन अर्थशास्त्र पर प्रभाव: AEM उत्प्रेरक दक्षता के माध्यम से कम LCOH

एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र तकनीक हाइड्रोजन उत्पादन की समरूपित लागत में महत्वपूर्ण कमी करती है क्योंकि यह इलेक्ट्रोलाइज़र प्रणालियों में सबसे बड़े खर्च के क्षेत्र उत्प्रेरक सामग्री पर केंद्रित करती है। महंगे आयरीडियम के बजाय, इन प्रणालियों में निकल और लोहे आधारित यौगिकों का उपयोग किया जाता है जिनकी लागत लगभग 80 से 90 प्रतिशत कम है। इसके अतिरिक्त, इनकी उत्प्रेरक लोडिंग की लगभग कोई आवश्यकता नहीं होती है। यह दृष्टिकोण सामग्री लागत में कमी लाता है बिना प्रदर्शन स्तर के त्याग किए, जो 1 एम्पीयर प्रति वर्ग सेंटीमीटर पर संचालित होने की स्थिति में 70 से 75 प्रतिशत दक्षता के बीच काफी प्रभावशाली बने रहता है। चूंकि उत्प्रेरक लागत आमतौर पर इलेक्ट्रोलाइज़र की कुल लागत का 25 से 40 प्रतिशत तक बनाती है, इस परिवर्तन अकेले पूंजीगत व्यय में महत्वपूर्ण कमी लाता है। अन्य कारकों पर विचार करने से लाभ और बढ़ जाते हैं। सरलीकृत हार्डवेयर डिज़ाइन, आसान निर्माण प्रक्रियाएं, और अस्थिर नवीकरणीय ऊर्जा निवेश के साथ निपटने पर भी विरामहीन संचालन बेहतर अर्थशास्त्र में योगदान करते हैं। पैमाने पर, एईएम प्रणालियां हाइड्रोजन की कीमत को प्रति किलोग्राम 2 डॉलर से कम ला सकती हैं, उस जादुई संख्या तक पहुंचने के लिए जिसकी आवश्यकता कार्बन मुक्तीकरण विशेष रूप से चुनौतीपूर्ण उद्योगों में प्रतिस्पर्धा करने के लिए होती है, जैसे हरित इस्पात उत्पादन और भारी उपकरण परिवहन क्षेत्र। जैसे-जैसे निर्माता उत्पादन मात्रा बढ़ाते हैं, सीखने वक्र प्रभाव के माध्यम से पैमाने के अनुरूप अर्थशास्त्र सक्रिय हो जाते हैं, जो एईएम की स्थिति को वैश्विक बाजारों में हरित हाइड्रोजन को सस्ती और व्यवहार्य बनाने के लिए प्रमुख खिलाड़ी के रूप में सुदृढ़ करता है।

सामान्य प्रश्न

हरित हाइड्रोजन उत्पादन में उत्प्रेरक लागत क्यों महत्वपूर्ण है?

उत्प्रेरक लागत एक प्रमुख कारक है क्योंकि उपयोग की जाने वाली सामग्री, जैसे आइरिडियम और प्लैटिनम, महंगी होती हैं और पीईएम प्रणालियों जैसे इलेक्ट्रोलाइज़र के पूंजीगत व्यय को काफी बढ़ा देती हैं।

एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र इन लागतों को कैसे कम करते हैं?

एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र निकल और लोहे जैसी पृथ्वी पर प्रचुर मात्रा में उपलब्ध सस्ती सामग्री का उपयोग करते हैं, जिससे उत्प्रेरक सामग्री की लागत में काफी कमी आती है।

पीईएम प्रणालियों की तुलना में एईएम प्रणालियों की दक्षता क्या है?

आम तौर पर, एईएम प्रणालियाँ 70 से 75 प्रतिशत तक दक्षता प्राप्त करती हैं, और पीईएम प्रणालियों की तुलना में कम लागत और सुधरी स्थिरता का भी लाभ उठाती हैं।

क्या हरित हाइड्रोजन को प्रतिस्पर्धी लागत पर उत्पादित किया जा सकता है?

हाँ, एईएम प्रौद्योगिकी में उन्नति के साथ, हरित हाइड्रोजन की लागत को प्रति किलोग्राम 2 डॉलर से कम तक कम किया जा सकता है, जिससे यह जीवाश्म ईंधन के खिलाफ प्रतिस्पर्धी बन जाता है।