Miért a katalizátor költsége a kritikus akadálya a zöld hidrogén előállításának

A zöld hidrogén előállításának költsége jelenleg körülbelül 3,8 és 11,9 USD között mozog kilogrammonként, ami lényegesen magasabb, mint amit a fosszilis alternatívákért fizetünk, például a gőzös metán-reformálásért, amely kilogrammonként 1,5 és 6,4 USD között van. Ez az árkülönbség nehezebbé teszi a műveletek méretezését. Az elektrolizálok tőkeköltsége továbbra is jelentős kiadást jelent, különösen a protoncsere membrános (PEM) rendszerek esetében, amelyek általában kilowattonként 800 és 1500 USD közötti áron vannak. Ha közelebbről megvizsgáljuk ezeket a költségeket, érdekes dolgot fedezhetünk fel: a legtöbb pénz katalizátorokra megy el. A platina-csoportos fémek, mint az iridium és a platina, majdnem a PEM-stack költségének a felét teszik ki. A PEM-anódokhoz önmagukban körülbelül 1 és 2 milligramm iridiumra van szükség négyzetcentiméntként, egy olyan fémből, amely olyan ritka és drága, hogy árai gyakran meghaladják a 7400 USD-t kilogrammonként. A probléma súlyosbodik, mivel a globális kínálat nem tud lépést tartani a várható kereslet növekedésével. Az ilyen ritka anyagokra való függés kockázatot jelent a költségkontroll és stabil ellátási láncok szempontjából egyaránt. Ahhoz, hogy elérjük az ipari célt, azaz 150 USD/kW elektrolizálót és 1 USD/kg hidrogént, jelentős csökkentésre van szükség a katalizátorok költségében és felhasználásában. Az alkalikus csere membrános (AEM) elektrolizálok esetleg pont az egyszerű megoldást jelenthetik, amelyre szükség van ahhoz, hogy ezeket a célokat mérethálóan elérjük.

AEM-elektrolizáló architektúra: Ultracsekély, nem PGM katalizátorok használatát teszi lehetővé

Hidroxid-vezető membrán lehetővé teszi a stabil üzemeltetést nikkellel és vasoxidokkal

Az anioncseres membránok (AEM-ek) hidroxidionokat (OH-) vezetve működnek, alkalikus környezetet teremtve, amely lényegesen különbözik a PEM-rendszerekben található savas körülményektől. Az alkalikus jelleg valójában stabilizálja az anód oldalon található földfémekből készült, nem PGM katalizátorokat, például a nikkel- és vas-oxidokat. Ez lehetővé teszi a jó oxigénfejlesztési reakció (OER) aktivitást anélkül, hogy ezek az anyagok túl gyorsan lebomlanának. Évekig a stabilitás volt a nagy probléma, amely visszatartotta a nem PGM katalizátorokat, de az utóbbi időben ez megváltozott. A membránkémia új fejlesztései mellett a jobb elektródtervezések lehetővé teszik, hogy ezek a rendszerek ipari áramsűrűségeken, több mint 0,5 A/négyzetcentiméter felett, több ezer üzemórákon keresztül stabilan működjenek. A modern AEM membránok értékét az adja, hogy megakadályozzák a katalizátorrészecskék működés közbeni oldódását. Fenntartják az ionvezetési követelményeket akár terhelés-ingadozás esetén is, ami megszünteti a drága nemesfémek használatának szükségességét kizárólag korrózió elleni védelemként. Ez végül összességében lényegesen hosszabb élettartamú berendezéseket eredményez.

Összehasonlítás: Iridium-tartalom AEM és PEM között

A katalizátorok mennyiségi különbségei hangsúlyozzák az AEM szerkezeti előnyét. A PEM-elektrolizátorok kizárólag iridium-oxid (IrO₂) anódokra támaszkodnak, hogy ellenálljanak a maró hatású savas körülményeknek. Ezzel szemben az AEM rendszerek működhetnek:

• Nemesfémmentes katalizátorokkal (például NiFe-oxi-hidroxidok), amelyekhez nincs szükség iridiumra, vagy
• Nyomokban lévő nemesfém bevonatokkal , általában <0,1 mg/cm², amelyet kizárólag minimális teljesítménynövelés céljából használnak.

Ez jelentős csökkentést jelent az iridium-felhasználásban. Az alábbi táblázat foglalja össze a legfontosabb következményeket:

Az alacsonyabb terhelés közvetlenül körülbelül 30%-kal csökkenti a stack CAPEX-et, és védi a projekteket a PGM árak ingadozásától, ami hosszú távú projektfinanszírozás és bankképesség szempontjából kritikus.

Anyag, tervezési és méretelőnyök, amelyek csökkentik az AEM katalizátor CAPEX-et

Földtöbbi katalizátorok csökkentik a nyersanyagfüggőséget és az áringadozás kockázatát

Az alkalifüggő membrán (AEM) elektrolizátorok iridiumot cserélnek ki, amely egy évente kb. 7–10 tonna globális termelésű ritka fém, helyette nikkellel és vassal. Ezek az alternatívák körülbelül 10 000-szer bővebben állnak rendelkezésre, és világszínvonalon stabil, nagy volumenű kereskedelmi piacokon kereskednek. A hagyományos protoncserélő membrán (PEM) rendszerek a stack tőkeköltségeinek kb. 40–60%-át költik nemesfémekre, míg az AEM technológia ezen forrásokat olcsóbb, könnyebben hozzáférhető anyagokra fordítja. A szakértői folyóiratokban publikált kutatások szerint a nem PGM AEM anódok ipari áramerősségnél is elérhetik a PEM oxigénfejlesztési aktivitásának több, mint 95%-át, így a katalizátor anyagköltségek akár 90%-kal csökkenthetők. A piaci dinamikák vizsgálata tovább növeli ennek az átállásnak a vonzerejét. Az iridium ára 2020 és 2023 között majdnem 800%-kal emelkedett, miközben a kínálat szűkült, míg a nikkel- és vas-oxid árak az általános ipari piaci körülményekhez igazodtak, és nem mutattak ilyen extrém volatilitást.

Az egyszerűsített cella kialakítás csökkenti a gyártás összetettségét és a katalizátorintegráció költségeit

Az AEM-technológia lúgos környezetben való működési képessége lehetővé teszi az ilyen cellák teljes kialakításának jelentős egyszerűsítését. A PEM-rétegeknek számos drága alkatrészre van szükségük, például titán bipoláris lemezekre, speciális saválló tömítésekre, valamint nemesfémekkel bevont alkatrészekre, pusztán a korrózió elleni védelem érdekében. Az AEM-rendszerek viszont jól működnek hagyományos rozsdamentes acél alkatrészekkel és mindennapi polimer tömítésekkel. A katalizátorrétegek felvitele során a gyártók olyan skálázható és költséghatékony módszerek közül választhatnak, mint a permetezés vagy a hengeres ülepítés. Ez azt jelenti, hogy a vállalatoknak nem kell drága vákuumos porlasztó berendezésekbe vagy a PEM-technológiában használt rendkívül vékony irídiumrétegekhez szükséges bonyolult hőkezelési eljárásokba fektetniük. Mindezen tervezési fejlesztések három fő területen csökkentik a költségeket:

• Saválló stack anyagok (kb. ~220 USD/kW megtakarítás),
• Ultra tiszta víz előkezelési infrastruktúra,
• Nemesfém visszanyerési és újrahasznosítási logisztika.

Az iparági elemzés szerint ezek a változások 35-50%-kal csökkentik a katalizátorintegrációs költségeket, felgyorsítva a térfogatgyártás bevezetését és javítva a kitermelés konzisztenciáját.

Zöld hidrogén gazdaságára gyakorolt hatás: Alacsonyabb LCOH az AEM katalizátor hatékonyságán keresztül

Az AEM-elektrolizátor technológia jelentősen csökkenti a hidrogén előállítás egységenkénti költségét, mivel az elektrolizátorrendszerek egyik legnagyobb költségtényezőjére, a katalizátormaterialokra fókuszál. Az AEM rendszerek drága irídium helyett olcsóbb, nikkelen és vasalapú vegyületeket használnak, amelyek költsége körülbelül 80–90 százalékkal alacsonyabb. Emellett gyakorlatilag szinte semmilyen katalizátorréteg sem szükséges. Ez a megközelítés csökkenti az anyagköltségeket teljesítménycsökkenés nélkül, amely továbbra is lenyűgöző szinten marad, 70 és 75 százalék közötti hatásfokkal, amikor négyzetcentiméterenként 1 amperes áramerősséggel működik. Mivel a katalizátorok költsége általában az elektrolizátor teljes költségének 25 és 40 százalékát teszi ki, ez az átállás önmagában is jelentős csökkentést eredményez a tőkeköltségekben. A haszon tovább növekszik, ha más tényezőket is figyelembe veszünk. Az egyszerűsített hardvertervezés, a könnyebb gyártási folyamatok és a megbízható üzemeltetés akkor is, ha ingadozó megújuló energiaforrásokkal kell dolgozni, mind hozzájárulnak a jobb gazdaságossághoz. Nagy léptékben az AEM-rendszerek potenciálisan a hidrogén árát kilogrammonként 2 dollár alá is csökkenthetik, elérve azt a kulcsfontosságú értéket, amely versenyképessé teszi a zöldhidrogént olyan nehézkesen dekarbonizálható iparágakban, mint a zöld acélgyártás vagy a nehéz teherfuvarozás. Ahogy a gyártók növelik a termelési volumeneket, a skálagazdaság a tanulási görbe hatásai révén érvényesül, megerősítve az AEM pozícióját, mint kulcsfontosságú játékost, amely a zöldhidrogént világszerte megfizethetővé és megvalósíthatóvá teszi.

GYIK

Miért fontos a katalizátor költsége a zöld hidrogén előállításában?

A katalizátor költsége jelentős tényező, mivel az alkalmazott anyagok, mint az irídium és a platina, drágák, és jelentősen növelik az elektrolizálók, például a PEM-rendszerek tőkeköltségét.

Hogyan csökkentik az AEM elektrolizálók ezeket a költségeket?

Az AEM elektrolizálók a földkéregben bőven megtalálható, sokkal olcsóbb anyagokat használnak, mint a nikkel és a vas, így jelentősen csökkentik a katalizátorköltségeket.

Milyen hatékonyságúak az AEM rendszerek a PEM rendszerekhez képest?

Általánosságban az AEM rendszerek 70 és 75 százalék közötti hatékonyságot érnek el, miközben költséghatékonyságuk és stabilitásuk is jobb, mint a PEM rendszereké.

Előállítható-e versenyképes költséggel zöld hidrogén?

Igen, az AEM-technológia fejlődésének köszönhetően a zöld hidrogén költsége alá csökkenhet 2 dollár kilogrammonként, így versenyképessé válik a fosszilis üzemanyagokkal szemben.