Mengapa Biaya Katalis Menjadi Penghambat Utama dalam Produksi Hidrogen Hijau

Biaya produksi hidrogen hijau masih berada di kisaran sekitar $3,8 hingga $11,9 per kilogram, yang membuatnya jauh lebih tinggi dibandingkan harga alternatif bahan bakar fosil seperti reformasi metana uap yang berkisar dari $1,5 hingga $6,4 per kg. Kesenjangan harga ini menyulitkan upaya memperluas skala operasi. Belanja modal untuk elektrolizer tetap menjadi pengeluaran besar, terutama untuk sistem membran pertukaran proton (PEM) yang biasanya berharga antara $800 hingga $1.500 per kW. Melihat lebih dekat pada biaya-biaya ini mengungkapkan sesuatu yang menarik: sebagian besar biaya tersebut digunakan untuk katalis. Logam kelompok platinum seperti iridium dan platinum menyumbang hampir separuh biaya tumpukan PEM. Hanya untuk anoda PEM, kita membutuhkan sekitar 1 hingga 2 miligram per sentimeter persegi iridium, logam yang sangat langka dan mahal sehingga harganya sering melebihi $7.400 per kg. Masalah ini semakin memburuk karena pasokan global tidak mampu mengimbangi pertumbuhan permintaan yang diproyeksikan. Ketergantungan pada material langka ini menciptakan risiko bagi pengendalian biaya maupun rantai pasok yang stabil. Untuk bisa mencapai target industri sebesar $150 per kW untuk elektrolizer sambil mengejar harga hidrogen sebesar $1 per kg, diperlukan pengurangan signifikan dalam biaya dan jumlah penggunaan katalis. Elektrolizer membran pertukaran alkalin (AEM) mungkin saja memberikan solusi langsung yang dibutuhkan untuk mencapai tujuan-tujuan ini secara luas.

Arsitektur Elektrolizer AEM: Memungkinkan Pembebanan Sangat Rendah dari Katalis Non-PGM

Membran Penghantar Hidroksida Memungkinkan Operasi Stabil dengan Oksida Nikel dan Besi

Membran pertukaran anion (AEMs) berfungsi dengan menghantarkan ion hidroksida (OH-), menciptakan lingkungan basa yang sangat berbeda dari kondisi asam yang ditemukan dalam sistem PEM. Sifat basa ini justru membantu menstabilkan katalis non-PGM yang melimpah di alam seperti nikel dan oksida besi di sisi anoda. Artinya, kita mendapatkan aktivitas reaksi evolusi oksigen (OER) yang baik tanpa bahan-bahan tersebut cepat terdegradasi. Selama bertahun-tahun, stabilitas menjadi masalah besar yang menghambat penggunaan katalis non-PGM, tetapi situasi telah berubah belakangan ini. Perkembangan baru dalam kimia membran serta desain elektroda yang lebih baik memungkinkan sistem-sistem ini beroperasi secara stabil pada kerapatan arus industri di atas 0,5 A per sentimeter persegi selama ribuan jam operasional. Yang membuat membran AEM modern begitu bernilai adalah kemampuannya mencegah partikel katalis larut selama operasi. Membran ini tetap memenuhi kebutuhan konduktivitas ionik meskipun beban berfluktuasi, sehingga menghilangkan kebutuhan akan logam mulia yang mahal hanya untuk melawan korosi. Hal ini pada akhirnya menghasilkan peralatan yang jauh lebih tahan lama secara keseluruhan.

Perbandingan: Muatan Iridium pada AEM vs. PEM

Perbedaan muatan katalis menunjukkan keunggulan struktural AEM. Elektrolizer PEM secara eksklusif mengandalkan anoda oksida iridium (IrO₂) untuk menahan kondisi asam yang korosif. Sebaliknya, sistem AEM beroperasi dengan salah satu dari:

• Katalis non-PGM (misalnya, oksihidroksida NiFe), yang tidak memerlukan iridium sama sekali, atau
• Lapisan tipis PGM , biasanya <0,1 mg/cm², digunakan hanya untuk peningkatan kinerja marginal.

Ini menunjukkan pengurangan signifikan dalam konsumsi iridium. Tabel di bawah ini merangkum implikasi utama:

Beban yang lebih rendah secara langsung mengurangi CAPEX stack sekitar 30% dan melindungi proyek dari volatilitas harga PGM, yang penting untuk pembiayaan jangka panjang dan kelayakan bankabilitas proyek.

Keunggulan Material, Desain, dan Skala yang Menekan CAPEX Katalis AEM

Katalis yang Melimpah di Bumi Mengurangi Ketergantungan dan Risiko Volatilitas pada Bahan Baku

Elektroliser membran pertukaran basa (AEM) menggantikan iridium, logam langka yang diproduksi global sekitar 7 hingga 10 ton per tahun, dengan nikel dan besi. Alternatif ini tersedia sekitar 10.000 kali lebih banyak dan benar-benar diperdagangkan di pasar stabil dengan volume tinggi di seluruh dunia. Sistem tradisional membran pertukaran proton (PEM) menghabiskan sekitar 40 hingga 60 persen dari belanja modal tumpukannya untuk logam kelompok mulia, namun teknologi AEM mengalihkan dana tersebut ke bahan yang lebih murah dan lebih mudah diakses. Penelitian yang diterbitkan dalam jurnal yang telah melalui tinjauan sejawat menunjukkan bahwa anoda AEM non-PGM dapat mencapai lebih dari 95% aktivitas reaksi evolusi oksigen PEM bahkan pada tingkat arus industri, sehingga memangkas biaya bahan katalis hingga 90%. Melihat dinamika pasar membuat pergeseran ini semakin menarik. Harga iridium melonjak hampir 800% dari tahun 2020 hingga 2023 seiring penyempitan pasokan, sementara harga oksida nikel dan besi tetap terkait dengan kondisi pasar industri umum tanpa volatilitas ekstrem seperti itu.

Desain Sel yang Disederhanakan Mengurangi Kompleksitas Produksi dan Biaya Integrasi Katalis

Kemampuan teknologi AEM untuk beroperasi dalam lingkungan alkalin memungkinkan penyederhanaan desain keseluruhan sel secara signifikan. Tumpukan PEM membutuhkan berbagai komponen mahal seperti pelat bipolar titanium, gasket tahan asam khusus, serta komponen yang dilapisi logam mulia hanya untuk menahan korosi. Namun sistem AEM dapat berjalan dengan baik menggunakan komponen baja tahan karat biasa dan segel polimer standar. Dalam hal penerapan lapisan katalis, produsen memiliki pilihan yang dapat ditingkatkan skalanya sekaligus ramah anggaran. Teknik seperti pelapisan semprot atau deposisi roll to roll sangat sesuai digunakan di sini, sehingga perusahaan tidak perlu menginvestasikan dana besar untuk peralatan sputtering vakum mahal atau proses termal kompleks yang dibutuhkan dalam pembuatan lapisan iridium ultra tipis pada teknologi PEM. Semua perbaikan desain ini mengurangi biaya dalam tiga area utama:

• Bahan tumpukan tahan asam (menghemat ~$220/kW),
• Infrastruktur pra-pengolahan air ultra murni,
• Logistik pemulihan dan daur ulang logam mulia.

Analisis industri mengonfirmasi bahwa perubahan ini mengurangi biaya integrasi katalis sebesar 35-50%, mempercepat waktu menuju produksi skala besar serta meningkatkan konsistensi hasil.

Dampak terhadap Ekonomi Hidrogen Hijau: LCOH yang Lebih Rendah Melalui Efisiensi Katalis AEM

Teknologi elektrolizer AEM secara signifikan mengurangi biaya teragregasi produksi hidrogen karena menargetkan salah satu area pengeluaran terbesar dalam sistem elektrolizer: bahan katalis. Alih-alih menggunakan iridium yang mahal, sistem ini menggunakan senyawa berbasis nikel dan besi yang harganya sekitar 80 hingga 90 persen lebih murah. Selain itu, sistem ini hampir tidak memerlukan pemuatan katalis sama sekali. Pendekatan ini mengurangi biaya material tanpa mengorbankan tingkat kinerja, yang tetap sangat mengesankan pada efisiensi antara 70 hingga 75 persen saat beroperasi pada 1 ampere per sentimeter persegi. Karena biaya katalis biasanya menyumbang 25 hingga 40 persen dari total biaya elektrolizer, perubahan ini saja sudah menghasilkan pengurangan besar dalam belanja modal. Manfaatnya bertambah ketika kita melihat faktor-faktor lain juga. Desain perangkat keras yang disederhanakan, proses manufaktur yang lebih mudah, serta operasi yang andal bahkan ketika menghadapi masukan energi terbarukan yang fluktuatif semuanya berkontribusi terhadap ekonomi yang lebih baik. Pada skala besar, sistem AEM berpotensi membawa harga hidrogen di bawah $2 per kilogram, mencapai angka penting yang diperlukan untuk bersaing secara efektif di industri-industri yang dekarbonisasinya sangat menantang, seperti produksi baja hijau dan sektor transportasi berat. Seiring produsen meningkatkan volume produksi, efek ekonomi skala muncul melalui kurva pembelajaran, mengukuhkan posisi AEM sebagai pemain utama dalam menjadikan hidrogen hijau terjangkau dan layak di pasar global.

FAQ

Mengapa biaya katalis penting dalam produksi hidrogen hijau?

Biaya katalis merupakan faktor utama karena bahan-bahan yang digunakan, seperti iridium dan platinum, mahal dan secara signifikan meningkatkan pengeluaran modal untuk elektroliser seperti sistem PEM.

Bagaimana elektroliser AEM mengurangi biaya ini?

Elektroliser AEM menggunakan bahan melimpah di bumi seperti nikel dan besi yang jauh lebih murah, sehingga secara signifikan mengurangi biaya bahan katalis.

Apa efisiensi sistem AEM dibandingkan dengan sistem PEM?

Secara umum, sistem AEM mencapai efisiensi antara 70 hingga 75 persen, sekaligus mendapatkan manfaat dari penurunan biaya dan peningkatan stabilitas dibandingkan sistem PEM.

Apakah hidrogen hijau dapat diproduksi dengan biaya yang kompetitif?

Ya, dengan kemajuan teknologi AEM, biaya hidrogen hijau dapat dikurangi hingga di bawah $2 per kilogram, menjadikannya bersaing terhadap bahan bakar fosil.