Жасыл Сутегі Өндіруде Катализатор Құны Неліктен Маңызды Тежегіш Болып Табылады

Жасыл сутегін өндірудің құны әлі де килограмына 3,8-11,9 доллар шамасында, бұл бу метан риформингі сияқты 1,5-6,4 доллар/кг аралығындағы қатынасқа қарағанда көптің көп болып тұр. Бұл баға айырмашылығы операцияларды кеңейтуге кедергі болады. Электролизерлердің капиталдық шығындары әлі де негізгі шығын болып табылады, әсіресе киловатына 800-1500 доллар аралығында тұратын протонды-алмасу мембранасы (PEM) жүйелері үшін. Осы шығындарды жақынырақ қарастырсаңыз қызық нәрсе байқалады: ақшаның көбісі катализаторларға жұмсалады. Иридий мен платина сияқты платина тобындағы металдар PEM жинақтарының шығынының жартысына жуық баға. PEM анодтары үшін ғана иридийдің 1-2 миллиграмы шаршы сантиметріне қажет, бұл метал өте сирек және қымбат, бағасы көбінесе килограмына 7400 доллардан асады. Бұл мәселе глобалдық ұсыныс күтілген сұраныс өсуіне жете алмайтындағыдан қиындау болып тұр. Сирек материалдарға тәуелділік шығындарды бақылау мен тұрақты жеткізу тізбектері үшін қауіптерді туғызады. Электролизерлер үшін өнеркәсіп мақсатына киловатына 150 доллар, сутегі үшін килограмына 1 долларға жету үшін катализаторлардың бағасын және пайдалану мөлшерін айтарлықты төмендету қажет. Сілтілі-алмасу мембранасы (AEM) электролизерлер масштабта осы мақсаттарға жету үшін қажет болып тұрған қарапанайым шешімді беруі мүмкін.

AEM Электролизер Архитектурасы: Төменгі жүктемені қамтамасыз ету үшін PGM емес катаң катализаторлар

Гидроксид Өткізгіш Терісі Никель мен Темір Оксидтерімен Тұрақты Жұмысты Қамтамасыз Етеді

Анион алмасу мембраналары (AEM) гидроксид иондарын (OH-) өткізу арқылы жұмыс істейді, PEM жүйелеріндегі қышқылдық жағдайлардан өзгеше сілтілік орта жасайды. Сілтілік табиғат шынында да анод жағындағы никель мен темір тотықтары сияқты Жердің көп тараған ПГМ емес катализаторларды тұрақтандыруға көмектеседі. Бұл бізге материалдар тым тез бұзылмай-ақ жақсы оттегі эволюциясы реакциясы (OER) белсенділігін алуға мүмкіндік береді. Бірнеше жыл бойы тұрақтылық ПГМ емес катализаторлардың алдында тұрған негізгі мәселе болып қалды, бірақ соңғы кездерде жағдай өзгерді. Мембрана химиясы бойынша жасалған жаңа жетістіктер мен электродтардың жақсартылған конструкциялары мыңдаған сағат бойы 0,5 А/см² астам өнеркәсіптік ток тығыздықтарында жүйелерді тұрақты жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Заманауи AEM мембраналардың құндылығы — жұмыс істеу кезінде катализатор бөлшектерінің еріп кетуін болдырмау қабілетінде. Олар жүктеме тербелген кезде де иондық өткізгіштік талаптарын сақтап, коррозиямен күресу үшін қымбат бағалы металдарды қолданудың қажетін жояды. Бұл нәтижесінде жалпы алғанда әлдеқайда ұзақ қызмет ететін жабдықтарға әкеп соғады.

Салыстыру: AEM мен PEM-дегі иридий жүктеу

Катализатордың жүктеу айырмашылықтары AEM-нің құрылымдық артықшылығын көрсетеді. PEM электролизаторлар коррозиялық әсерге төзімді болу үшін таза иридий тотығы (IrO₂) анодтарына негізделеді. Ал AEM жүйелері мыналардың бірін пайдаланады:

• ПГМ емес катализаторлар (мысалы, NiFe оксигидроксидтер), иридийдің мөлшері нөлге тең, немесе
• ПГМ-ның сақиналы қаптамасы , әдетте <0,1 мг/см², тек шекті өнімділікті жақсарту үшін пайдаланылады.

Бұл иридийді пайдаланудың маңызды төмендетуін көрсетеді. Төмендегі кесте негізгі салдардың бірін білдіреді:

Жүктемені төмендету стек капиталдық шығындарын шамамен 30% тікелей қысқартады және бағалы металдар бағасының ауытқуынан жобаларды қорғайды, бұл ұзақ мерзімді жобаларды қаржыландыру мен банктік қолданыста болу үшін маңызды.

AEM катализаторының капиталдық шығындарын төмендететін материалдық, конструкциялық және масштабтық артықшылықтар

Жерде кең тараған катализаторлар шикізатқа тәуелділікті және оның бағасының ауытқу қаупін азайтады

Сілтілік айырбас мембранасы (AEM) электролизаторлар жыл сайын әлемде 7-10 тонна ғана өндірілетін сирек кездесетін метал иридийдің орнына никель мен темірді пайдаланады. Бұл альтернативалар жуық 10 000 есе көп мөлшерде болады және шынымен әлемдегі тұрақты, үлкен көлемді нарықтарда сауда болады. Дәстүрлі протондық айырбас мембранасы (PEM) жүйелерінің жинақталған капитал шығындарының 40-60 пайызын бағалы металдар тобына жұмсайды, ал AEM технологиясы осы қаражатты арзандау, қолжетімді материалдарға бағыттайды. Сырттай тексерілетін журналдарда жарияланған зерттеулер көрсеткендей, өнеркәсіптік ток деңгейінде де PGM емес AEM анодтарының оттегінің эволюция реакциясындағы белсенділігі PEM-дің 95%-ден астамын құрайды, бұл катализатор материалдарының шығындарын 90%-ға дейін қысқартады. Нақты нарықтық динамикаға қарапса, бұл ауысыс одан әрі қатаңдайды. Иридий бағалары 2020-2023 жылдары арзандыққа тартылған кезде жуық 800% өсті, ал никель мен темір тотығының бағалары экстремалды тербелістерсіз жалпы өнеркәсіптік нарықтық жағдайларға байланысты болды.

Жасанды Ұя Дизайны Төмендетеді Өндіріс Күрделілігін және Катализатордың Интеграция Құнын

AEM технологиясының сілтілі ортада жұмыс істеу қабілеті бұл ұялардың жалпы дизайнын біраз қарапаңғылатуға мүмкіндік береді. PEM жинақтары коррозияға төзіп тұру үшін титаннан жасалған биполярлы пластиналар, ерекше қышқылға төзімді сақиналар және бағалы металдармен жабылған бөлшектер сияқты әртүрлі қымбат бөлшектерді қажет етеді. Алайда AEM жүйелері кәдімгі болаттан жасалған бөлшектер мен күнделікті полимерліқ ұяқтарды пайдалана отырып жақсы жұмыс істейді. Катализатор қабаттарын жақтыру тұрғысынан, өндірушілер масштабталатын әрі бюджетке ыңғайлы опцияларға ие. Бұл жерде спрей-жақтыру немесе рулондық жақтыру сияқты әдістер жақсы жұмыс істейді, яғни компаниялар PEM технологиясындағы өте жұқа иридий қабаттар үшін қажет болатын қымбат вакуумдық бұрғылау жабдықтарына немесе күрделі жылу процестеріне инвестиция жасаудың қажеті жоқ. Барлық осындай дизайның жақсартылулары үш негізгі аймақтағы құндарды төмендетеді:

• Қышқылға төзімді стек құрылымдары (кВт-ына шамамаған $220 үнемдеу),
• Таза суды алдын-ала дайындау инфрақұрылымы,
• Бағалы металдарды қалпына келтіру және қайта өңдеу логистикасы.

Салалық талдау бұл өзгерістердің катализаторды интеграциялау құнын 35-50%-ға төмендететінін, өндірістің көлемге жету уақытын қысқарту және шығымның тұрақтылығын жақсартуын растайды.

Жасыл сутегінің экономикасына әсер: AEM катализаторының тиімділігі арқылы төмен LCOH

AEM электролизатор технологиясы сутегі өндірудің әлеуетті құнын едәуір төмендетеді, себебі ол электролизатор жүйелеріндегі ең ірі шығын көздерінің бірі болып табылатын катализатор материалдарына бағытталған. Қымбат иридийді пайдалану орнына, бұл жүйелер материалдардың құнын 80-90 пайызға дейін азайтатын никель мен темір негізіндегі қоспаларды қолданады. Сонымен қатар, олар мүлдем катализатор жүктеуді қажет етпейді. Бұл тәсіл материалдарға кететін шығындарды төмендетеді және әрбір квадрат сантиметрге 1 ампер жұмыс істегендегі 70-75 пайызға дейінгі өте жоғары өнімділікті сақтайды. Әдетте катализаторлардың құны электролизатордың жалпы құнының 25-40 пайызын құрайды, сондықтан тек осы ауыстыру ғана капитал шығындарын қатты төмендетеді. Басқа факторларды да қарастырғанда пайдалы әсер көбейеді. Жабдықтардың ықшам дизайндағы конструкциясы, өндірудің жеңіл процестері және ауыспалы қайта қалпына келтірілетін энергия кірістерімен жұмыс істегендегі сенімділік экономикалық тиімділікті арттырады. Масштаб бойынша AEM жүйелері сутегінің бағасын килограмына 2 АҚШ долларынан төмен түсіруге мүмкіндік беруі мүмкін, бұл жасыл болат өндірісі мен ауыр жүк көлігі сияқты декарбонизациялау өте қиын салаларда тиімді түрде бәсекелестік етуге қажетті «сихиқ сан» деңгейіне жетеді. Өндірушілер өндіру көлемін көбейткен сайын масштаб үнемділігі оқу қисығы әсерлері арқылы іске қосылады және AEM-ді жасыл сутегіні глобалды нарықтарда әрі қол жетімді, әрі іске асырымды етуге мүмкіндік беретін негізгі ойыншы ретінде бекітеді.

ЖИҚ (Жиі қойылатын сұрақтар)

Көк сутегі өндіруде катализатор құны неге маңызды?

Иридий мен платина сияқты қымбат материалдарды қолдану себепті катализатор құны электролизаторлардың (мысалы, PEM жүйелерінің) бастапқы шығындарын айтарлықтай көтеретін негізгі фактор болып табылады.

AEM электролизаторлары бұл шығындарды қалай төмендетеді?

AEM электролизаторлары никель мен темір сияқты жер қойнауында кең тараған және әлдеқайда арзан материалдарды пайдаланады, осылайша катализатор материалдарының құнын едәуір төмендетеді.

PEM жүйелерімен салыстырғанда AEM жүйелерінің әсер ету тиімділігі қандай?

Жалпы алғанда, AEM жүйелері 70-ден 75 пайызға дейінгі тиімділікке ие, сонымен қатар PEM жүйелерімен салыстырғанда шығындардың төмендеуі мен тұрақтылықтың жақсаруынан пайда көреді.

Көк сутегі бәсекеге қабілетті құнмен өндіріле ала ма?

Иә, AEM технологиясының дамуы арқасында көк сутегінің құны килограмына 2 АҚШ долларынан төменге дейін төмендей алады, бұл оны көміртек отындарымен бәсекеге қабілетті етеді.