Mengapa Kos Katalis adalah Halangan Utama dalam Pengeluaran Hidrogen Hijau

Kos menghasilkan hidrogen hijau masih berada pada sekitar $3.8 hingga $11.9 per kilogram, yang meletakkannya jauh di atas kos bahan api fosil alternatif seperti reformasi metana wap yang berada antara $1.5 hingga $6.4 per kg. Jurang harga ini menyukarkan penskalaan operasi. Perbelanjaan modal elektroliser kekal sebagai perbelanjaan utama, khususnya untuk sistem membran pertukaran proton (PEM) yang biasanya berharga antara $800 hingga $1,500 per kW. Pemerhatian lebih dekat terhadap kos ini mendedahkan sesuatu yang menarik: sebahagian besar perbelanjaan adalah untuk mangkin. Logam kumpulan platinum seperti iridium dan platinum menyumbang hampir separuh daripada kos longgok PEM. Untuk anod PEM sahaja, kita memerlukan kira-kira 1 hingga 2 miligram per sentimeter persegi iridium, logam yang begitu jarang dan mahal sehingga harganya kerap melebihi $7,400 per kg. Masalah ini semakin buruk apabila bekalan global tidak mampu mengekori pertumbuhan permintaan yang dijangkakan. Ketergantungan terhadap bahan yang terhad ini mencipta risiko terhadap kawalan kos dan rantaian bekalan yang stabil. Untuk mencapai sasaran industri sebanyak $150 per kW bagi elektroliser sambil menargetkan $1 per kg hidrogen, pengurangan yang ketara terhadap kos dan jumlah penggunaan mangkin diperlukan. Elektroliser membran penukaran alkali (AEM) berkemungkinan besar dapat memberikan penyelesaian langsung yang diperlukan untuk mencapai matlamat-matlamat ini secara besar-besaran.

Arkitek Elektroliser AEM: Membolehkan Penggunaan Katalis Bukan PGM yang Sangat Rendah

Membran Pengkonduksi Hidroksida Membolehkan Operasi Stabil dengan Oksida Nikel dan Besi

Membran penukar anion (AEMs) berfungsi dengan mengalirkan ion hidroksida (OH-), mencipta persekitaran beralkali yang sangat berbeza daripada keadaan berasid yang terdapat dalam sistem PEM. Sifat beralkali ini sebenarnya membantu menstabilkan mangkin bukan PGM yang banyak terdapat di bumi seperti nikel dan oksida besi di bahagian anod. Ini bermakna kita mendapat aktiviti tindak balas evolusi oksigen (OER) yang baik tanpa bahan-bahan ini musnah terlalu cepat. Selama bertahun-tahun, kestabilan merupakan masalah besar yang menghalang perkembangan mangkin bukan PGM, tetapi keadaan telah berubah baru-baru ini. Perkembangan baharu dalam kimia membran bersama rekabentuk elektrod yang lebih baik membolehkan sistem-sistem ini beroperasi secara stabil pada ketumpatan arus industri melebihi 0.5 A per sentimeter persegi selama ribuan jam operasi. Apa yang menjadikan membran AEM moden begitu bernilai adalah keupayaannya untuk menghalang zarah-zarah mangkin daripada larut semasa operasi. Mereka mampu mengekalkan keperluan kekonduksian ionik walaupun beban berubah-ubah, yang seterusnya menghilangkan keperluan logam mulia mahal hanya untuk melawan kakisan. Ini akhirnya membawa kepada peralatan yang jauh lebih tahan lama secara keseluruhan.

Perbandingan: Kandungan Iridium dalam AEM berbanding PEM

Perbezaan kandungan pemangkin menekankan kelebihan struktur AEM. Elektrolizer PEM bergantung sepenuhnya pada anod oksida iridium (IrO₂) untuk menahan keadaan berasid yang mengakis. Sebaliknya, sistem AEM beroperasi dengan salah satu daripada:

• Pemangkin bukan PGM (contohnya, oksihidrat NiFe), yang tidak memerlukan sebarang iridium, atau
• Lapisan PGM surih , biasanya <0.1 mg/cm², digunakan hanya untuk peningkatan prestasi marginal.

Ini mewakili pengurangan ketara dalam penggunaan iridium. Jadual di bawah merumahkan implikasi utama:

Pemuatan yang lebih rendah secara langsung mengurangkan CAPEX susunan sebanyak kira-kira 30% dan melindungi projek daripada kebolehtukaran harga PGM, yang penting untuk pembiayaan jangka panjang dan kelayakan bank bagi projek.

Kelebihan Bahan, Reka Bentuk, dan Skala yang Mengurangkan CAPEX Mangkin AEM

Mangkin Kepelbagaian Bumi Mengurangkan Kebergantungan dan Risiko Kebolehtukaran Harga Bahan Mentah

Elektroliser membran penukaran alkali (AEM) menggantikan iridium, logam jarang yang dihasilkan secara global sebanyak kira-kira 7 hingga 10 tan setahun, dengan nikel dan besi. Alternatif ini kira-kira 10,000 kali lebih banyak terdapat dan sebenarnya diniagakan di pasaran stabil berkelantangan tinggi di seluruh dunia. Sistem membran penukaran proton (PEM) tradisional membelanjakan kira-kira 40 hingga 60 peratus perbelanjaan modal susunan mereka pada logam kumpulan berharga, tetapi teknologi AEM mengalihkan dana tersebut kepada bahan yang lebih murah dan mudah diakses. Penyelidikan yang diterbitkan dalam jurnal rakan sebaya menunjukkan bahawa anod AEM bukan PGM boleh mencapai lebih daripada 95% aktiviti tindak balas evolusi oksigen PEM walaupun pada tahap arus industri, mengurangkan perbelanjaan bahan katalisa sehingga 90%. Melihat dinamik pasaran menjadikan peralihan ini lebih meyakinkan. Harga iridium melonjak hampir 800% dari tahun 2020 hingga 2023 ketika bekalan menjadi sempit, manakala harga oksida nikel dan besi kekal berkaitan dengan keadaan pasaran industri umum tanpa turun naik yang melampau.

Reka Bentuk Sel Ringkas Mengurangkan Kerumitan Pengeluaran dan Kos Integrasi Mangkin

Keupayaan teknologi AEM berfungsi dalam persekitaran alkali membolehkan penyerderhanaan reka bentuk keseluruhan sel ini secara ketara. Susunan PEM memerlukan pelbagai komponen mahal termasuk plat dwikutub titanium, gasket tahan asid khas, dan komponen bersalut logam berharga hanya untuk menahan kakisan. Namun, sistem AEM beroperasi dengan baik menggunakan komponen keluli tahan karat biasa dan seal polimer harian. Dalam hal aplikasi lapisan mangkin, pengilang mempunyai pilihan yang mudah diskalakan dan mesra bajet. Teknik seperti salutan sembur atau deposit roll-to-roll sesuai digunakan di sini, bermakna syarikat tidak perlu melabur dalam peralatan percikan vakum mahal atau proses haba kompleks yang diperlukan untuk lapisan iridium ultra nipis yang digunakan dalam teknologi PEM. Semua penambahbaikan reka bentuk ini mengurangkan kos dalam tiga bidang utama:

• Bahan tumpukan tahan asid (menjimatkan ~$220/kW),
• Infrastruktur rawatan awal air ultra tulen,
• Logistik pemulihan dan kitar semula logam mulia.

Analisis industri mengesahkan perubahan ini mengurangkan kos integrasi pelarut sebanyak 35-50%, mempercepatkan pengeluaran pada skala besar dan meningkatkan kestabilan hasil.

Kesan terhadap Ekonomi Hidrogen Hijau: LCOH yang lebih rendah melalui kecekapan pelarut AEM

Teknologi elektrolizer AEM secara signifikan mengurangkan kos disamakan pengeluaran hidrogen kerana ia menyasarkan salah satu kawasan perbelanjaan terbesar dalam sistem elektrolizer: bahan pemangkin. Sebagai ganti iridium yang mahal, sistem ini menggunakan sebatian berbasis nikel dan besi yang kosnya kira-kira 80 hingga 90 peratus lebih rendah. Malah, ia hampir tidak memerlukan beban pemangkin langsung. Pendekatan ini mengurangkan kos bahan tanpa mengorbankan tahap prestasi, yang kekal sangat memberangsangkan pada kecekapan antara 70 hingga 75 peratus apabila beroperasi pada 1 ampere sesentimeter persegi. Memandangkan kos pemangkin biasanya menyumbang mana-mana antara 25 hingga 40 peratus daripada jumlah kos elektrolizer, pertukaran ini sahaja membawa kepada pengurangan besar dalam perbelanjaan modal. Manfaatnya bertambah apabila kita melihat faktor-faktor lain juga. Reka bentuk perkakasan yang dipermudah, proses pembuatan yang lebih mudah, dan operasi yang boleh dipercayai walaupun dengan input tenaga boleh diperbaharui yang berubah-ubah semua menyumbang kepada ekonomi yang lebih baik. Pada skala besar, sistem AEM berpotensi membawa harga hidrogen di bawah $2 per kilogram, mencapai angka ajaib yang diperlukan untuk bersaing secara efektif dalam industri di mana pendebosanan sangat mencabar, seperti pengeluaran keluli hijau dan sektor pengangkutan berat. Apabila pengilang meningkatkan isi padu pengeluaran, ekonomi skala muncul melalui kesan lengkung pembelajaran, mengukuhkan kedudukan AEM sebagai pemain utama dalam menjadikan hidrogen hijau mampu milik dan boleh dilaksanakan merentasi pasaran global.

Soalan Lazim

Mengapakah kos katalis penting dalam pengeluaran hidrogen hijau?

Kos katalis merupakan faktor utama kerana bahan-bahan yang digunakan, seperti iridium dan platinum, adalah mahal dan meningkatkan perbelanjaan modal secara ketara bagi elektroliser seperti sistem PEM.

Bagaimanakah elektroliser AEM mengurangkan kos ini?

Elektroliser AEM menggunakan bahan-bahan yang banyak terdapat di bumi seperti nikel dan besi yang jauh lebih murah, seterusnya mengurangkan kos bahan katalis secara ketara.

Apakah kecekapan sistem AEM berbanding sistem PEM?

Secara umumnya, sistem AEM mencapai kecekapan antara 70 hingga 75 peratus, sambil juga mendapat manfaat daripada pengurangan kos dan peningkatan kestabilan berbanding sistem PEM.

Bolehkah hidrogen hijau dihasilkan pada kos yang kompetitif?

Ya, dengan kemajuan dalam teknologi AEM, kos hidrogen hijau boleh dikurangkan kepada kurang daripada $2 per kilogram, menjadikannya kompetitif berbanding bahan api fosil.