Waarom de kosten van katalysatoren het cruciale knelpunt zijn in de productie van groene waterstof

De kosten voor de productie van groen waterstof liggen nog steeds rond de 3,80 tot 11,90 dollar per kilogram, wat aanzienlijk boven de prijs ligt die we betalen voor fossiele alternatieven zoals stoommethaanreformering, die varieert van 1,50 tot 6,40 dollar per kg. Deze prijskloof maakt het moeilijk om de operaties op te schalen. Kapitaalkosten voor elektrolyzers blijven een grote uitgave, met name voor protonenuitwisselingsmembraan (PEM)-systemen die doorgaans tussen de 800 en 1.500 dollar per kW kosten. Een nadere analyse van deze kosten laat iets interessants zien: het grootste deel van het geld gaat naar katalysatoren. Edelmetalen uit de platina-groep, zoals iridium en platina, vormen bijna de helft van de kosten van PEM-stapels. Alleen voor PEM-anoden is ongeveer 1 tot 2 milligram per vierkante centimeter iridium nodig, een metaal dat zo zeldzaam en duur is dat de prijzen vaak boven de 7.400 dollar per kg uitkomen. Het probleem wordt erger omdat wereldwijde voorraden niet kunnen bijhouden met de verwachte groei in vraag. Deze afhankelijkheid op schaarse materialen creëert risico's voor zowel kostenbeheersing als stabiele leveringsketens. Het bereiken van de sectorstarget van 150 dollar per kW voor elektrolyzers, terwijl men streeft naar 1 dollar per kg waterstof, zal aanzienlijke verlagingen vereisen in zowel de kosten als het gebruik van katalysatoren. Alkalische uitwisselingsmembraan (AEM)-elektrolyzers kunnen net de eenvoudige oplossing bieden die nodig is om deze doelen op grote schaal te realiseren.

AEM-elektrolyzerarchitectuur: mogelijk maken van uiterst lage belading van niet-PGM-katalysatoren

Hydroxide-geleidende membraan zorgt voor stabiele werking met nikkel- en ijzeroxiden

Anionwisselmembranen (AEM's) werken door hydroxide-ionen (OH-) te geleiden, waardoor een alkalische omgeving ontstaat die sterk verschilt van de zure omstandigheden in PEM-systemen. De alkalische aard helpt de niet-edele, niet-PGM-katalysatoren zoals nikkel- en ijzeroxiden aan de anodezijde te stabiliseren. Dit betekent dat we goede activiteit voor de zuurstofevolutiereactie (OER) krijgen zonder dat deze materialen al te snel afbreken. Jarenlang was stabiliteit een groot probleem dat de ontwikkeling van niet-PGM-katalysatoren belemmerde, maar onlangs is daar verandering in gekomen. Nieuwe ontwikkelingen in membraanchemie, gecombineerd met verbeterde elektrodeontwerpen, stellen deze systemen in staat om duizenden bedrijfsuren stabiel te functioneren bij industriële stroomdichtheden van meer dan 0,5 A per vierkante centimeter. Wat moderne AEM-membranen zo waardevol maakt, is hun vermogen om oplossing van katalyseerdeeltjes tijdens bedrijf te voorkomen. Ze behouden hun ionengeleidingsvermogen zelfs bij wisselende belastingen, waardoor de noodzaak voor dure edelmetalen om corrosie tegen te gaan, wordt geëlimineerd. Dit leidt uiteindelijk tot een aanzienlijk langere levensduur van de apparatuur als geheel.

Vergelijking: Iridiumbelading in AEM versus PEM

Verschillen in katalysatorbelading benadrukken het structurele voordeel van AEM. PEM-elektrolyzers zijn uitsluitend afhankelijk van iridiumoxide (IrO₂) anodes om corrosieve zure omstandigheden te weerstaan. In tegenstelling hiermee werken AEM-systemen met:

• Niet-PGM-katalysatoren (bijvoorbeeld NiFe-oxyhydroxiden), die geen iridium vereisen, of
• Spoor-PGM-coatings , meestal <0,1 mg/cm², alleen gebruikt voor marginale prestatieverbetering.

Dit vertegenwoordigt een aanzienlijke vermindering in iridiumverbruik. De onderstaande tabel vat de belangrijkste implicaties samen:

Een lagere belading verlaagt de stack-CAPEX direct met ongeveer 30% en beschermt projecten tegen PGM-prijsvolatiliteit, wat cruciaal is voor langetermijnprojectfinanciering en bankwaardigheid.

Voordelen op het gebied van materiaal, ontwerp en schaal die de AEM-katalisator-CAPEX verlagen

Katalisatoren op basis van overvloedig aanwezige grondstoffen verminderen afhankelijkheid en risico op prijsvolatiliteit

Alkalische uitwisselingsmembraan (AEM) elektrolyseersystemen vervangen iridium, een zeldzaam metaal dat wereldwijd in een hoeveelheid van ongeveer 7 tot 10 ton per jaar wordt geproduceerd, door nikkel en ijzer. Deze alternatieven zijn ongeveer 10.000 keer overvloediger en worden daadwerkelijk verhandeld op stabiele, grote markten wereldwijd. Traditionele protonuitwisselingsmembraan (PEM) systemen besteden ongeveer 40 tot 60 procent van hun kapitaalkosten voor stacks aan edele aardmetalen, maar AEM-technologie leidt die kosten om naar goedkopere, toegankelijkere materialen. Onderzoek dat is gepubliceerd in peer-reviewed tijdschriften laat zien dat niet-PGM AEM anoden meer dan 95% van de activiteit van PEM bij de zuurstofevolutiereactie kunnen bereiken, zelfs bij industriële stroomniveaus, waardoor de kosten voor katalysatormaterialen met zo'n 90% kunnen dalen. De marktdynamiek maakt deze verschuiving nog dwingender. Iridiumprijzen schoten tussen 2020 en 2023 bijna 800% omhoog toen de aanvoer inkromp, terwijl de prijzen van nikkel en ijzeroxide verbonden bleven aan algemene industriële marktomstandigheden zonder dergelijke extreme volatiliteit.

Vereenvoudigd celontwerp verlaagt de productiecomplexiteit en de kosten voor katalysatorintegratie

Het vermogen van AEM-technologie om te werken in alkalische omgevingen maakt het mogelijk om het algehele ontwerp van deze cellen flink te vereenvoudigen. PEM-stapels hebben allerlei dure onderdelen nodig, waaronder titaan bipolaire platen, speciale zuurbestendige pakkingen en componenten met een coating van edelmetalen, alleen om corrosie te weerstaan. Maar AEM-systemen functioneren prima met standaard roestvrijstalen onderdelen en gewone polymeerafdichtingen. Bij het aanbrengen van katalysatoren hebben fabrikanten beschikking over schaalbare en budgetvriendelijke opties. Technieken zoals spuitcoaten of rol-op-rolafzetting werken hier goed, wat betekent dat bedrijven niet hoeven te investeren in dure vacuüm-sputterapparatuur of complexe thermische processen die nodig zijn voor de uiterst dunne iridiumlagen die worden gebruikt in PEM-technologie. Al deze verbeteringen in het ontwerp zorgen voor kostenbesparingen op drie belangrijke gebieden:

• Zuurbestendige stapelmateriaalen (besparing ~$220/kW),
• Ultra-zuiver water voorbehandelingsinfrastructuur,
• Logistiek voor teruggewinning en recycling van edelmetalen.

Industrieanalyse bevestigt dat deze wijzigingen de kosten voor katalysatorintegratie met 35-50% verlagen, de introductiesnelheid voor grootschalige productie versnellen en de opbrengstconsistentie verbeteren.

Impact op de economie van groen waterstof: Lagere LCOH door AEM-katalysatorefficiëntie

De AEM-elektrolysetechnologie verlaagt de geïndustrialiseerde productiekosten van waterstof aanzienlijk, omdat het gericht is op een van de grootste kostenposten in elektrolysesystemen: de katalysatormaterialen. In plaats van dure iridium te gebruiken, maken deze systemen gebruik van nikkel- en ijzerhoudende verbindingen die ongeveer 80 tot 90 procent goedkoper zijn. Bovendien is er vrijwel geen katalysatorlading nodig. Deze aanpak verlaagt de materiaalkosten zonder in te boeten aan prestaties, die indrukwekkend blijven met een efficiëntie van 70 tot 75 procent bij een stroomsterkte van 1 ampère per vierkante centimeter. Aangezien katalysatorkosten doorgaans tussen de 25 en 40 procent van de totale kosten van een elektrolyser uitmaken, leidt deze enkele wijziging tot aanzienlijke verlagingen van de kapitaalkosten. De voordelen nemen toe wanneer we ook andere factoren in overweging nemen. Een vereenvoudigd ontwerp van de hardware, eenvoudigere productieprocessen en betrouwbare werking, zelfs bij wisselende input van hernieuwbare energie, dragen allemaal bij aan een betere economie. In grotere schaal kunnen AEM-systemen de waterstofprijs potentieel onder de 2 dollar per kilogram brengen, het cruciale niveau dat nodig is om concurrerend te zijn in sectoren waar decarbonisatie bijzonder uitdagend is, zoals de productie van groen staal en de zware transportsector. Naarmate fabrikanten hun productievolume opvoeren, treden schaaleffecten in werking via leercurve-effecten, waardoor AEM zich vast positioneert als een belangrijke speler bij het realiseren van betaalbare en haalbare groene waterstof op wereldwijde markten.

Veelgestelde vragen

Waarom is de kosten van katalysator cruciaal bij de productie van groene waterstof?

De kosten van katalysator zijn een belangrijke factor omdat de gebruikte materialen, zoals iridium en platina, duur zijn en de kapitaalkosten van elektrolyseersystemen zoals PEM-systemen aanzienlijk verhogen.

Hoe verlagen AEM-elektrolyseers deze kosten?

AEM-elektrolyseers gebruiken aardovervloedige materialen zoals nikkel en ijzer die veel goedkoper zijn, waardoor de kosten voor katalysatormaterialen sterk worden verlaagd.

Wat is het rendement van AEM-systemen in vergelijking met PEM-systemen?

Over het algemeen behalen AEM-systemen een rendement tussen de 70 en 75 procent, en profiteren zij bovendien van lagere kosten en verbeterde stabiliteit in vergelijking met PEM-systemen.

Kan groene waterstof tegen concurrerende kosten worden geproduceerd?

Ja, met vooruitgang in AEM-technologie kunnen de kosten van groene waterstof dalen tot minder dan 2 dollar per kilogram, waardoor deze concurrerend wordt ten opzichte van fossiele brandstoffen.