Hvorfor katalysatorkostnad er den kritiske flaskehalsen i produksjon av grønn hydrogen

Kostnaden for å produsere grønn hydrogen ligger fremdeles på rundt 3,8 til 11,9 dollar per kilogram, hvilket er betydelig høyere enn hva vi betaler for fossile alternativer som dampmetanreformering, som varierer fra 1,5 til 6,4 dollar per kg. Dette prisegap gjør det vanskelig å skala opp operasjonene. Kapitalkostnader for elektrolyser forblir en stor utgift, spesielt for protonbyttemembran (PEM)-systemer som typisk koster mellom 800 og 1 500 dollar per kW. En nærmere analyse av disse kostnadene avslører noe interessant: det meste av pengene går til katalysatorer. Platina-gruppemetaller som iridium og platina utgjør nesten halvparten av kostnaden for PEM-stabler. For PEM-anoder alene trenger vi omtrent 1 til 2 milligram per kvadratcentimeter iridium, et metall som er så sjeldent og dyrt at priser ofte overstiger 7 400 dollar per kg. Problemet blir verre ettersom globale forsyninger ikke kan holde tritt med forventet etterspørselsvekst. Denne avhengigheten av sjeldne materialer skaper risiko for både kostkontroll og stabile leveringskjeder. Å komme ned til bransjens mål på 150 dollar per kW for elektrolysere, samtidig som man sikter mot 1 dollar per kg hydrogen, vil kreve betydelige reduksjoner i kostnad og mengde av katalysatorer. Alkaliske byttemembran (AEM)-elektrolyser kan kanskje gi den enkle løsning som trengs for å oppnå disse målene i stor skala.

AEM Elektrolyserarkitektur: Muliggjør Ekstremt Lav Belastning av Ikke-PGM Katalysatorer

Hydroksidledende Membran Muliggjør Stabil Drift med Nikkel- og Jernoksid

Anionbyttemembraner (AEM) fungerer ved å lede hydroxidioner (OH-), og skaper et alkalisk miljø som er ganske annerledes enn de sure forholdene som finnes i PEM-systemer. Det alkaliske miljøet hjelper faktisk til med å stabilisere jordfrie ikke-PGM-katalysatorer, som nikkel- og jernoksid, på anodesiden. Dette betyr at vi får god aktivitet for oksygenutviklingsreaksjon (OER) uten at disse materialene brytes ned for raskt. I mange år var stabilitet et stort problem som hindret utviklingen av ikke-PGM-katalysatorer, men det har endret seg nylig. Nye fremskritt innen membrankjemi sammen med bedre elektrodekonstruksjoner gjør at disse systemene kan kjøre stabilt ved industrielle strømtettheter over 0,5 A per kvadratcentimeter i tusenvis av driftstimer. Det som gjør moderne AEM-membraner så verdifulle, er deres evne til å forhindre at katalysatorpartikler løses opp under drift. De klarer å opprettholde kravene til ioneledeevne selv når belastningen svinger, noe som fjerner behovet for dyre edelmetaller bare for å motvirke korrosjon. Dette resulterer til slutt i mye lengre levetid for utstyret totalt sett.

Sammenligning: Iridiumbelastning i AEM mot PEM

Forskjeller i katalysatorbelastning understreker AEMs strukturelle fordel. PEM-elektrolyseur er utelukkende avhengige av iridiumoksid (IrO₂)-anoder for å tåle korrosive sure forhold. I motsetning til dette, opererer AEM-systemer med enten:

• Ikke-PGM-katalysatorer (f.eks. NiFe-oxyhydroksider), som ikke krever noe iridium, eller
• Sporavsetninger av PGM-belag , vanligvis <0,1 mg/cm², brukt kun for marginal ytelsesforbedring.

Dette representerer en betydelig reduksjon i iridiumforbruket. Tabellen nedenfor oppsummerer de viktigste konsekvensene:

Lavere belastning reduserer direkte stack-CAPEX med omtrent 30 % og beskytter prosjekter mot PGM-prisvolatilitet, noe som er kritisk for langsiktig prosjektfinansiering og bankbarhet.

Material-, design- og skalafordele som senker AEM-katalysator-CAPEX

Katalysatorer basert på rikelig tilgjengelige råstoffer reduserer avhengighet og risiko knyttet til prisvolatilitet

Alkaliske byttemembran (AEM) elektrolyseapparater erstatter iridium, et sjeldent metall som produseres globalt i mengder på rundt 7 til 10 tonn per år, med nikkel og jern i stedet. Disse alternativene er omtrent 10 000 ganger mer rikelig tilgjengelige og handles faktisk på stabile markeder med høy omsetning verden over. Tradisjonelle protonbyttemembran (PEM) systemer bruker omtrent 40 til 60 prosent av sin stack-kapitalutgifter på edle metaller, men AEM-teknologi omdirigerer disse midlene mot billigere og mer tilgjengelige materialer. Forskning publisert i fagfellevurderte tidsskrifter viser at ikke-PGM AEM-anoder kan nå over 95 % av PEMs aktivitet for oksygenutviklingsreaksjon, selv ved industrielle strømnivåer, og dermed kutte katalysatormaterialkostnadene med så mye som 90 %. Ser man på markedsdynamikken, blir denne overgangen enda mer overbevisende. Iridiumprisene økte nesten 800 % fra 2020 til 2023 ettersom tilbudet strammet inn, mens nikkel- og jernoksidpriser forble knyttet til generelle industrielle markedsvilkår uten en slik ekstrem volatilitet.

Forenklet celle-design reduserer produksjonskompleksitet og kostnad for katalysatorintegrering

AEM-teknologiens evne til å fungere i alkaliske miljøer gjør det mulig å forenkle det totale designet av disse cellene betraktelig. PEM-stabler trenger alle typer dyre deler, inkludert titan bipolarplater, spesialgjul med syreresisjens og komponenter med belag med edelmetaller, bare for å motstå korrosjon. Men AEM-systemer fungerer fint med vanlige rustfrie ståldeler og vanlige polymerfogntettheter i stedet. Når det gjelder påføring av katalysatorlag, har produsenter tilgjengelige metoder som er både skalerbare og kostnadseffektive. Teknikker som spraybehandling eller rulle-til-rulleavleiring fungerer godt her, noe som betyr at selskap ikke trenger å investere i kostbare vakuum-sputterutstyr eller komplekse varmeprosesser som kreves for de ekstremt tynne iridiumlag brukt i PEM-teknologi. Alle disse designforbedringer reduserer kostnader innen tre hovedområder:

• Syrefaste stabelmaterialer (sparer ~$220/kW),
• Infrastruktur for forrensing av ultra-rent vann,
• Logistikk for gjeninnvinning og resirkulering av edelmetaller.

Industrianalyse bekrefter at disse endringene reduserer kostnadene for katalysatorintegrasjon med 35–50 %, akselererer tid-till-volum-produksjon og forbedrer avkastningskonsistens.

Effekt på økonomien for grønn hydrogen: Lavere LCOH gjennom AEM-katalysatoreffektivitet

AEM-elektrolyserteknologien reduserer betydelig den nivåjusterte kostnaden for hydrogenproduksjon, fordi den retter seg mot ett av de største kostnadsområdene i elektrolysesystemer: katalysatormaterialene. I stedet for å bruke dyrt iridium, bruker disse systemene forbindelser basert på nikkel og jern som koster omtrent 80 til 90 prosent mindre. I tillegg krever de nesten ingen katalysatorbelastning i det absoltt. Denne tilnærmingen reduserer materialkostnader uten at ytelsen lider, og holder seg på et svært imponerende nivå på mellom 70 og 75 prosent effektivitet ved drift ved 1 ampere per kvadratcentimeter. Ettersom katalysatorkostnader vanligvis utgjør mellom 25 og 40 prosent av den totale kostnaden for en elektrolyser, fører denne endring alene til store reduksjoner i investeringskostnader. Fordelene multipliserer seg når vi også ser på andre faktorer. En forenklet maskvareutforming, enklere produksjonsprosesser og pålitelig drift selv ved svingende inndata fra fornybar energi, bidrar alle til bedre økonomi. I stor målestok kan AEM-systemer potensielt føre hydrogenprisene under 2 dollar per kilogram, og nå det gjevste tallet som er nødvendig for å konkurrere effektivt i bransjer der dekarbonisering er spesielt utfordrende, som produksjon av grønt stål og tung transportsektorer. Ettersom produsenter øker produksjonsvolumene, fører effekten av lærekurven til at fordeler ved økonomisk målestok inntar, og fastslår AEMs posisjon som en nøkkelaktør for å gjøre grønt hydrogen både rimelig og gjennomførbart på globale markeder.

Ofte stilte spørsmål

Hvorfor er katalysator-kostnaden avgjørende i produksjon av grønt hydrogen?

Katalysator-kostnad er en viktig faktor fordi materialene som brukes, som iridium og platina, er dyre og betydelig øker kapitalutgiftene for elektrolyseanlegg som PEM-systemer.

Hvordan reduserer AEM-elektrolyseanlegg disse kostnadene?

AEM-elektrolyseanlegg bruker jordrike materialer som nikkel og jern som er mye billigere, og dermed reduseres kostnadene for katalysatormaterialer betydelig.

Hva er effektiviteten til AEM-systemer sammenlignet med PEM-systemer?

Generelt oppnår AEM-systemer en effektivitet mellom 70 og 75 prosent, samtidig som de også har fordelen av reduserte kostnader og forbedret stabilitet sammenlignet med PEM-systemer.

Kan grønt hydrogen produseres til konkurransekraftige kostnader?

Ja, med fremskritt i AEM-teknologi kan kostnadene for grønt hydrogen reduseres til under 2 dollar per kilo, noe som gjør det konkurransedyktig mot fossile brensler.