Por Que o Custo do Catalisador é o Principal Obstáculo na Produção de Hidrogênio Verde

O custo de produção de hidrogênio verde ainda está em torno de 3,80 a 11,90 dólares por quilograma, colocando-o muito acima do que pagamos por alternativas fósseis, como reforma a vapor de metano, cujos preços variam de 1,50 a 6,40 dólares por kg. Essa diferença de preço dificulta a ampliação das operações. Os gastos de capital com eletrolisadores continuam sendo uma despesa significativa, especialmente para sistemas de membrana de troca de prótons (PEM), que tipicamente custam entre 800 e 1.500 dólares por kW. Ao analisar mais de perto esses custos, revela-se algo interessante: a maior parte do dinheiro é gasta em catalisadores. Metais do grupo da platina, como irídio e platina, representam quase metade do custo das pilhas PEM. Apenas para os ânodos PEM, precisamos de cerca de 1 a 2 miligramas por centímetro quadrado de irídio, um metal tão raro e caro que os preços frequentemente ultrapassam 7.400 dólares por kg. O problema piora porque os suprimentos globais não conseguem acompanhar o crescimento esperado da demanda. Essa dependência de materiais escassos cria riscos tanto para o controle de custos quanto para cadeias de fornecimento estáveis. Reduzir até a meta da indústria de 150 dólares por kW para eletrolisadores, ao mesmo tempo em que se visa 1 dólar por kg de hidrogênio, exigirá reduções significativas nos custos e nas quantidades utilizadas de catalisadores. Os eletrolisadores de membrana de troca alcalina (AEM) podem oferecer justamente a solução direta necessária para alcançar essas metas em larga escala.

Arquitetura do Eletrolisador AEM: Habilitando Carga Ultra-Baixa de Catalisadores Não-PGM

Membrana Condutora de Hidróxido Permite Operação Estável com Óxidos de Níquel e Ferro

As membranas de troca aniônica (AEMs) funcionam conduzindo íons hidróxido (OH-), criando um ambiente alcalino bastante diferente das condições ácidas encontradas nos sistemas PEM. A natureza alcalina ajuda a estabilizar os catalisadores não-PGM, abundantes na Terra, como óxidos de níquel e ferro, no lado do ânodo. Isso significa que obtemos boa atividade na reação de evolução de oxigênio (OER) sem que esses materiais se degradem rapidamente. Por anos, a estabilidade foi um grande problema que limitava os catalisadores não-PGM, mas as coisas mudaram recentemente. Novos desenvolvimentos na química das membranas, juntamente com melhores designs de eletrodos, permitem que esses sistemas operem de forma estável em densidades de corrente industriais superiores a 0,5 A por centímetro quadrado por milhares de horas de operação. O que torna as modernas membranas AEM tão valiosas é a sua capacidade de impedir que as partículas de catalisador se dissolvam durante a operação. Elas mantêm os requisitos de condutividade iônica mesmo quando as cargas flutuam, eliminando a necessidade de metais nobres caros apenas para combater a corrosão. Isso leva, em última instância, a equipamentos significativamente mais duráveis no geral.

Comparação: Carga de Iridium em AEM vs. PEM

As diferenças na carga de catalisador destacam a vantagem estrutural do AEM. Os eletrolisadores PEM dependem exclusivamente de ânodos de óxido de irídio (IrO₂) para suportar as condições ácidas corrosivas. Em contraste, os sistemas AEM operam com:

• Catalisadores não-PGM (por exemplo, oxi-hidróxidos de NiFe), que não requerem irídio algum, ou
• Revestimentos de PGM em traços , tipicamente <0,1 mg/cm², usados apenas para melhoria marginal de desempenho.

Isso representa uma redução significativa no consumo de irídio. A tabela abaixo resume as principais implicações:

Um carregamento mais baixo reduz diretamente o CAPEX do conjunto em aproximadamente 30% e protege os projetos contra a volatilidade dos preços de PGM, o que é fundamental para o financiamento de longo prazo e a viabilidade bancária dos projetos.

Vantagens de Material, Projeto e Escala que Reduzem o CAPEX de Catalisadores AEM

Catalisadores Baseados em Elementos Abundantes na Natureza Reduzem a Dependência e o Risco de Volatilidade de Matérias-Primas

Os eletrólitos de membrana de troca alcalina (AEM) substituem o irídio, um metal raro produzido globalmente em cerca de 7 a 10 toneladas por ano, por níquel e ferro. Essas alternativas são aproximadamente 10.000 vezes mais abundantes e realmente negociadas em mercados estáveis e de alto volume em todo o mundo. Os sistemas tradicionais de membrana de troca de prótons (PEM) gastam cerca de 40 a 60 por cento de suas despesas de capital com metais do grupo de metais preciosos, mas a tecnologia AEM redireciona esses fundos para materiais mais baratos e acessíveis. Pesquisas publicadas em revistas revisadas por pares mostram que ânodos AEM sem PGM podem atingir mais de 95% da atividade da reação de evolução de oxigênio do PEM, mesmo em níveis industriais de corrente, reduzindo os custos com materiais de catalisador em até 90%. Analisar as dinâmicas de mercado torna essa transição ainda mais atraente. Os preços do irídio aumentaram quase 800% entre 2020 e 2023 à medida que a oferta se apertou, enquanto os preços do óxido de níquel e de ferro permaneceram ligados às condições gerais dos mercados industriais, sem essa extrema volatilidade.

Design Simplificado da Célula Reduz a Complexidade de Fabricação e o Custo de Integração do Catalisador

A capacidade da tecnologia AEM de funcionar em ambientes alcalinos torna possível simplificar bastante o design geral dessas células. Pilhas PEM precisam de todos os tipos de peças caras, incluindo placas bipolares de titânio, juntas resistentes a ácidos especiais e componentes revestidos com metais preciosos apenas para suportar a corrosão. Já os sistemas AEM funcionam bem usando peças comuns de aço inoxidável e selos poliméricos convencionais. No que diz respeito à aplicação das camadas catalisadoras, os fabricantes dispõem de opções escaláveis e economicamente viáveis. Técnicas como revestimento por pulverização ou deposição em rolo são eficazes neste caso, o que significa que as empresas não precisam investir em equipamentos caros de pulverização a vácuo ou em processos térmicos complexos necessários para as camadas extremamente finas de irídio usadas na tecnologia PEM. Todas essas melhorias de design reduzem os custos em três áreas principais:

• Materiais resistentes a ácidos para pilhas (economia de ~$220/kW),
• Infraestrutura de pré-tratamento de água ultra-pura,
• Logística de recuperação e reciclagem de metais preciosos.

A análise do setor confirma que essas mudanças reduzem os custos de integração de catalisadores em 35-50%, acelerando a produção em volume e melhorando a consistência do rendimento.

Impacto na economia do hidrogênio verde: Menor LCOH por meio da eficiência do catalisador AEM

A tecnologia do eletrolisador AEM reduz significativamente o custo nivelado da produção de hidrogênio, pois foca em uma das maiores despesas nos sistemas de eletrolisadores: os materiais do catalisador. Em vez de utilizar irídio caro, esses sistemas empregam compostos baseados em níquel e ferro, que custam cerca de 80 a 90 por cento menos. Além disso, eles exigem quase nenhuma carga de catalisador. Essa abordagem reduz os custos com materiais sem sacrificar os níveis de desempenho, que permanecem bastante impressionantes, entre 70 e 75 por cento de eficiência ao operar com 1 ampère por centímetro quadrado. Como os custos de catalisador tipicamente representam de 25 a 40 por cento do custo total de um eletrolisador, essa troca isolada já leva a grandes reduções nas despesas de capital. Os benefícios multiplicam-se quando consideramos outros fatores também. Um design de hardware simplificado, processos de fabricação mais fáceis e operação confiável mesmo diante de entradas flutuantes de energia renovável contribuem todos para uma melhor economia. Em larga escala, os sistemas AEM poderiam potencialmente reduzir os preços do hidrogênio para abaixo de 2 dólares por quilograma, atingindo esse número mágico necessário para competir efetivamente em setores onde a descarbonização é particularmente desafiadora, como a produção de aço verde e o transporte pesado. À medida que os fabricantes aumentam os volumes de produção, as economias de escala entram em ação por meio dos efeitos da curva de aprendizado, consolidando a posição do AEM como um jogador-chave para tornar o hidrogênio verde acessível e viável em mercados globais.

Perguntas Frequentes

Por que o custo do catalisador é crucial na produção de hidrogênio verde?

O custo do catalisador é um fator importante porque os materiais utilizados, como irídio e platina, são caros e aumentam significativamente a despesa de capital de eletróliseadores como os sistemas PEM.

Como os eletróliseadores AEM reduzem esses custos?

Os eletróliseadores AEM utilizam materiais abundantes na natureza, como níquel e ferro, que são muito mais baratos, reduzindo assim significativamente os custos com materiais catalisadores.

Qual é a eficiência dos sistemas AEM em comparação com os sistemas PEM?

Geralmente, os sistemas AEM alcançam entre 70 e 75 por cento de eficiência, além de se beneficiarem de custos reduzidos e maior estabilidade em comparação com os sistemas PEM.

É possível produzir hidrogênio verde a custos competitivos?

Sim, com os avanços na tecnologia AEM, os custos do hidrogênio verde poderiam ser reduzidos para abaixo de 2 dólares por quilograma, tornando-o competitivo em relação aos combustíveis fósseis.