De ce costul catalizatorului este blocajul critic în producția de hidrogen verde

Costul producției de hidrogen verde se situează încă în jurul a 3,80 - 11,90 dolari pe kilogram, ceea ce este mult mai mare decât prețul alternativelor bazate pe combustibili fosili, cum ar fi reformarea cu abur a metanului, care variază între 1,50 și 6,40 dolari pe kg. Această diferență de preț face dificilă extinderea operațiunilor. Cheltuielile de capital pentru electrolițeri rămân un cost major, în special pentru sistemele cu membrană de schimb de protoni (PEM), care au în general un preț cuprins între 800 și 1.500 de dolari pe kW. Analizând mai atent acești costuri, observăm un aspect interesant: o mare parte din bani este alocată catalizatorilor. Metalele din grupa platinei, cum sunt iridiul și platină, reprezintă aproape jumătate din costul stivelor PEM. Doar pentru anozii PEM, avem nevoie de aproximativ 1-2 miligrame pe centimetru pătrat de iridiu, un metal atât de rar și scump încât prețul său depășește adesea 7.400 de dolari pe kg. Problema se agravează deoarece aprovizionarea globală nu poate face față creșterii cererii anticipate. Această dependență de materiale rare creează riscuri atât pentru controlul costurilor, cât și pentru lanțurile de aprovizionare stabile. Atingerea obiectivului industrial de 150 de dolari pe kW pentru electrolițeri, în timp ce se urmărește un preț de 1 dolar pe kg hidrogen, va necesita reduceri semnificative ale costurilor și cantităților utilizate de catalizatori. Electrolițerii cu membrană alcalină (AEM) ar putea oferi soluția directă necesară pentru atingerea acestor obiective la scară largă.

Arhitectură AEM Electrolyzer: Permite Încărcare Ultra-Scăzută a Catalizatorilor Non-PGM

Membrană Conductoare de Hidroxid Permite Operare Stabilă cu Oxizi de Nichel și Fier

Membranele de schimb anionic (AEM) funcționează prin conducerea ionilor de hidroxid (OH-), creând un mediu alcalin semnificativ diferit de condițiile acide întâlnite în sistemele PEM. Caracterul alcalin ajută de fapt la stabilizarea catalizatorilor ne-PGM, abundenți în scoarța terestră, precum oxizii de nichel și fier, pe partea anodică. Acest lucru înseamnă că obținem o activitate bună în reacția de evoluție a oxigenului (OER), fără ca aceste materiale să se degradeze prea repede. Timp de mulți ani, stabilitatea a fost o problemă majoră care a împiedicat dezvoltarea catalizatorilor ne-PGM, dar lucrurile s-au schimbat recent. Noile dezvoltări în chimia membranelor, împreună cu proiectări mai bune ale electrozilor, permit acestor sisteme să funcioneze stabil la densități de curent industriale de peste 0,5 A pe centimetru pătrat, pentru mii de ore de funcționare. Ceea ce face membranele moderne AEM atât de valoroase este capacitatea lor de a preveni dizolvarea particulelor de catalizator în timpul funcionării. Ele își mențin cerințele de conductivitate ionică chiar în condițiile în care sarcinile fluctuează, ceea ce elimină nevoia de metale prețioase scumpe doar pentru a combate coroziunea. Aceasta duce în final la echipamente mult mai durabile în ansamblu.

Comparație: Încărcarea cu iridiu în AEM vs. PEM

Diferențele de încărcare a catalizatorului subliniază avantajul structural al AEM. Electroliții PEM se bazează exclusiv pe anode din oxid de iridiu (IrO₂) pentru a rezista condițiilor acide corozive. În schimb, sistemele AEM funcționează fie cu:

• Catalizatori non-PGM (de exemplu, oxihidroxizi NiFe), care nu necesită deloc iridiu, fie
• Straturi subțiri de PGM , de obicei <0,1 mg/cm², utilizate doar pentru o ușoară îmbunătățire a performanței.

Aceasta reprezintă o reducere semnificativă a consumului de iridiu. Tabelul de mai jos rezumă principalele implicații:

O încărcare mai redusă reduce direct CAPEX-ul stivei cu aproximativ 30% și protejează proiectele de volatilitatea prețurilor PGM, ceea ce este esențial pentru finanțarea pe termen lung a proiectelor și pentru eligibilitatea bancară.

Avantaje ale materialului, proiectării și scalabilității care reduc CAPEX-ul catalizatorului AEM

Catalizatori din materiale abundente pe Pământ reduc dependența de materii prime și riscul de volatilitate

Electrolizorii cu membrană de schimb alcalin (AEM) înlocuiesc iridiul, un metal rar produs la nivel mondial în cantități de aproximativ 7-10 tone pe an, cu nichel și fier. Aceste alternative sunt de aproximativ 10.000 de ori mai abundente și se tranzacționează de fapt pe piețe stabile și cu volum mare la nivel mondial. Sistemele tradiționale cu membrană de schimb de protoni (PEM) alocă aproximativ 40–60% din cheltuielile de capital ale stivei pentru metale din grupa metalelor prețioase, dar tehnologia AEM reorientează acești bani către materiale mai ieftine și mai accesibile. Cercetări publicate în reviste specializate recunoscute arată că anozii AEM fără PGM pot atinge peste 95% din activitatea reacției de evoluție a oxigenului specifică tehnologiei PEM, chiar și la niveluri industriale de curent, reducând astfel cheltuielile cu materialele catalizatoare cu până la 90%. Analizând dinamica pieței, această tranziție devine și mai convingătoare. Prețurile iridiului au crescut aproape cu 800% între 2020 și 2023, odată cu restrângerea ofertei, în timp ce prețurile oxidului de nichel și fier au rămas legate de condițiile generale ale pieței industriale, fără a înregistra o asemenea volatilitate extremă.

Proiectarea Simplificată a Celulelor Reduce Complexitatea Producției și Costul Integrării Catalizatorului

Capacitatea tehnologiei AEM de a funcționa în medii alcaline face posibilă simplificarea considerabilă a proiectării generale a acestor celule. Stivele PEM necesită diverse componente scumpe, inclusiv plăci bipolare din titan, garnituri speciale rezistente la acizi și componente acoperite cu metale prețioase, doar pentru a rezista coroziunii. În schimb, sistemele AEM funcționează corespunzător folosind componente obișnuite din oțel inoxidabil și sigilări polimerice uzuale. În ceea ce privește aplicarea straturilor de catalizator, producătorii dispun de opțiuni scalabile și prietenoase din punct de vedere bugetar. Tehnici precum acoperirea prin pulverizare sau depunerea tip roll-to-roll funcționează bine în acest caz, ceea ce înseamnă că companiile nu trebuie să investească în echipamente costisitoare de sputtering în vid sau în procese termice complexe necesare pentru straturile foarte subțiri de iridiu utilizate în tehnologia PEM. Toate aceste îmbunătățiri ale proiectării reduc costurile în trei domenii principale:

• Materiale pentru stack rezistente la acid (economisind ~220 $/kW),
• Infrastructura de pretratare a apei ultra-pură,
• Logistica de recuperare și reciclare a metalelor prețioase.

Analiza industriei confirmă că aceste modificări reduc costurile de integrare a catalizatorilor cu 35-50%, accelerând timpul către producția de volum și îmbunătățind consistența randamentului.

Impact asupra economiei hidrogenului verde: Scăderea LCOH prin eficiența catalizatorului AEM

Tehnologia electrolizorului AEM reduce semnificativ costul nivelat al producției de hidrogen, deoarece vizează una dintre cele mai mari categorii de cheltuieli în sistemele de electroliză: materialele catalizator. În loc să utilizeze iridiu scump, aceste sisteme folosesc compuși pe bază de nichel și fier care costă cu aproximativ 80–90 la sută mai puțin. Mai mult, necesită aproape deloc încărcare cu catalizator. Această abordare reduce costurile materialelor fără a sacrifica performanța, care rămâne destul de impresionantă, între 70 și 75 la sută eficiență la o funcționare de 1 amper pe centimetru pătrat. Deoarece costurile catalizatorului reprezintă în mod tipic între 25 și 40 la sută din costul total al unui electrolizor, efectuarea acestei schimbări duce singură la reduceri majore ale cheltuielilor de capital. Beneficiile se multiplică atunci când luăm în considerare și alți factori. Proiectarea hardware-ului simplificată, procesele de fabricație mai ușoare și funcționarea fiabilă chiar și în condițiile unor intrări fluctuante de energie regenerabilă contribuie toate la o eficiență economică sporită. La scară largă, sistemele AEM ar putea aduce prețul hidrogenului sub 2 dolari pe kilogram, atingând acel prag magic necesar pentru a concura eficient în industrii unde descarbonizarea este deosebit de dificilă, cum ar fi producția de oțel verde și sectorul transporturilor grele. Pe măsură ce producătorii își măresc volumele de producție, economiile de scară intervin prin efectele curbei învățării, consolidând poziția AEM ca jucător cheie în realizarea hidrogenului verde accesibil și fezabil pe piețele globale.

Întrebări frecvente

De ce este costul catalizatorului crucial în producția de hidrogen verde?

Costul catalizatorului este un factor major deoarece materialele utilizate, precum iridiul și platină, sunt scumpe și cresc semnificativ cheltuielile de capital ale electrolizelor, precum sistemele PEM.

Cum reduc electrolizele AEM aceste costuri?

Electrolizele AEM utilizează materiale abundente pe Pământ, precum nichelul și fierul, care sunt mult mai ieftine, reducând astfel semnificativ cheltuielile cu materialele catalizatoare.

Care este eficiența sistemelor AEM în comparație cu sistemele PEM?

În mod obișnuit, sistemele AEM ating o eficiență între 70 și 75 la sută, beneficiind și de costuri reduse și o stabilitate îmbunătățită în comparație cu sistemele PEM.

Se poate produce hidrogen verde la costuri competitive?

Da, datorită progreselor în tehnologia AEM, costurile hidrogenului verde ar putea fi reduse sub 2 dolari pe kilogram, ceea ce îl face competitiv față de combustibilii fosili.