Почему стоимость катализатора является критическим узким местом в производстве зелёного водорода

Стоимость производства зеленого водорода все еще составляет около 3,8–11,9 долларов США на килограмм, что значительно превышает стоимость альтернатив на основе ископаемого топлива, таких как паровая метановая конверция, цена на которую колеблется от 1,5 до 6,4 долларов на кг. Эта разница в ценах затрудняет масштабирование операций. Капитальные затраты на электролизеры остаются значительной статьей расходов, особенно для систем с протонно-обменной мембраной (PEM), которые обычно стоят от 800 до 1500 долларов на кВт. Более детальный анализ этих затрат выявливает нечто интересное: большая часть средств идет на катализаторы. Платиновые металлы, такие как иридий и платина, составляют почти половину стоимости PEM-стеков. Только для анодов PEM требуется около 1–2 миллиграммов иридия на квадратный сантиметр — металла, столь редкого и дорогого, что его цена часто превышает 7400 долларов на кг. Проблема усугубляется тем, что мировые запасы не могут угнаться с ростом спроса. Эта зависимость от дефицитных материалов создает риски для контроля затрат и устойчивости цепочек поставок. Достижение отраслевой цели — 150 долларов на кВт для электролизеров при одновременной цели в 1 доллар на кг водорода — потребует значительного снижения стоимости и объема использования катализаторов. Электролизеры с щелочной обменной мембраной (AEM) могут предоставить простое решение, необходимое для достижения этих целей в промышленных масштабах.

Архитектура электролизера AEM: обеспечение сверхнизкой загрузки катализаторов без ПГМ

Гидроксид-проводящая мембрана обеспечивает стабильную работу с оксидами никеля и железа

Анионные обменные мембраны (AEM) работают путем проведения гидроксид-ионов (OH-), создавая щелочную среду, существенно отличающуюся от кислых условий в системах PEM. Щелочная природа фактически помогает стабилизировать обилие земных неблагородных катализаторов, таких как оксиды никеля и железа, на стороне анода. Это означает, что мы получаем хорошую активность реакции эволюции кислорода (OER), не допуская быстрого разрушения этих материалов. В течение многих лет стабильность была большой проблемой, сдерживающей использование неблагородных катализаторов, но в последнее время ситуация изменилась. Новые разработки в химии мембран, а также улучшенные конструкции электродов позволяют этим системам работать стабильно при промышленных плотностях тока более 0,5 А на квадратный сантиметр в течение тысяч часов эксплуатации. Что делает современные AEM-мембраны особенно ценными, так это их способность предотвращать растворение частиц катализатора в процессе работы. Они сохраняют соответствие требованиям ионной проводимости даже при колебаниях нагрузки, что устраняет необходимость использования дорогостоящих благородных металлов только для борьбы с коррозией. В конечном итоге это приводит к значительно более длительному сроку службы оборудования.

Сравнение: Нагрузка иридия в AEM и PEM

Различия в нагрузке катализатора подчёркивают структурное преимущество AEM. Электролизеры PEM исключительно используют аноды из оксида иридия (IrO₂), чтобы выдерживать агрессивные кислые условия. В отличие от них, системы AEM могут работать с:

• Катализаторами без ПБМ (например, оксигидроксидами NiFe), не требующими иридий вообще, или
• Микроскопическими покрытиями ПБМ , как правило, менее 0,1 мг/см², используемыми только для незначительного повышения производительности.

Это означает значительное сокращение потребления иридия. В таблице ниже приведены основные последствия:

Снижение загрузки напрямую уменьшает капитальные затраты на стек примерно на 30% и защищает проекты от волатильности цен на ПГМ, что критически важно для долгосрочного финансирования проектов и их банковской пригодности.

Преимущества материалов, конструкции и масштаба, снижающие капитальные затраты на катализаторы AEM

Катализаторы на основе широко распространённых в земной коре элементов снижают зависимость от сырья и риск волатильности цен

Электролизеры с щелочной обменной мембраной (AEM) заменяют иридий, редкий металл, мировое производство которого составляет около 7–10 тонн в год, на никель и железо. Эти альтернативы доступны примерно в 10 000 раз в больших объемах и фактически торгуются на устойчивых, высоколиквидных рынках по всему миру. Традиционные системы с протонно-обменной мембраной (PEM) тратят около 40–60 % капитальных расходов на стек их стоимость связаны с драгоценными металлами группы, тогда технология AEM перенаправляет эти средства на более дешёвые и доступные материалы. Исследования, опубликованные в рецензируемых журналах, показывают, что аноды AEM без использования ПГМ могут достигать более 95 % активности реакции выделения кислорода PEM, даже при промышленных уровнях тока, что сокращает расходы на катализаторные материалы до 90 %. Анализ рыночной динамики делает этот переход ещё более привлекательным. Стоимость иридия выросла почти на 800 % с 2020 до 2023 года на фоне сокращения поставок, в то время как цены на оксид никеля и железа оставались привязанными к общим условиям промышленного рынка без такого экстремального колебания.

Упрощенная конструкция ячейки снижает сложность производства и стоимость интеграции катализатора

Возможность технологии AEM работать в щелочной среде позволяет значительно упростить общую конструкцию таких ячеек. Пакеты PEM требуют множества дорогостоящих компонентов, включая титановые биполярные пластины, специальные уплотнения, устойчивые к кислотам, и детали с покрытием из драгоценных металлов, чтобы противостоять коррозии. В то же время системы AEM работают нормально с использованием обычных деталей из нержавеющей стали и стандартных полимерных уплотнений. Что касается нанесения каталитических слоев, производители имеют доступ к масштабируемым и экономически эффективным методам. Хорошо подходят такие методы, как распылительное нанесение или нанесение «ролик-к-ролику», что означает, что компаниям не нужно вкладываться в дорогостоящее оборудование для вакуумного распыления или сложные термические процессы, необходимые для получения сверхтонких слоев иридия, используемых в технологии PEM. Все эти усовершенствования конструкции позволяют снизить затраты по трем основным направлениям:

• Кислотостойкие материалы для стека (экономия ~220 долл. США/кВт),
• Инфраструктура предварительной очистки ультрачистой воды,
• Логистика извлечения и переработки благородных металлов.

Анализ отрасли подтверждает, что эти изменения снижают затраты на интеграцию катализаторов на 35–50 %, сокращают сроки выхода на объемное производство и повышают стабильность выхода продукции.

Влияние на экономику зеленого водорода: снижение LCOH за счет эффективности катализатора AEM

Технология AEM-электролизёра значительно снижает удельную стоимость производства водорода, поскольку направлена на одну из самых затратных статей в системах электролиза — катализаторные материалы. Вместо дорогостоящего иридия эти системы используют соединения никеля и железа, которые стоят на 80–90 процентов меньше. Более того, они практически не требуют нанесения катализатора. Такой подход позволяет снизить расходы на материалы, не жертвуя при этом уровнем производительности, который остаётся достаточно высоким — от 70 до 75 процентов эффективности при плотности тока 1 ампер на квадратный сантиметр. Поскольку стоимость катализаторов обычно составляет от 25 до 40 процентов общей стоимости электролизёра, уже одна эта замена приводит к значительному снижению капитальных затрат. Преимущества возрастают при учёте и других факторов. Упрощённая конструкция оборудования, более лёгкие процессы изготовления и надёжная работа даже при колеблющихся поступлениях энергии от возобновляемых источников — всё это способствует улучшению экономических показателей. В масштабе производства AEM-системы потенциально могут снизить цены на водород ниже 2 долларов за килограмм, достигнув этого ключевого значения, необходимого для эффективной конкуренции в отраслях, где декарбонизация особенно сложна, например, в производстве зелёной стали и в секторе тяжёлого транспорта. По мере увеличения объёмов производства производителями, эффект масштаба усиливается благодаря эффекту кривой обучения, что укрепляет позиции AEM как ключевого игрока в обеспечении доступности и реализуемости зелёного водорода на глобальных рынках.

Часто задаваемые вопросы

Почему стоимость катализатора имеет решающее значение в производстве зеленого водорода?

Стоимость катализатора является важным фактором, поскольку используемые материалы, такие как иридий и платина, дороги и значительно увеличивают капитальные затраты на электролизеры, такие как системы PEM.

Каким образом электролизеры AEM снижают эти затраты?

Электролизеры AEM используют доступные в земной коре материалы, такие как никель и железо, которые намного дешевле, тем самым значительно снишая расходы на катализаторные материалы.

Какова эффективность систем AEM по сравнению с системами PEM?

Как правило, системы AEM достигают эффективности в диапазоне от 70 до 75 процентов, а также получают выгоду от снижения затрат и улучшения стабильности по сравнению с системами PEM.

Можно ли производить зеленый водород при конкурентоспособных затратах?

Да, с развитием технологии AEM затраты на зеленый водород могут быть снищены до менее чем 2 долларов на килограмм, что сделает его конкурентоспособным по сравнению с ископаемым топливом.