Prečo sú náklady na katalyzátory kritickou zábranou pri výrobe zeleného vodíka

Náklady na výrobu zelenej vodíku sa stále pohybujú okolo 3,8 až 11,9 USD za kilogram, čo je oveľa vyššie ako cena alternatívnych fosílnych palív, ako je napríklad parná reformácia metánu, ktorá sa pohybuje od 1,5 do 6,4 USD za kg. Tento cenový rozdiel sťažuje rozšírenie prevádzkových kapacít. Kapitálové výdavky na elektrolyzéry zostávajú významnou položkou nákladov, najmä pre systémy s výmenou protónovej membrány (PEM), ktorých typické náklady sa pohybujú medzi 800 a 1 500 USD za kW. Podrobnejší pohľad na tieto náklady odhaľuje niečo zaujímavé: väčšina peňazí sa minie na katalyzátory. Platinské skupinové kovy, ako irídium a platina, tvoria takmer polovicu nákladov PEM článkov. Už len pre anódy PEM je potrebné približne 1 až 2 miligramy irídia na štvorcový centimeter, čo je kov taký zriedkavý a drahý, že jeho cena často presahuje 7 400 USD za kg. Problém sa ešte zhoršuje, keď globálne dodávky nedokážu držať krok s očakávaným rastom dopytu. Táto závislosť od vzácnych materiálov prináša riziká pre kontrolu nákladov aj pre stabilitu dodávkových reťazcov. Dosiahnutie priemyselného cieľa vo výške 150 USD za kW pre elektrolyzéry a zároveň cieľa 1 USD za kg vodíka bude vyžadovať výrazné zníženie nákladov a množstva používaných katalyzátorov. Elektrolyzéry s alkalickou výmenou membrány (AEM) by mohli ponúknuť priamy riešenie potrebné na dosiahnutie týchto cieľov v širšom meradle.

Architektúra AEM elektrolyzéra: Umožňuje extrémne nízke zaťaženie ne-PGM katalyzátorov

Hydroxidová vodivá membrána umožňuje stabilný prevádzku s oxidmi niklu a železa

Aniónové výmenné membrány (AEM) fungujú tak, že vedú hydroxylové ióny (OH⁻), čím vytvárajú alkalické prostredie, ktoré sa značne líši od kyslých podmienok v systémoch PEM. Práve alkalická povaha pomáha stabilizovať tie dostatočne prítomné ne-PGM katalyzátory, ako sú oxidy niklu a železa, na anódovej strane. To znamená, že dosahujeme dobrú aktivitu reakcie evolúcie kyslíka (OER), pričom tieto materiály sa príliš rýchlo nerozkladajú. Po mnoho rokov bola stabilita veľkým problémom, ktorý spomaľoval rozvoj ne-PGM katalyzátorov, no v poslednej dobe sa situácia zmenila. Nové pokroky v chémii membrán spolu s vylepšenými konštrukciami elektród umožňujú týmto systémom dlhodobo stabilne pracovať pri priemyselných hustotách prúdu vyšších ako 0,5 A na štvorcový centimeter po tisíce prevádzkových hodín. To, čo robí moderné AEM membrány tak cennými, je ich schopnosť zabrániť rozpúšťaniu častíc katalyzátora počas prevádzky. Udržiavajú požadovanú iónovú vodivosť aj pri kolísaní zaťaženia, čo odstraňuje potrebu drahých kovov nobela len kvôli odolnosti voči korózii. To nakoniec vedie k výrazne dlhšej životnosti celého zariadenia.

Porovnanie: Obsah irídia v AEM oproti PEM

Rozdiely v zaťažení katalyzátora zdôrazňujú konštrukčnú výhodu AEM. PEM elektrolyzéry sa úplne spoliehajú na anódy z oxidu irídia (IrO₂), ktoré odolávajú korozívnym kyslým podmienkam. Naopak, systémy AEM pracujú buď s:

• Nedrahými katalyzátormi (napr. hydroxidy niklu a železa), ktoré nepotrebuje žiadne irídium, alebo
• Stopovými povlakmi z dráhych kovov , zvyčajne <0,1 mg/cm², používanými len na mierny zvýšenie výkonu.

To predstavuje významné zníženie spotreby irídia. Nasledujúca tabuľka sumarizuje kľúčové dôsledky:

Nižšie zaťaženie priamo zníži kapitálové náklady na stoh približne o 30 % a ochráni projekty pred kolísaním cien PGM, čo je kľúčové pre dlhodobé financovanie projektov a ich bankovateľnosť.

Výhody materiálu, dizajnu a škály, ktoré znížia kapitálové náklady na AEM katalyzátor

Katalyzátory z hojne sa vyskytujúcich surovín znížia závislosť od surovín a riziko kolísania cien

Alkalické výmenné membránové (AEM) elektrolyzér nahrádzajú irídiom, kovom, ktorý sa na svete vyrábí vo výške približne 7 až 10 ton ročne, nikelnom a železom. Tieto alternatívy sú približne 10 000-krát hojnejšie a skutočne obchodujú na stabilných trhoch s vysokým objemom po celom svete. Tradičné systémy s výmennou membránou pre protóny (PEM) vynakladajú približne 40 až 60 percent svojich kapitálových nákladov na katalyzátory na drahé kovy, no technológia AEM presmerováva tieto prostriedky na lacnejšie a dostupnejšie materiály. Výskum publikovaný v recenzovaných časopisoch ukazuje, že anódy AEM bez skupiny platinových kovov môžu dosiahnuť viac ako 95 % aktivity PEM pri reakcii uvoľňovania kyslíka, a to dokonca pri priemyselných úrovniach prúdu, čo znižuje náklady na katalytické materiály až o 90 %. Pohľad na trhové dynamiky tento posun robí ešte presnejším. Ceny irídia medzi rokmi 2020 až 2023 stúpli takmer o 800 %, keďže dodávky sa zmenšili, zatiaľ čo ceny oxidu nikela a železa zostali prepojené na všeobecné podmienky priemyselného trhu bez takejto extrémnej volatility.

Zjednodušený návrh článku zníži výrobnú zložitosť a náklady na integráciu katalyzátoru

Možnosť technológie AEM pracovať v alkalickom prostredí umožňuje výrazne zjednodušiť celkový návrh týchto článkov. PEM zostavy vyžadujú množstvo drahých súčastí vrátane titánových bipolárnych dosák, špeciálnych kyselinovzdorných tesnení a komponentov pokrytých ušľachtiťovými kovmi len aby odolali korózii. AEM systémy však môžu dobre fungovať s bežnými súčiastkami z nerezovej ocele a bežnými polymérnymi tesneniami. Pri nanášaní vrstiev katalyzátoru majú výrobcovia k dispozícii škálovateľné a cenovo výhodné možnosti. Techniky ako striekacie natrienie alebo valcované usadenie fungujú tu dobre, čo znamená, že spoločnosti nemusia investovať do drahého vybavenia na vakuové naprašovanie ani do komplexných tepelných procesov potrebných pre veľmi tenké vrstvy irídia používané v PEM technológii. Všetky tieto vylepšenia návrhu znížia náklady v troch hlavných oblastiach:

• Kyselinovzdorné materiály pre stohy (úspora približne 220 USD/kW),
• Infraštruktúra predčistejania ultračistej vody,
• Logistika získavania a recyklácie drahých kovov.

Analýza odvetvia potvrdzuje, že tieto zmeny znížia náklady na integráciu katalyzátorov o 35–50 %, čím sa urýchli vstup do sériovej výroby a zlepší konzistencia výnosov.

Dopad na ekonómiu zelenej vodíka: Nižší LCOH prostredníctvom účinnosti katalyzátora AEM

Technológia AEM elektrolyzéra výrazne zníži úrovňové náklady na výrobu vodíka, pretože sa zameriava na jednu z najväčších oblastí výdavkov v systémoch elektrolyzérov: katalyzátory. Namiesto drahého irídia tieto systémy používajú zlúčeniny niklu a železa, ktoré stoja približne o 80 až 90 percent menej. Navyše vyžadujú takmer nulové množstvo katalyzátora. Tento prístup znižuje náklady na materiál bez toho, aby bol obetovaný výkon, ktorý zostáva veľmi pôsobivý vo výške účinnosti medzi 70 a 75 percent pri prevádzke s prúdom 1 ampér na štvorcový centimeter. Keďže náklady na katalyzátory zvyčajne tvoria od 25 do 40 percent celkových nákladov elektrolyzéra, samotná táto zmena vedie k výraznému zníženiu kapitálových výdavkov. Výhody sa násobia aj pri pohľade na ďalšie faktory. Zjednodušený návrh hardvéru, jednoduchšie výrobné procesy a spoľahlivá prevádzka aj pri kolísavom vstupe obnoviteľnej energie všetko prispieva k lepšej ekonomike. Vo veľkom meradle by systémy AEM potenciálne mohli znížiť ceny vodíka pod 2 doláre za kilogram, čím dosiahnu k tomu magickému číslu potrebnému na efektívnu konkurencieschopnosť v odvetviach, kde je dekarbonizácia obzvlášť náročná, ako napríklad pri výrobe zelenej ocele alebo v odvetviach ťažkého dopravného sektora. Keď výrobcovia zvyšujú objemy výroby, uplatňujú sa ekonomické výhody rastúceho rozsahu vďaka efektom učiacej sa krivky, čím sa pevne uchyľuje pozícia AEM ako kľúčového hráča pri zabezpečovaní dostupnosti a realizovateľnosti zeleného vodíka na globálnych trhoch.

Často kladené otázky

Prečo je cena katalyzátora kľúčová pri výrobe zelenej vodíku?

Cena katalyzátora je dôležitým faktorom, pretože materiály, ako irídium a platina, sú drahé a výrazne zvyšujú kapitálové náklady elektrolyzérov, napríklad systémov PEM.

Ako AEM elektrolyzéry tieto náklady znížia?

AEM elektrolyzéry využívajú materiály bežne sa vyskytujúce na Zemi, ako nikl a železo, ktoré sú oveľa lacnejšie, čím výrazne znížia náklady na materiály katalyzátorov.

Aká je účinnosť AEM systémov v porovnaní so systémami PEM?

Vo všeobecnosti dosahujú AEM systémy účinnosť medzi 70 až 75 percentami a zároveň profitujú z nižších nákladov a zlepšenej stability v porovnaní so systémami PEM.

Môže byť zelený vodík vyrábaný za konkurencieschopné ceny?

Áno, vďaka pokrokom v AEM technológii by sa mohli náklady na zelený vodík znížiť pod 2 doláre za kilogram, čo by ho učinilo konkurencieschopným voči fosílnym palivám.