Zakaj so stroški katalizatorjev kritična ovira pri proizvodnji zelenega vodika

Stroški proizvodnje zelene vodike še vedno znašajo približno 3,8 do 11,9 ameriških dolarjev na kilogram, kar je znatno več kot plačujemo za fosilna alternativa, kot je parna reformacija metana, ki stane od 1,5 do 6,4 ameriških dolarjev na kilogram. Ta cenovni razkorak otežuje povečanje obsega dejavnosti. Kapitalski stroški za elektrolizerje ostajajo pomemben strošek, zlasti za sisteme s protonsko izmenjalno membrano (PEM), ki običajno stanejo med 800 in 1.500 dolarjev na kW. Podrobnejši pogled na te stroške razkrije nekaj zanimivega: večino denarja porabimo za katalizatorje. Kovine iz skupine platina, kot sta iridij in platina, predstavljajo skoraj polovico stroškov PEM sklopov. Samo za anode PEM potrebujemo približno 1 do 2 miligrame iridija na kvadratni centimeter, kovine, ki je tako redka in draga, da njene cene pogosto presegajo 7.400 dolarjev na kilogram. Težava se še poslabša, ker globalne zaloge ne morejo zadoščati pričakovanemu naraščanju povpraševanja. Odvisnost na redke materiale ustvarja tveganja za nadzor stroškov in stabilne dobavne verige. Zmanjšanje stroškov elektrolizerjev na ciljno industrijsko vrednost 150 dolarjev na kW ob cilju 1 dolarja na kilogram vodika bo zahtevalo znatna zmanjšanja stroškov in količin katalizatorjev. Elektrolizerji z alkalno izmenjalno membrano (AEM) morda ponujajo preprosto rešitev, potrebno za doseganje teh ciljev v večjem merilu.

Arhitektura AEM elektrolizerja: Omogočanje izjemno nizkega obremenjevanja katalizatorjev brez PGM

Hidroksidno prevodna membrana omogoča stabilen obrat z oksidi niklja in železa

Anionske izmenjevalne membrane (AEM) delujejo s prevajanjem hidroksidnih ionov (OH-), kar ustvarja alkalno okolje, ki se precej razlikuje od kislega stanja v sistemih PEM. Alkalna narava dejansko pomaga stabilizirati obilne katalizatorje brez plemenitih kovin, kot so oksidi niklja in železa na anodni strani. To pomeni, da dobimo dobro aktivnost reakcije evolucije kisika (OER), ne da bi se te materiale prehitro razgradile. Številna leta je bila stabilnost velik problem, ki je zaviral razvoj katalizatorjev brez plemenitih kovin, vendar se je to pred kratkim spremenilo. Nove razvoje v kemiji membran skupaj z izboljšanimi konstrukcijami elektrod omogočajo stabilen obratovanje pri industrijskih gostotah toka nad 0,5 A na kvadratni centimeter za tisoče obratovalnih ur. Kar dela sodobne AEM membrane tako vredne, je njihova sposobnost preprečevanja raztapljanja delcev katalizatorja med obratovanjem. Ohranjajo ustrezen nivo ionske prevodnosti tudi ob nihanjih obremenitve, kar odstrani potrebo po uporabi dragih plemenitih kovin le za boj proti koroziji. To končno pomeni bistvenno daljšo življenjsko dobo opreme na splošno.

Primerjava: vsebnost iridija v AEM in PEM

Razlike v obremenitvi katalizatorja poudarjajo strukturno prednost AEM. PEM elektrolizerji se zanašajo izključno na anode iz oksida iridija (IrO₂), da prenesejo korozivne kisline pogoje. Nasprotno pa AEM sistemi delujejo bodisi z:

• Neprecenjenimi katalizatorji (npr. NiFe oksihidroksidi), ki ne potrebujejo nič iridija, ali
• Sledovi prevlek PGM , ponavadi <0,1 mg/cm², uporabljene le za manjšo izboljšanje zmogljivosti.

To predstavlja pomembno zmanjšanje porabe iridija. Spodnja tabela povzema ključne posledice:

Nižja obremenitev neposredno zmanjša stroške kapitalskih naložb sklopa za približno 30 % in projekte zaščiti pred volatilnostjo cen PGM, kar je ključno za dolgoročno financiranje projektov in ugodnost posojil.

Prednosti materiala, konstrukcije in razmerja, ki znižujejo stroške kapitalskih naložb AEM katalizatorjev

Katalizatorji iz obilnih surovin zmanjšujejo odvisnost od surovin in tveganje volatilnosti cen

Alkalinska izmenjevalna membrana (AEM) elektrolizerji nadomeščajo iridij, redko kovino, ki se proizvaja na svetu v količinah približno 7 do 10 ton na leto, z nikljem in železom. Te alternative so približno 10.000-krat bolj razpoložljive in se dejansko prodajajo na stabilnih, visokovolumskih trgih po celem svetu. Tradicijski sistemi z membrano za izmenjavo protonov (PEM) porabijo približno 40 do 60 odstotkov stroškov njihovega sklada za dragocene skupinske kovine, medtem ko AEM tehnologija preusmeri ta sredstva k cenejšim in bolj dostopnim materialom. Raziskave objavljene v recenziranih strokovnih revijah kažejo, da lahko anode AEM brez skupine dragih kovin dosegnejo več kot 95 % aktivnosti PEM pri evoluciji kisika celo pri industrijskih jakostih toka, s čimer zmanjšajo stroške katalizatorja materiala do 90 %. Če upoštevamo tržne dinamike, je ta premik še bolj privlačen. Cene iridija so se med letoma 2020 in 2023 povečale za skoraj 800 %, ker so se zaloge zožile, medtem ko so se cene nikeljevega oksida in železovega oksida ohranjale povezane z splošnimi industrijskimi tržnimi razmerami brez takšne ekstremne volatilnosti.

Poenostavljena konstrukcija celice zmanjša zapletenost proizvodnje in stroške integracije katalizatorja

Zmožnost tehnologije AEM za delovanje v alkalnih okoljih omogoča precejšnjo poenostavitev splošne konstrukcije teh celic. PEM sklope potrebujejo različne drage dele, vključno s titanovimi bipolnimi ploščami, posebnimi kislinoodpornimi tesnili ter komponentami, prevlečenimi s kovinami, da bi preprečili korozijo. AEM sistemi pa lahko delujejo učinkovito z običajnimi deli iz nerjavnega jekla in vsakodnevnimi polimernimi tesnili. Pri nanosu katalizatornih slojev imajo proizvajalci na voljo možnosti, ki so skalabilne in prijazne do proračuna. Tehnike, kot je razprševanje ali valjasto nanos, delujejo dobro tukaj, kar pomeni, da podjetij ne morijo vlagati v drago opremo za vakuumsko napraševanje ali zapletene termične postopke, potrebne za izjemno tanke sloje iridija, uporabljene v PEM tehnologiji. Vse te izboljšave v konstrukciji zmanjšujejo stroške na treh glavnih področjih:

• Materiali za kislinoodporne sklade (varčevanje ~220 $/kW),
• Infrastruktura za predobdelavo ultramizne vode,
• Logistika za pridobivanje in recikliranje dragih kovin.

Analiza industrije potrjuje, da te spremembe zmanjšajo stroške integracije katalizatorjev za 35–50 %, pospešijo prehod na serijsko proizvodnjo in izboljšajo doslednost donosa.

Vpliv na ekonomiko zelene vodike: nižji LCOH zaradi učinkovitosti AEM katalizatorjev

Tehnologija AEM elektrolizerja znatno zmanjša nivelirane stroške proizvodnje vodika, saj tarči eno izmed največjih postaj stroškov v sistemih elektrolizerjev: katalizatorske materiale. Namesto dragocenega iridija ti sistemi uporabljajo spojine na osnovi niklja in železa, ki so približno 80 do 90 odstotkov cenejše. Še več, skoraj sploh ne potrebujejo nanosa katalizatorja. Ta pristop zmanjša stroške materialov, ne da bi pri tem zanemaril učinkovitosti, ki ostaja zelo ugledna, med 70 in 75 odstotki učinkovitosti pri delovanju pri 1 amper na kvadratni centimeter. Ker stroški katalizatorjev običajno predstavljajo kjer od 25 do 40 odstotkov skupnih stroškov elektrolizerja, že ta sam prehod povzroči znatna zmanjšanja kapitalskih odhodkov. Koristi se pomnožijo, ko upoštevamo tudi druge dejavnike. Poenostavljena konstrukcija strojne opreme, lažji postopki proizvodnje in zanesljivo delovanje tudi ob nestabilnih vhodih iz obnovljivih virov energije vse prispevajo k boljši gospodarnosti. Ob velikih obsegih lahko sistemi AEM potencialno znižajo cene vodika pod 2 dolarja na kilogram, kar doseže to čarobno številko, potrebno za učinkovito tekmovalnost v panogah, kjer je dekarbonizacija posebej zahtevna, kot sta proizvodnja zelene jeklene in težke prometne panoge. Ko proizvajalci povečujejo obsege proizvodnje, stopijo v veljavo učinki obsega prek učnega učinka, kar utrjuje položaj AEM kot ključnega igralca pri dostopnosti in izvedljivosti zelenega vodika na globalnih trgih.

Pogosta vprašanja

Zakaj je cena katalizatorja pomembna pri proizvodnji zelene vodike?

Cena katalizatorja je pomemben dejavnik, ker so materiali, kot sta iridij in platin, dragi in znatno povečajo kapitalske stroške elektrolizerjev, kot so sistemi PEM.

Kako AEM elektrolizerji zmanjšujejo te stroške?

AEM elektrolizerji uporabljajo razpoložljive materiale, kot sta nikalj in železo, ki so veliko cenejši, s čimer znatno zmanjšajo stroške materialov za katalizatorje.

Kakšna je učinkovitost AEM sistemov v primerjavi s sistemi PEM?

Praviloma AEM sistemi dosegajo učinkovitost med 70 in 75 odstotki, hkrati pa imajo nižje stroške in izboljšano stabilnost v primerjavi s sistemi PEM.

Ali se zelena vodika lahko proizvaja po konkurenčnih cenah?

Da, z napredki v AEM tehnologiji bi se lahko stroški zelene vodike znižali pod 2 dolarja na kilogram, kar bi jo naredilo konkurenčno fosilnim gorivom.