Зашто су трошкови катализатора критично густог угледа у производњу зелених водоника

Трошкови производње зелених водоника и даље стоје на око 3,8 до 11,9 долара по килограму, што је много више од онога што плаћамо за алтернативе фосилним горивима као што је реформирање метана паром, које се креће од 1,5 до 6,4 долара по килограму. Ова разлика у ценама отежава проширење операција. Капитални трошкови електролизатора остају велики трошак, посебно за системе за протонску размену мембрана (ПЕМ) које обично коштају између 800 и 1.500 долара по кВт. Ако погледамо те трошкове, открићемо нешто занимљиво: већи део новца иде на катализаторе. Метали групе платине као што су иридијум и платина чине скоро половину трошкова ПЕМ-а. Само за ПЕМ аноде потребно нам је око 1 до 2 милиграма иридија по квадратном центиметру, метала који је тако ретко и скупо да цене често прелазе 7.400 долара по килограму. Проблем се погоршава с обзиром на то да глобална снабдевања не могу да наставе са очекиваним растом потражње. Ова зависност од ретких материјала ствара ризике и за контролу трошкова и за стабилне ланце снабдевања. Долазак до индустријског циља од 150 долара по кВт за електролизаторе док се тежи 1 долара по кг водоника захтева значајна смањење трошкова катализатора и количине употребе. Електролизатори са мембраном за размену алкалина (АЕМ) могу бити једноставно решење потребно за постизање ових циљева у великој мери.

Архитектура ЕЕМ електролизатора: омогућава ултра-ниско оптерећење катализатора који нису ПГМ

Мембрана која води хидроксид омогућава стабилан рад са никелом и гвожђеним оксидима

Анионске мембране (АЕМ) раде проводећи јоне хидроксида (ОХ-), стварајући алкално окружење које се прилично разликује од киселих услова у ПЕМ системима. Алкална природа заправо помаже у стабилизовању оних не-ПГМ катализатора који су у земљи обилни као што су никел и гвожђе на страни аноде. То значи да добијемо добру активност реакције еволуције кисеоника (ОЕР) без тога да се ови материјали пребрзо распадају. Годинама је стабилност била велики проблем који је задржавао катализаторе који нису ПГМ, али ствари су се недавно промениле. Нови развој у хемији мембрана заједно са бољим дизајном електрода омогућава овим системима да стабилно раде на густинама индустријске струје преко 0,5 А по квадратном центиметру хиљадама оперативних сати. Оно што модерне АЕМ мембране чини тако вредним је њихова способност да спрече да се честице катализатора растворе током рада. Они се слажу са захтевима за јонском проводношћу чак и када се оптерећења мењају, што уклања потребу за скупим племенитим металима само да би се борили против корозије. То на крају доводи до много дуже трајне опреме.

Упоређење: Иридијумско оптерећење у АЕМ-у у односу на ПЕМ

Разлике у оптерећењу катализатора наглашавају структурну предност АЕМ-а. ПЕМ електролизатори се ослањају искључиво на аноде иридијум оксида (ИрО2) како би издржали корозивне киселе услове. За разлику од тога, АЕМ системи раде са било:

• Катализатори који нису ПГМ (нпр. НиФе оксихидроксиди), који захтевају нулти иридијум, или
• ПГМ прекривања за траге , обично < 0,1 мг/ см2, користи се само за маргинално побољшање перформанси.

То представља значајно смањење потрошње иридијума. Следећа табела сумира кључне импликације:

Нижа оптерећења директно смањују стак CAPEX за око 30% и изоловају пројекте од валатилности цене ПГМ-а, што је од кључне важности за дугорочно финансирање пројекта и банкарност.

Предности материјала, дизајна и обима који смањују АЕМ катализатор CAPEX

Катализатори у обиљу земље смањују зависност од сировина и ризик од нестабилности

Електролизатори алкалне мембране (АЕМ) замењују иридијум, ретки метал који се производи широм света око 7 до 10 тона годишње, за никел и гвожђе. Ове алтернативе су приближно 10.000 пута више и у ствари се тргују на стабилним тржиштима са великим бројем широм света. Традиционални системи за протонску мембрану троше око 40 до 60 посто својих капиталних трошкова на драгоцене групе метала, али АЕМ технологија преусмерава та средства ка јефтинијим, доступнијим материјалима. Истраживања објављена у рецензираним часописима показују да не-ПГМ АЕМ аноде могу да достигну преко 95% активности реакције еволуције кисеоника ПЕМ-а чак и на нивоима индустријске струје, смањујући трошкове катализаторског материјала чак за 90%. Гледајући динамику тржишта, ова промена је још убедљивија. Цене иридијума су се повећале за скоро 800% од 2020. до 2023. године, пошто су се снабдевања оштрила, док су цене никла и гвожђевог оксида остале повезане са општим условама индустријског тржишта без такве екстремне нестабилности.

Једностављени дизајн ћелија смањује сложеност производње и трошкове интеграције катализатора

Способност АЕМ технологије да ради са алкалним окружењима омогућава да се уопштен дизајн ових ћелија прилично поједностави. ПЕМ-овим стаклом су потребни све врсте скупих делова, укључујући титанијумске биполарне плоче, специјалне киселински отпорне гумпе и компоненте обложене драгоценим металима само да би се издржале корозије. Али АЕМ системи функционишу добро користећи обично делове од нерђајућег челика и свакодневне полимерске запечатање. Када је реч о примењивању катализаторских слојева, произвођачи имају опције које су и скалибилне и буџетски прихватљиве. Технике као што су спреј премаз или слој до слоја одлагања добро раде овде, што значи да компаније не морају да улагају у скупу опрему за вакуумско прскање или сложене топлотне процесе потребне за оне супер танке слојеве иридијума који се користе у ПЕМ технологији. Све ове побољшања дизајна смањују трошкове у три главне области:

• Киселоупорни материјали за спајање (штеди ~ 220 $/kW),
• Инфраструктура за препречишћење ултрачисте воде,
• Логистика за опоравак и рециклирање племенитих метала.

Анализа индустрије потврђује да ове промене смањују трошкове интеграције катализатора за 35-50%, убрзавајући време до производње у великој количини и побољшавајући конзистенцију приноса.

Утјецај на економију зелених водоника: нижа ЛЦОХ кроз ефикасност АЕМ катализатора

Технологија ЕЕМ електролизатора значајно смањује изједначене трошкове производње водоника јер се усредсреди на једну од највећих области трошкова у системима електролизатора: катализаторске материјале. Уместо да користе скупи иридијум, ови системи користе једињења на бази никла и гвожђа која су коштати око 80 до 90 посто мање. Штавише, они не захтевају скоро никакво набављање катализатора. Овај приступ смањује трошкове материјала без жртвовања нивоа перформанси, који остају прилично импресивни са 70 до 75 постом ефикасности када се ради на 1 ампер по квадратном центиметру. Пошто трошкови катализатора обично чине од 25 до 40 посто укупних трошкова електролизатора, само то прелазак води до значајних смањења капиталних трошкова. Користи се множе кад погледамо и друге факторе. Једностављени дизајн хардвера, лакши производни процеси и поуздано функционисање чак и када се бавите флуктуирајућим улозима обновљиве енергије доприносе бољој економији. У маштабу, АЕМ системи могу потенцијално да сруше цене водоника испод 2 долара по килограму, достижући тај магични број који је потребан да се ефикасно такмичи у индустријама у којима је декарбонизација посебно изазовна, као што су производња зелених челика и тешки транспортни сектори. Како произвођачи повећавају производњу, економије скале се појављују кроз ефекте криве учења, ојачајући позицију АЕМ-а као кључног играча у томе да зелен водоник буде приступачан и изводљив на глобалним тржиштима.

Често постављене питања

Зашто су трошкови катализатора од кључног значаја у производњи зелених водоника?

Трошкови катализатора су главни фактор јер су коришћени материјали, као што су иридијум и платина, скупи и значајно повећавају капитални трошак електролизатора као што су ПЕМ системи.

Како АЕМ електролизатори смањују ове трошкове?

Електролизатори АЕМ-а користе материјале који су у земљи обилни као што су никел и гвожђе, који су много јефтинији, чиме се значајно смањују трошкови катализаторског материјала.

Која је ефикасност АЕМ система у поређењу са ПЕМ системима?

Општо, АЕМ системи постижу ефикасност од 70 до 75 посто, а истовремено имају и користи од смањених трошкова и побољшане стабилности у поређењу са ПЕМ системима.

Да ли се зелен водоник може произвести по конкурентним ценама?

Да, напредовањем АЕМ технологије, трошкови зелених водоника могу се смањити на мање од 2 долара по килограму, што ће га учинити конкурентним у односу на фосилна горива.