เหตุใดต้นทุนตัวเร่งปฏิกิริยาจึงเป็นอุปสรรคสำคัญในการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว

ต้นทุนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวยังคงอยู่ที่ประมาณ 3.8 ถึง 11.9 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัม ซึ่งสูงกว่าทางเลือกเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น การรีฟอร์มมิ่งเมทานด้วยไอน้ำ (steam methane reforming) ที่มีราคาตั้งแต่ 1.5 ถึง 6.4 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัมอย่างมาก ช่องว่างของราคาดังกล่าวทำให้ยากต่อการขยายขนาดการดำเนินงาน ค่าใช้จ่ายฝั่งทุนสำหรับเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ยังคงเป็นค่าใช้จ่ายหลัก โดยเฉพาะระบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) ที่โดยทั่วไปมีต้นทุนระหว่าง 800 ถึง 1,500 ดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์ การพิจารณารายละเอียดของต้นทุนเหล่านี้อย่างใกล้ชิดจะเห็นสิ่งที่น่าสนใจ นั่นคือ เงินส่วนใหญ่ถูกใช้ไปกับตัวเร่งปฏิกิริยา โลหะกลุ่มแพลตตินัม เช่น อิริเดียม และแพลตตินัม คิดเป็นเกือบครึ่งหนึ่งของต้นทุนในชุดเซลล์ PEM เพียงแค่ขั้วบวก (anode) ของ PEM เราก็ต้องใช้อิริเดียมประมาณ 1 ถึง 2 มิลลิกรัมต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งเป็นโลหะที่หายากและมีราคาแพงมาก โดยมักมีราคาเกิน 7,400 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัม ปัญหาดังกล่าวทวีความรุนแรงขึ้นเนื่องจากปริมาณการผลิตทั่วโลกไม่สามารถเทียบเท่ากับการเติบโตของอุปสงค์ที่คาดการณ์ไว้ได้ การพึ่งพาอาศัยวัสดุที่ขาดแคลนนี้สร้างความเสี่ยงทั้งในด้านการควบคุมต้นทุนและการรักษาระบบห่วงโซ่อุปทานให้มีเสถียรภาพ การลดต้นทุนลงสู่เป้าหมายของอุตสาหกรรมที่ 150 ดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์ สำหรับเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ พร้อมกับเป้าหมายราคาไฮโดรเจนที่ 1 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัมนั้น จะต้องอาศัยการลดต้นทุนและปริมาณการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างมีนัยสำคัญ เครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์แบบเยื่อแลกเปลี่ยนแอนไอออน (AEM) อาจเป็นทางออกที่ตรงไปตรงมา ซึ่งจำเป็นต่อการบรรลุเป้าหมายเหล่านี้ในระดับใหญ่

สถาปัตยกรรมอิเล็กโทรไลเซอร์ AEM: ช่วยให้ใช้สารเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่ PGM ได้ในปริมาณต่ำมาก

เยื่อเมมเบรนนำไฟฟ้าไฮดรอกไซด์ ทำให้สามารถทำงานอย่างมั่นคงโดยใช้นิกเกิลและออกไซด์ของเหล็ก

ผิวแลกเปลี่ยนอะนิออน (AEMs) ทํางานโดยนํายอนไฮโดรออกไซด์ (OH-) สร้างสภาพแวดล้อมอัลเคลลินที่แตกต่างกันออกไปจากสภาพกรดที่พบในระบบ PEM ลักษณะของเกลือจริงๆ ช่วยให้เกิดความมั่นคงของชนิดของสารเรือนที่ไม่ใช้อัตรา PGM ที่มีอยู่มากมาย เช่น นิเคิลและไอรอนิกซ์ไซด์ นั่นหมายความว่าเราจะได้กิจกรรมปฏิกิริยาวิวัฒนาการออกซิเจน (OER) ที่ดี โดยไม่ให้วัสดุเหล่านี้แตกออกเร็วเกินไป ตลอดหลายปี ความมั่นคงเป็นปัญหาใหญ่ ที่กักขังตัวเร่งที่ไม่ใช่ PGM แต่เมื่อไม่นานมานี้ การพัฒนาใหม่ในเคมีเยื่อ พร้อมกับการออกแบบอิเล็กทรอดที่ดีกว่า ทําให้ระบบเหล่านี้ทํางานได้อย่างมั่นคงที่ความหนาแน่นของกระแสกระแสอุตสาหกรรมมากกว่า 0.5 A ต่อเซนติเมตรสแควร์เป็นเวลาหลายพันชั่วโมงในการทํางาน สิ่งที่ทําให้ผิวหนัง AEM ที่ทันสมัยมีค่ามาก ก็คือความสามารถในการป้องกันอนุภาคกระตุ้นจากการละลายไประหว่างการทํางาน พวกมันสามารถดําเนินงานได้ตามความต้องการของความสามารถในการนํายอน แม้กระทั่งเมื่อภาระเปลี่ยนแปลง ซึ่งทําให้ไม่จําเป็นต้องใช้โลหะเกียรติอันแพงๆ เพียงเพื่อต่อต้านการกัดกร่อน ซึ่งในที่สุดจะทําให้อุปกรณ์ใช้ได้นานกว่า

การเปรียบเทียบ: การใช้ไรมิเนียมใน AEM เทียบกับ PEM

ความแตกต่างของปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบเชิงโครงสร้างของ AEM โดยอิเล็กโทรไลเซอร์แบบ PEM พึ่งพาเฉพาะแอนโอดออกไซด์ของไรมิเนียม (IrO₂) เพื่อทนต่อสภาวะกรดที่กัดกร่อน ในทางตรงกันข้าม ระบบ AEM สามารถทำงานได้ทั้งสองแบบ คือ

• ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่ PGM (เช่น NiFe oxyhydroxides) ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้ไรมิเนียมเลย หรือ
• ชั้นเคลือบที่มี PGM ปริมาณน้อยมาก โดยทั่วไปน้อยกว่า 0.1 มก./ซม.² ใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในระดับจำกัดเท่านั้น

สิ่งนี้แสดงถึงการลดลงอย่างมากในการใช้ไรมิเนียม ตารางด้านล่างสรุปผลกระทบที่สำคัญ:

การโหลดที่ต่ำลงช่วยลดต้นทุน CAPEX ของสแต็คได้โดยตรงประมาณ 30% และช่วยป้องกันโครงการจากราคาผันผวนของ PGM ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการจัดหาเงินทุนระยะยาวและความสามารถในการขอสินเชื่อของโครงการ

ข้อได้เปรียบด้านวัสดุ การออกแบบ และขนาดที่ช่วยลดต้นทุน CAPEX ของตัวเร่งปฏิกิริยา AEM

ตัวเร่งปฏิกิริยาจากธาตุที่มีอยู่มากในเปลือกโลก ช่วยลดการพึ่งพาและการเสี่ยงจากราคาผันผวนของวัตถุดิบ

อิเล็กโทรไลเซอร์แบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนแอนไอออน (AEM) ใช้แทนไรมิเนียม ซึ่งเป็นโลหะหายากที่ผลิตได้เพียงปีละประมาณ 7 ถึง 10 ตันทั่วโลก โดยใช้นิกเกิลและเหล็กแทน ตัวเลือกเหล่านี้มีปริมาณมากกว่าถึงประมาณ 10,000 เท่า และมีการซื้อขายในตลาดสเถียรที่มีปริมาณสูงทั่วโลก ระบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) แบบดั้งเดิมใช้จ่ายเงินลงทุนประมาณ 40 ถึง 60 เปอร์เซ็นต์ของสแต็คไปกับโลหะกลุ่มมีค่า แต่เทคโนโลยี AEM ช่วยเปลี่ยนแปลงการใช้จ่ายดังกล่าวไปยังวัสดุที่ถูกกว่าและเข้าถึงได้ง่ายกว่า การวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสารผู้เชี่ยวชาญตรวจสอบแล้วแสดงให้เห็นว่า แอโนด AEM ที่ไม่ใช่ PGM สามารถทำงานได้มากกว่า 95% ของปฏิกิริยาการปลดปล่อยออกซิเจนของ PEM แม้ในระดับกระแสไฟฟ้าอุตสาหกรรม ทำให้ลดค่าใช้จ่ายวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาได้มากถึง 90% เมื่อมองจากภาวะเศรษฐกิจตลาด การเปลี่ยนแปลงนี้ยิ่งน่าสนใจมากขึ้น ราคาไรมิเนียมพุ่งสูงขึ้นเกือบ 800% ระหว่างปี 2020 ถึง 2023 จากการที่อุปทานตึงตัว ในขณะที่ราคานิกเกิลและออกไซด์ของเหล็กยังคงผูกพันกับภาวะตลาดอุตสาหกรรมโดยทั่วไป โดยไม่มีความผันผวนรุนแรงเช่นนี้

การออกแบบเซลล์แบบเรียบง่ายช่วยลดความซับซ้อนในการผลิตและต้นทุนการรวมตัวเร่งปฏิกิริยา

ความสามารถของเทคโนโลยี AEM ที่สามารถทำงานในสภาวะด่าง ทำให้สามารถปรับลดความซับซ้อนของการออกแบบเซลล์โดยรวมได้อย่างมาก ซึ่งต่างจากชุดเซลล์ PEM ที่จำเป็นต้องใช้ชิ้นส่วนราคาแพงหลายประเภท เช่น แผ่นไบโพลาร์ไทเทเนียม จอยกันรั่วที่ทนต่อกรดพิเศษ และชิ้นส่วนเคลือบด้วยโลหะมีค่า เพื่อป้องกันการกัดกร่อน แต่ระบบ AEM สามารถทำงานได้ดีโดยใช้ชิ้นส่วนสแตนเลสธรรมดาและซีลพอลิเมอร์ทั่วไปแทน เมื่อพูดถึงการเคลือบชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา ผู้ผลิตมีทางเลือกที่สามารถขยายขนาดการผลิตได้และประหยัดต้นทุน เช่น การพ่นเคลือบหรือการสะสมแบบหมุนต่อเนื่อง (roll to roll deposition) ซึ่งหมายความว่าบริษัทไม่จำเป็นต้องลงทุนในอุปกรณ์สปัตเตอร์แบบสุญญากาศราคาแพง หรือกระบวนการความร้อนซับซ้อนที่ต้องใช้สำหรับชั้นอิริเดียมบางเฉียบที่ใช้ในเทคโนโลยี PEM ข้อดีทั้งหมดเหล่านี้ในการออกแบบ ช่วยลดต้นทุนในสามด้านหลัก:

• วัสดุชั้นซ้อนที่ต้านทานกรด (ประหยัดประมาณ 220 ดอลลาร์สหรัฐ/กิโลวัตต์)
• โครงสร้างพื้นฐานการบำบ่อน้ำแบบพรีทรีทเม้นท์ระดับอัลตร้าเพียว
• ระบบโลจิสติกส์สำหรับการกู้คืนและรีไซเคิลโลหะมีค่า

การวิเคราะห์อุตสาหกรรมยืนยันว่าการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ลดต้นทุนการรวมตัวเร่งปฏิกิริยาลง 35-50% ทำให้การผลิตในปริมาณสูงเร่งขึ้นและปรับปรุงความสม่ำเสมอของผลผลิต

ผลกระทบต่อเศรษฐกิจของไฮโดรเจนสีเขียว: ลดต้นทุนการผลิตไฮโดรเจนต่อหน่วย (LCOH) ผ่านประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา AEM

เทคโนโลยีอิเล็กโทรไลเซอร์แบบ AEM ลดต้นทุนการผลิตไฮโดรเจนในรูปแบบที่สำคัญอย่างมีนัย เพราะมุ่งเป้าในหนึ่งในค่าใช้จ่ายที่ใหญ่ที่สุดของระบบอิเล็กโทรไลเซอร์ นั่นคือวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยา โดยแทนการใช้ไอดีรีเดียมที่มีราคาแพง ระบบนี้ใช้สารประกอบที่อิงบนนิกเกิลและเหล็ก ´ึ่งมีต้นทุนต่ำกว่าประมาณ 80 ถึง 90 เปอร์เซ็น ยิ่งกว่านั้น ระบบนี้แทบไม่ต้องการการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาในปริมาณใดเลย เทคนิคนี้ช่วยลดต้นทุนวัสดุโดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพ ´ึ่งยังคงอยู่ในระดับน่าประทับใจที่ 70 ถึง 75 เปอร์เซ็นเมื่อทำงานที่ 1 แอมป์ต่อตารางเซนติเมตร เนื่อง่้ต้นทุนตัวเร่งปฏิกิริยามักคิดสัดส่วนตั้งแต่ 25 ถึง 40 เปอร์เซ็นของต้นทุนรวมของอิเล็กโทรไลเซอร์ การเปลี่ยนวัสดุนี้เพียงอย่างเดียวจึงนำไปสู่การลดต้นทุนการลงทุนอย่างมีนัย ประโยชน์จะยิ่งเพิ่มขึ้นเมื่อพิจารันปัจจัยอื่นๆ เช่น การออกแบบฮาร์ดแวร์ที่เรียบง่าย กระบวนการการผลิตที่ง่ายขึ้น และการดำเนินงานที่น่าเชื่่่แม้เมื่อมีป้อนพลังงานหมุนเวียนที่ผันผวน ทั้งหมดนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพทางเศรษฐศาสตร์ ที่ระดับการผลิตขนาดใหญ่ ระบบ AEM มีศักยภาพที่สามารถนำราคาไฮโดรเจนต่ำกว่า 2 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัม ซึ่งเป็นตัวเลขสำคัญที่จำเป็นเพื่่แข่งขันได้อย่างมีประสิทธิภาพในอุตสาหกรรมที่การลดคาร์บอนเป็นเรื่องท้าทายโดยเฉพาะ เช่น การผลิตเหล็กสีเขียวและภาคการขนส่งหนัก เมื่่ผู้ผลิตเพิ่มปริมาณการผลิต เศรษฐกิจจากขนาดและการเรียนรู้ตามเส้นโค้งประสบการณ์จะเข้ามามีผล ทำให่ AEM มั่นคงในตำแหน่งเป็นผู้เล่นหลักในการทำให่ไฮโดรเจนสีเขียวเป็นที่เอื้อมถึงและเป็นไปได้ทั่วตลาดโลก

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใดต้นทุนของตัวเร่งปฏิกิริยาจึงมีความสำคัญในกระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว

ต้นทุนของตัวเร่งปฏิกิริยามีความสำคัญเนื่อง้วัสดุที่ใช้ เช่น อิเรเดียม และแพลตินัม มีราคาสูงและทำให้ค่าใช้ทุนเริ่มต้นของอิเล็กโทรไลเซอร์ เช่น ระบบ PEM เพิ่มขึ้นอย่างมาก

อิเล็กโทรไลเซอร์ AEM ลดต้นทุนเหล่านี้อย่างไร

อิเล็กโทรไลเซอร์ AEM ใช้วัสดุที่มีความอุดมในธรรมชาติ เช่น นิกเกิล และเหล็ก ที่มีราคาถูกกว่าอย่างมาก จึงช่วยลดค่าใช้จ้วัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างมีนัยสำคัญ

ประสิทธิภาพของระบบ AEM เมื่อเทียบกับระบบ PEM คือเท่าเท่า

โดยทั่วสาม ระบบ AEM สามารถบรรลุประสิทธิภาพระหว่าง 70 ถึง 75 เปอร์เซ็นต์ ขณะก็ยังได้รับประโยชน์จากต้นทุนที่ต่ำกว่าและความมั่นคงที่ดีขึ้นเมื่อเทียบกับระบบ PEM

สามารถผลิตไฮโดรเจนสีเขียวในต้นทุนที่มีความสามารถในการแข่งขันหรือไม่

ใช้ ด้วยความก้าวหน้าในเทคโนโลยี AEM ต้นทุนของไฮโดรเจนสีเขียวอาจลดลงต่ำกว่า 2 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัม ทำให้มีความสามารถในการแข่งขันกับเชื้อเพลิงฟอสซิล