Чому вартість каталізатора є критичним обмеженням у виробництві зеленого водню

Вартість виробництва зеленого водню ще становить близько 3,8–11,9 доларів США на кілограм, що значно перевищує вартість альтернатив на основі викопного палива, таких як парова метанова конвертація, яка коливається від 1,5 до 6,4 доларів США на кг. Цей розрив у цінах ускладнює розширення операцій. Капітальні витрати на електролізери залишаються значними, особливо для систем з протонно-обмінною мембраною (PEM), які зазвичай коштують від 800 до 1500 доларів США на кВт. Більш детальний аналіз цих витрат виявляє дещо цікаве: більша частина коштів йде на каталізатори. Метали групи платини, такі як іридій та платина, складають майже половину вартості PEM-стеків. Саме для анодів PEM необхідно близько 1–2 міліграмів іридію на квадратний сантиметр, металу, який є таким рідкісним і дорогим, що його ціна часто перевищує 7400 доларів США на кг. Проблема погіршується, оскільки глобальні запаси не можуть відповідати очікуваному зростанню попиту. Ця залежність від дефіцитних матеріалів створює ризики для контролю вартості та стабільних ланцюгів поставок. Досягнення галузевої мети в 150 доларів США на кВт для електролізерів разом із метою в 1 долар США на кг водню вимагатиме значного зниження вартості каталізаторів та обсягів їх використання. Електролізери з лужною обмінною мембраною (AEM) можуть запропонувати просте рішення, необхідне для досягнення цих цілей у великих масштабах.

Архітектура електролізера AEM: забезпечення ультра-низького навантаження неметалевих каталізаторів PGM

Гідроксид-провідна мембрана дозволяє стабільну роботу з оксидами нікелю та заліза

Аніонні обмінні мембрани (AEM) працюють шляхом проводження гідроксид-іонів (OH⁻), створюючи лужне середовище, яке суттєво відрізняється від кислотних умов у системах PEM. Лужна природа фактично допомагає стабілізувати поширених на Землі неплатинових каталізаторів, таких як оксиди нікелю та заліза, на стороні анода. Це означає, що ми отримуємо високу активність реакції еволюції кисню (OER), не втрачаючи ці матеріали занадто швидко. Протягом багатьох років стабільність була великою проблемою, що стримувала неплатинові каталізатори, але останнім часом ситуація змінилася. Нові розробки в хімії мембран та покращені конструкції електродів дозволяють цим системам працювати стабільно при промислових густинах струму понад 0,5 А на квадратний сантиметр протягом тисяч годин роботи. Сучасні AEM-мембрани особливо цінні завдяки здатності запобігати розчиненню частинок каталізатора під час експлуатації. Вони зберігають високу іонну провідність навіть за змінних навантажень, що усуває потребу застосування дорогих благородних металів лише задля запобігання корозії. Це, у кінцевому рахунку, призводить до значно більш довговічного обладнання.

Порівняння: вміст іридію в AEM та PEM

Різниця в навантаженні каталізатором підкреслює структурну перевагу AEM. Електролізери PEM використовують виключно аноди з оксиду іридію (IrO₂), щоб витримувати агресивні кислі умови. Навпаки, системи AEM працюють з використанням одного з двох варіантів:

• Каталізатори без ПГМ (наприклад, нікель-залізні оксигідроксиди), які не потребують жодного іридію, або
• Мікропокриття ПГМ , зазвичай <0,1 мг/см², що використовуються лише для незначного покращення продуктивності.

Це свідчить про значне зменшення споживання іридію. У таблиці нижче наведено основні наслідки:

Зниження навантаження безпосередньо скорочує капіталовкладення у стек приблизно на 30% і захищає проекти від волатильності цін на ПГМ, що має критичне значення для довгострокового фінансування проектів та їхньої привабливості для банків.

Переваги матеріалу, конструкції та масштабу, які знижують капіталовкладення в каталізатор AEM

Каталізатори з поширених у земній корі елементів зменшують залежність від сировини та ризики, пов’язані з волатильністю цін

Електролізери з лужною обмінною мембраною (AEM) замінюють іридій, рідкісний метал, який виробляється у світі в кількості близько 7–10 тонн на рік, нікелем та залізом. Ці альтернативи є приблизно в 10 000 разів поширенішими й фактично торгуються на стабільних ринках із великим обсягом операцій по всьому світу. Традиційні системи з протонною обмінною мембраною (PEM) витрачають близько 40–60 відсотків капіталовкладень у стек на дорогоцінні метали платинової групи, тоді як технологія AEM перенаправляє ці кошти на дешевші та доступніші матеріали. Дослідження, опубліковані в рецензованих журналах, показують, що аноди AEM без використання PGM можуть досягати понад 95% активності PEM у реакції виділення кисню навіть на промислових рівнях струму, скорочуючи витрати на каталітичні матеріали аж до 90%. Аналіз ринкової динаміки робить цей перехід ще більш переконливим. Ціни на іридій зросли майже на 800% з 2020 по 2023 рік на тлі скорочення поставок, тоді як ціни на оксид нікелю та заліза залишалися пов’язаними з загальними промисловими ринковими умовами й не демонстрували подібної екстремальної волатильності.

Спрощений дизайн комірки знижує складність виробництва та вартість інтеграції каталізатора

Здатність технології AEM працювати в лужному середовищі дозволяє значно спростити загальний дизайн цих комірок. Стеки PEM потребують різних дорогих компонентів, включаючи титанові біполярні пластини, спеціальні кислотостійкі ущільнення та деталі, покриті дорогоцінними металами, лише щоб протистояти корозії. Натомість, системи AEM добре функціонують із звичайними деталями з нержавіючої сталі та звичайними полімерними ущільненнями. Щодно щодо нанесення шарів каталізатора, виробники мають доступ до масштабованих і бюджетних методів. Такі техніки, як розпилювання або нанесення у котушковому процесі, добре підходять для цих цілей, що означає, компанії не повинні інвестувати у дороге обладнання вакуумного напилення чи складні термічні процеси, необхідні для отримання надтонких шарів іридію, використовуваних у технології PEM. Усі ці покращення в дизайні знижують витрати у трьох основних напрямках:

• Матеріали стійкі до кислот (економія ~220 $/кВт),
• Інфраструктура попереднього очищення ультрачистої води,
• Логістика відновлення та перероблення дорогоцінних металів.

Аналіз галузі підтверджує, що ці зміни зменшують витрати на інтеграцію каталізаторів на 35-50%, прискорюючи об'ємне виробництво та покращуючи узгодженість виходу продукту.

Вплив на економіку зеленого водню: нижча вартість водню (LCOH) через ефективність каталізатора AEM

Технологія електролізера AEM значно знижує рівневі витрати на виробництво водню, оскільки впливає на одну з найбільших статей витрат у системах електролізера: матеріали каталізатора. Замість використання дорогого іридію ці системи застосовують сполуки нікелю та заліза, які коштують приблизно на 80–90 відсотків менше. Більше того, вони практично не вимагають навантаження каталізатора. Цей підхід знижує витрати на матеріали без погіршення рівня продуктивності, який залишається досить високим — від 70 до 75 відсотків ефективності при роботі зі струмом 1 ампер на квадратний сантиметр. Оскільки витрати на каталізатор зазвичай становлять від 25 до 40 відсотків загальної вартості електролізера, сама ця заміна призводить до значного зниження капітальних витрат. Переваги зростають, коли розглядаємо й інші фактори. Спрощений дизайн апаратного забезпечення, простіші процеси виробництва та надійна робота навіть за умов коливання вхідної енергії з відновлюваних джерел усі ці фактори сприяють покращенню економічних показників. У масштабі системи AEM потенційно можуть знизити ціни на водень нижче 2 доларів на кілограм, досягнувши цього «магічного» показника, необхідного для ефективної конкуренції в галузях, де декарбонізація є особливо складною, наприклад, у виробництві зеленого сталі та важких перевезень. Коли виробники збільшують обсяги виробництва, ефект масштабу проявляється через ефект навчання, що міцно закріплює AEM як ключового гравця у забезпеченні доступності та практичної реалізації зеленого водню на глобальних ринках.

ЧаП

Чому вартість каталізатора є ключовим фактором у виробництві зеленого водню?

Вартість каталізатора є головним чинником, оскільки матеріали, такі як іридій та платина, є дорогими і значно збільшують капітальні витрати на електролізатори, наприклад, системи PEM.

Яким чином електролізатори AEM знижують ці витрати?

Електролізатори AEM використовують поширені в земній корі матеріали, як-от нікель та залізо, які є значно дешевшими, істотно зниджуючи витрати на каталізні матеріали.

Яка ефективність систем AEM порівняно з системами PEM?

Зазвичай, системи AEM досягають ефективності від 70 до 75 відсотків, а також мають переваги у вигляді знижених витрат і покращеної стабільності порівняно з системами PEM.

Чи можна виробляти зелений водень за конкурентоспроможними витратами?

Так, завдяки удосконаленню технології AEM вартість зеленого водню може знизитися до менш як 2 долари на кілограм, що робить його конкурентоспроможним порівняно з викопним паливом.