Tại Sao Chi Phí Chất Xúc Tác Là Vấn Nút then Chốt trong Sản Xuất Hydro Xanh

Chi phí sản xuất hydro xanh hiện vẫn ở mức khoảng 3,8 đến 11,9 USD mỗi kilogram, cao hơn nhiều so với mức chúng ta chi trả cho các lựa chọn nhiên liệu hóa thạch như cải tạo hơi metan, dao động từ 1,5 đến 6,4 USD mỗi kg. Khoảng chênh lệch giá này khiến việc mở rộng quy mô hoạt động trở nên khó khăn. Chi phí vốn cho thiết bị điện phân vẫn là một khoản chi phí lớn, đặc biệt đối với các hệ thống màng trao đổi proton (PEM), thường có giá từ 800 đến 1.500 USD mỗi kW. Khi phân tích kỹ hơn các chi phí này, người ta phát hiện ra một điều thú vị: phần lớn chi phí lại đổ vào các chất xúc tác. Các kim loại nhóm bạch kim như iridi và platin chiếm gần một nửa chi phí của cụm pin PEM. Riêng cực dương PEM, chúng ta cần khoảng 1 đến 2 miligam iridi trên mỗi centimet vuông, một kim loại hiếm và đắt đỏ đến mức giá thường vượt quá 7.400 USD mỗi kg. Vấn đề trở nên nghiêm trọng hơn khi nguồn cung toàn cầu không thể theo kịp tốc độ tăng trưởng nhu cầu dự kiến. Sự phụ thuộc vào các vật liệu khan hiếm này tạo ra rủi ro cả về kiểm soát chi phí lẫn chuỗi cung ứng ổn định. Để đạt được mục tiêu ngành là giảm xuống còn 150 USD mỗi kW đối với thiết bị điện phân, đồng thời hướng tới mức 1 USD mỗi kg hydro, sẽ cần những giảm mạnh về chi phí và lượng sử dụng chất xúc tác. Các thiết bị điện phân màng trao đổi kiềm (AEM) có thể chính là giải pháp đơn giản và hiệu quả cần thiết để đạt được các mục tiêu này ở quy mô lớn.

Kiến trúc Điện phân AEM: Cho phép Tải lượng Rất Thấp của Xúc tác Không chứa PGM

Màng Dẫn điện Hydroxide Cho phép Hoạt động Ổn định với Oxit Niken và Sắt

Các màng trao đổi anion (AEMs) hoạt động bằng cách dẫn các ion hydroxide (OH-), tạo ra môi trường kiềm khác biệt rõ rệt so với điều kiện axit trong các hệ thống PEM. Bản chất kiềm này thực sự giúp ổn định các chất xúc tác không chứa kim loại quý hiếm (non-PGM) dồi dào trong tự nhiên như oxit niken và sắt ở phía anot. Điều này có nghĩa là chúng ta đạt được hoạt tính tốt trong phản ứng giải phóng oxy (OER) mà không làm các vật liệu này bị phân hủy quá nhanh. Trong nhiều năm, độ ổn định từng là vấn đề lớn kìm hãm sự phát triển của các chất xúc tác non-PGM, nhưng gần đây tình hình đã thay đổi. Những tiến bộ mới trong hóa học màng cùng với thiết kế điện cực cải thiện cho phép các hệ thống này vận hành ổn định ở mật độ dòng công nghiệp trên 0,5 A mỗi centimét vuông trong hàng nghìn giờ hoạt động. Điều làm nên giá trị của các màng AEM hiện đại chính là khả năng ngăn các hạt xúc tác hòa tan trong quá trình vận hành. Chúng duy trì được yêu cầu về độ dẫn ion ngay cả khi tải trọng thay đổi, từ đó loại bỏ nhu cầu sử dụng các kim loại quý đắt tiền chỉ để chống ăn mòn. Cuối cùng, điều này dẫn đến thiết bị có tuổi thọ dài hơn đáng kể.

So sánh: Độ tải Iridium trong AEM so với PEM

Sự khác biệt về độ tải chất xúc tác làm nổi bật ưu thế cấu trúc của AEM. Các bộ điện phân PEM phụ thuộc độc quyền vào các cực dương oxit iridium (IrO₂) để chịu được điều kiện axit ăn mòn. Trong khi đó, các hệ thống AEM có thể hoạt động với một trong hai lựa chọn:

• Chất xúc tác không phải PGM (ví dụ: oxyhydroxide NiFe), không cần bất kỳ iridium nào, hoặc
• Lớp phủ PGM liều lượng rất thấp , thường dưới 0,1 mg/cm², chỉ được sử dụng để cải thiện nhỏ về hiệu suất.

Điều này thể hiện sự giảm đáng kể trong việc tiêu thụ iridium. Bảng dưới đây tóm tắt các hệ quả chính:

Việc giảm tải trọng trực tiếp làm giảm chi phí CAPEX của cụm pin khoảng 30% và giúp các dự án tránh được biến động giá PGM, điều này rất quan trọng đối với tài trợ dài hạn và khả năng huy động vốn của dự án.

Lợi thế về Vật liệu, Thiết kế và Quy mô Giúp Giảm Chi phí CAPEX Xúc tác AEM

Các Xúc tác Phong phú trong Tự nhiên Giảm Sự Phụ thuộc vào Nguyên liệu Thô và Rủi ro Biến động Giá

Các bộ điện phân màng trao đổi kiềm (AEM) thay thế iridium, một kim loại hiếm được sản xuất toàn cầu ở mức khoảng 7 đến 10 tấn mỗi năm, bằng niken và sắt. Những vật liệu thay thế này phong phú hơn khoảng 10.000 lần và thực tế giao dịch trên các thị trường ổn định, khối lượng lớn trên toàn thế giới. Các hệ thống truyền thống sử dụng màng trao đổi proton (PEM) tiêu tốn khoảng 40 đến 60 phần trăm chi phí vốn cho bộ phận stack vào các kim loại quý nhóm bạch kim, trong khi công nghệ AEM chuyển hướng các khoản chi phí đó sang các vật liệu rẻ hơn và dễ tiếp cận hơn. Nghiên cứu công bố trên các tạp chí đã qua bình duyệt cho thấy các anode AEM không chứa PGM có thể đạt được hơn 95% hoạt tính phản ứng giải phóng oxy của PEM ngay cả ở mức dòng điện công nghiệp, giảm chi phí vật liệu xúc tác tới mức 90%. Nhìn vào động lực thị trường làm cho sự chuyển đổi này trở nên hấp dẫn hơn nữa. Giá iridium đã tăng gần 800% từ năm 2020 đến năm 2023 do nguồn cung thắt chặt, trong khi giá niken và oxit sắt vẫn gắn liền với điều kiện thị trường công nghiệp nói chung mà không có biến động mạnh như vậy.

Thiết kế ô đơn giản làm giảm độ phức tạp trong sản xuất và chi phí tích hợp chất xúc tác

Khả năng của công nghệ AEM hoạt động trong môi trường kiềm cho phép đơn giản hóa khá nhiều thiết kế tổng thể của các ô này. Các chồng ô PEM cần rất nhiều bộ phận đắt tiền như các tấm song cực bằng titanium, các gioăng chống axit đặc biệt, và các thành phần được phủ kim loại quý chỉ để chống lại sự ăn mòn. Trong khi đó, các hệ thống AEM vẫn hoạt động tốt khi sử dụng các bộ phận bằng thép không gỉ thông thường và các con dấu polymer thông dụng. Khi nói đến việc áp dụng các lớp chất xúc tác, các nhà sản xuất có các lựa chọn vừa khả thi quy mô lớn vừa tiết kiệm chi phí. Các kỹ thuật như phủ phun sơn hoặc lắng đọng theo dạng cuộn (roll to roll) đều hoạt động hiệu quả ở đây, có nghĩa các công ty không cần đầu tư vào thiết bị phún xạ chân không đắt tiền hay các quy trình nhiệt phức tạp cần thiết để tạo ra các lớp iridium siêu mỏng như trong công nghệ PEM. Tất những cải tiến thiết kế này giúp giảm chi phí trên ba lĩnh vực chính:

• Vật liệu xếp chồng chịu axit (tiết kiệm khoảng 220 USD/kW),
• Cơ sở hạ tầng tiền xử lý nước siêu tinh khiết,
• Hệ thống thu hồi và tái chế kim loại quý.

Phân tích ngành xác nhận những thay đổi này làm giảm chi phí tích hợp chất xúc tác từ 35-50%, đẩy nhanh quá trình sản xuất quy mô lớn và cải thiện độ ổn định năng suất.

Tác động đến kinh tế khí hydrogen xanh: Giảm LCOH thông qua hiệu suất chất xúc tác AEM

Công nghệ điện phân AEM làm giảm đáng kể chi phí sản xuất hydro được san đều theo thời gian vì nó tập trung vào một trong những khoản chi phí lớn nhất trong các hệ thống điện phân: vật liệu xúc tác. Thay sử dụng iridium đắt tiền, các hệ thống này sử dụng các hợp chất dựa trên nickel và sắt, có chi phí thấp hơn khoảng 80 đến 90 phần trăm. Hơn thế, chúng gần như không yêu cầu tải lượng xúc tác nào cả. Cách tiếp cận này giúp giảm chi phí vật liệu mà không làm giảm hiệu suất, vốn vẫn duy trì ở mức khá ấn tượng từ 70 đến 75 phần trăm hiệu quả khi vận hành ở 1 ampere trên centimét vuông. Vì chi phí xúc tác thường chiếm từ 25 đến 40 phần trăm tổng chi phí của một hệ thống điện phân, nên việc chuyển đổi này một mình đã dẫn đến những giảm đáng kể trong chi phí đầu tư ban đầu. Lợi ích tăng lên khi xem xét các yếu tố khác. Thiết kế phần cứng được đơn giản hóa, quy trình sản xuất dễ dàng hơn và hoạt động đáng tin cậy ngay cả khi xử lý các nguồn năng lượng tái tạo dao động đều góp phần cải thiện tính kinh tế. Ở quy mô lớn, các hệ thống AEM có khả năng đưa giá hydro xuống dưới 2 USD mỗi kilogram, đạt đến ngưỡng kỳ diệu cần thiết để cạnh tranh hiệu quả trong các ngành công nghiệp mà việc khử carbon đặc biệt khó khăn, chẳng hạn như sản xuất thép xanh và lĩnh vực vận tải hạng nặng. Khi các nhà sản xuất tăng khối lượng sản xuất, hiệu ứng lợi ích quy mô theo đường học tập sẽ phát huy tác dụng, củng cố vị thế của AEM như một nhân tố then chốt trong việc làm cho hydro xanh vừa phải chăng về chi phí vừa khả thi trên các thị trường toàn cầu.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao chi phí chất xúc tác lại quan trọng trong sản xuất khí hydro xanh?

Chi phí chất xúc tác là một yếu tố lớn vì các vật liệu sử dụng, chẳng hạn như iridium và platinum, rất đắt và làm tăng đáng kể chi phí đầu tư ban đầu của các bộ điện phân như hệ thống PEM.

Các bộ điện phân AEM giảm chi phí này như thế nào?

Các bộ điện phân AEM sử dụng các vật liệu dồi dào trong tự nhiên như nickel và sắt, vốn rẻ hơn nhiều, do đó giảm đáng kể chi phí vật liệu xúc tác.

Hiệu suất của hệ thống AEM so với hệ thống PEM là bao nhiêu?

Nói chung, hệ thống AEM đạt hiệu suất từ 70 đến 75 phần trăm, đồng thời cũng được hưởng lợi từ chi phí thấp hơn và độ ổn định được cải thiện so với hệ thống PEM.

Có thể sản xuất khí hydro xanh với chi phí cạnh tranh không?

Có, với những tiến bộ trong công nghệ AEM, chi phí khí hydro xanh có thể được giảm xuống dưới 2 USD mỗi kilogram, khiến nó trở nên cạnh tranh so với nhiên liệu hóa thạch.