Czy największą barierą w rozwoju elektrolizerów PEM będą dostępność i koszt irydu?
Wstęp
W ostatnich latach wodór był uważany za potencjalny nośnik energii dla systemów energii odnawialnej, przyczyniając się do osiągnięcia celów zerowej emisji netto. Jednak tradycyjna produkcja wodoru jest niemal całkowicie zależna od paliw kopalnych. W 2020 r. z paliw kopalnych wyprodukowano około 90 milionów ton wodoru, co doprowadziło do emisji prawie 900 milionów ton CO2.
Bezemisyjną metodą produkcji wodoru jest elektroliza wody. Po zintegrowaniu z odnawialnymi źródłami energii, takimi jak wiatr, słońce i energia wodna, wodór wytwarzany przez elektrolizery nie emituje gazów cieplarnianych, a wodór wytwarzany w ten sposób jest określany jako "zielony wodór." Główne technologie produkcji zielonego wodoru poprzez elektrolizę wody obejmują:Elektrolizery wody z membraną wymiany protonów (PEMWE), Elektrolizery wody z membraną anionowymienną (AEMWE), Elektrolizery wody alkalicznej (AWE) i Elektrolizery tlenków stałych (SOE).PEMWEsą obecnie przedmiotem badań, natomiast AEMWE stanowią kierunek przyszłości (gdyż nie wymagają metali szlachetnych).
Technologia PEMWE i wykorzystanie irydu
PEMWEwykorzystują cienkie membrany wymiany protonów (PEM) (70–200 µm) do transportu protonów i rozdzielenia elektrod anodowych i katodowych. Po stronie katodowejTAMS, platyna (Pt) jest używana do katalizowania reakcji wydzielania wodoru (HER), zwykle na węglu. Po stronie anody, iryd jest powszechnie używany do katalizowania powolnej reakcji wydzielania tlenu (OER). Jednak iryd jest jednym z najrzadszych pierwiastków na Ziemi (patrz Rysunek 1). W latach 2020–2023 koszt irydu prawie się podwoił (patrz Rysunek 2). Przyjmując obciążenie irydem 400 g/MW i gęstość prądu 2 A/cm² przy 2 V, koszt irydu na 1 MWTAMwzrosła o około 45 000 USD. Dlatego obniżenie kosztów irydu mogłoby znacznie obniżyć całkowity koszt elektrolizera. Aby to omówić, niniejszy artykuł najpierw zbada podstawowe aspekty ekonomiczne irydu, w tym jego popyt i koszt.
Prognoza popytu na iryd
Ile irydu jest potrzebne?
Aby określić ilość potrzebnego irydu, należy najpierw oszacować jego całkowitą wielkość.
TAMrynku, a następnie obliczyć jednostkowe zapotrzebowanie (kg Ir/MW).
Jak bardzo rozszerzy się rynek elektrolizerów PEM?
Oczekuje się, że do 2024 r. całkowitaPEMmoc elektrolizera osiągnie około 4 GW. W 2021 r. globalna moc energii odnawialnej wzrosła o prawie 300 GW, z czego większość pochodziła z energii wiatrowej i słonecznej (patrz rysunek 3). Oczekuje się, że ten trend utrzyma się ze średnioroczną stopą wzrostu (CAGR) na poziomie 8,3% do 2026 r., co doprowadzi do wzrostu o ponad 500 GW rocznie do 2030 r.
Pytanie jednak brzmi, jaka część tej nowej zielonej energii zostanie wykorzystanaPEMelektroliza w celu produkcji zielonego wodoru? Tabela 1 zestawia takie dane z IEA (2022) w trzech różnych scenariuszach emisji CO2: STEPS (Stated Policies Scenario), APS (Announced Pledges Scenario) i NZE (Net Zero Emissions by 2050 Scenario). IEA prognozuje, że w scenariuszu NZE do 2050 r. do produkcji wodoru zostanie zużyte 11 433 TWh energii elektrycznej, a do 2030 r. w scenariuszu APS – 879 TWh.
W tabeli 2 porównano te prognozy z prognozami Hydrogen Council i McKinsey (H2C i McK) na rok 2021.
Z tabeli 2 można zauważyć, że H2C & McK (2021) szacuje większą ilość zielonej energii elektrycznej na produkcję wodoru do 2050 r., ale dane z obu stron pokazują rozsądne dopasowanie energii elektrycznej wykorzystywanej do produkcji zielonego wodoru. Dlatego oczekuje się, że około 4-6% energii odnawialnej zostanie wykorzystane do produkcji wodoru do 2030 r. (scenariusz APS).
W artykule tym oszacowano produkcję wodoru i wydajność elektrolizera, jak pokazano w tabeli 3. Oczekuje się, że w pierwszych latach nastąpi szybki wzrost, po którym nastąpi stopniowa stabilizacja.
Do roku 2030 przewidywany wzrost rynku ekologicznego będzie znacznie niższy od obecnego tempa wzrostuPEMelektrolizery, jakoPEMelektroliza zdobyła już znaczący udział w rynku. W dłuższej perspektywie prognoza w tym artykule pokrywa się z przewidywaniami Hydrogen Council, zakładając, żePEMelektrolizery będą stanowić około 40% całkowitego rynku elektrolizerów. Przy szacowanej całkowitej zainstalowanej mocy elektrolizerów wynoszącej 315 GW do 2030 r.PEMMoc elektrolizera osiągnie 126 GW.
Dane z tabeli 5 pochodzą z H2C & McK (2021), Goldman Sachs (GS) – Clark i in. (2022) oraz Plug Intelligence. GS (2022) bierze pod uwagę trzy różne scenariusze: rynek byka, rynek bazowy i rynek niedźwiedzia.
Rysunek 4 przedstawia prognozowane dodatkowePEMwydajność elektrolizera od 2022 do 2030 r., wraz z prognozami corocznego wzrostu energii odnawialnej. Prognoza nowej energii odnawialnej podąża za wspomnianym powyżej 8,3% CAGR. W artykule oszacowano, że początkowo tylko niewielka część nowej zielonej energii zostanie wykorzystana doPEMelektrolizy, ale udział ten znacznie wzrośnie w nadchodzących latach, osiągając około 6-8% do 2028-2030 r. Ogólnie rzecz biorąc, trend na tym rysunku wydaje się być spójny z częścią energii odnawialnej prognoz w Tabeli 1 i Tabeli 2.
