Θα είναι η προσφορά και το κόστος ιριδίου το μεγαλύτερο εμπόδιο στην ανάπτυξη ηλεκτρολυτών PEM;
Εισαγωγή
Τα τελευταία χρόνια, το υδρογόνο θεωρείται πιθανός φορέας ενέργειας για τα συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, συμβάλλοντας στην επίτευξη στόχων καθαρών μηδενικών εκπομπών. Ωστόσο, η παραδοσιακή παραγωγή υδρογόνου εξαρτάται σχεδόν εξ ολοκλήρου από ορυκτά καύσιμα. Το 2020, περίπου 90 εκατομμύρια τόνοι υδρογόνου παρήχθησαν από ορυκτά καύσιμα, οδηγώντας σε σχεδόν 900 εκατομμύρια τόνους εκπομπών CO2.
Η μέθοδος παραγωγής υδρογόνου χωρίς άνθρακα είναι η ηλεκτρόλυση νερού. Όταν ενσωματώνεται με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως η αιολική, η ηλιακή και η υδροηλεκτρική ενέργεια, το υδρογόνο που παράγεται από ηλεκτρολύτες έχει μηδενικές εκπομπές αερίων θερμοκηπίου και το υδρογόνο που παράγεται με αυτόν τον τρόπο αναφέρεται ως "green υδρογόνο.δδχχχ Οι κύριες τεχνολογίες για την παραγωγή πράσινου υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης νερού συμπεριλαμβάνωΗλεκτρολύτες νερού με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMWE), Ηλεκτρολύτες νερού με μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων (AEMWEs), ηλεκτρολυτές αλκαλικού νερού (ΔΕΟΣ) και ηλεκτρολυτές στερεού οξειδίου (κρατικές επιχειρήσεις).PEMWEsεπί του παρόντος βρίσκονται στο επίκεντρο της έρευνας, ενώ τα AEMWE αντιπροσωπεύουν τη μελλοντική κατεύθυνση (καθώς δεν απαιτούν πολύτιμα μέταλλα).
Τεχνολογία PEMWE και Χρήση ιριδίου
PEMWEsχρησιμοποιούν λεπτές μεμβράνες ανταλλαγής πρωτονίων (PEM) (70–200 µm) για τη μεταφορά πρωτονίων και τον διαχωρισμό των ηλεκτροδίων ανόδου και καθόδου. Στην πλευρά της καθόδου τουΕΚΕΙμικρό, η πλατίνα (Pt) χρησιμοποιείται για την κατάλυση της αντίδρασης εξέλιξης υδρογόνου (ΑΥΤΗΝ), που συνήθως υποστηρίζεται σε άνθρακα. Στην πλευρά της ανόδου, το ιρίδιο χρησιμοποιείται συνήθως για να καταλύσει την αντίδραση αργής έκλυσης οξυγόνου (OER). Ωστόσο, το ιρίδιο είναι ένα από τα πιο σπάνια στοιχεία στη Γη (βλ. Εικόνα 1). Μεταξύ 2020 και 2023, το κόστος του ιριδίου σχεδόν διπλασιάστηκε (βλ. Εικόνα 2). Υποθέτοντας φόρτωση ιριδίου 400 g/MW και πυκνότητα ρεύματος 2A/εκ² στα 2V, το κόστος του ιριδίου ανά 1 MWΕΚΕΙαυξήθηκε κατά περίπου $45.000. Επομένως, η μείωση του κόστους του ιριδίου θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά το συνολικό κόστος του ηλεκτρολύτη. Για να αντιμετωπιστεί αυτό, αυτό το άρθρο θα διερευνήσει πρώτα τα βασικά οικονομικά του ιριδίου, συμπεριλαμβανομένης της ζήτησης και του κόστους του.
Πρόβλεψη ζήτησης ιριδίου
Πόσο ιρίδιο χρειάζεται;
Για να προσδιοριστεί η ποσότητα του ιριδίου που απαιτείται, είναι απαραίτητο πρώτα να εκτιμηθεί το συνολικό μέγεθος του
ΕΚΕΙαγορά και στη συνέχεια υπολογίστε τη μοναδιαία ζήτηση (κιλά Ir/MW).
Πόσο θα επεκταθεί η αγορά ηλεκτρολύτη PEM;
Αναμένεται ότι έως το 2024, το σύνολοPEMΗ χωρητικότητα του ηλεκτρολύτη θα φτάσει περίπου τα 4 GW. Το 2021, η παγκόσμια δυναμικότητα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αυξήθηκε κατά σχεδόν 300 GW, η πλειονότητα των οποίων προήλθε από την αιολική και την ηλιακή ενέργεια (βλ. Εικόνα 3). Αυτή η τάση αναμένεται να συνεχιστεί με σύνθετο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης (CAGR) 8,3% έως το 2026, οδηγώντας σε αύξηση άνω των 500 GW ετησίως έως το 2030.
Το ερώτημα, ωστόσο, είναι για πόσο θα χρησιμοποιηθεί αυτή η νέα πράσινη ενέργειαPEMηλεκτρόλυση για την παραγωγή πράσινου υδρογόνου; Ο Πίνακας 1 συγκεντρώνει τέτοια δεδομένα από την IEA (2022) σε τρία διαφορετικά σενάρια εκπομπών CO2: ΒΗΜΑΤΑ (Σενάριο δηλωμένων πολιτικών), APS (Σενάριο Αναγγελμένων Υποσχέσεων) και NZE (Σενάριο Καθαρών Μηδενικών Εκπομπών έως το 2050). Η IEA προβλέπει ότι σύμφωνα με το σενάριο NZE, 11.433 TWh ηλεκτρικής ενέργειας θα χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή υδρογόνου έως το 2050 και 879 TWh θα χρησιμοποιηθούν έως το 2030 σύμφωνα με το σενάριο APS.
Ο Πίνακας 2 συγκρίνει αυτές τις προβλέψεις με εκείνες του Υδρογόνο Συμβούλιο και της McKinsey (H2C & McK) το 2021.
Από τον Πίνακα 2, μπορεί να παρατηρηθεί ότι οι H2C & McK (2021) εκτιμούν υψηλότερη ποσότητα πράσινης ηλεκτρικής ενέργειας για παραγωγή υδρογόνου μέχρι το 2050, αλλά τα δεδομένα και από τις δύο πλευρές δείχνουν μια λογική αντιστοιχία για την ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιείται για την παραγωγή πράσινης υδρογόνου. Ως εκ τούτου, αναμένεται ότι περίπου το 4-6% της ανανεώσιμης ενέργειας θα χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή υδρογόνου έως το 2030 (σενάριο APS).
Αυτό το άρθρο εκτιμά την ικανότητα παραγωγής υδρογόνου και ηλεκτρολύτη, όπως φαίνεται στον Πίνακα 3. Αναμένεται ότι θα σημειωθεί ταχεία ανάπτυξη τα πρώτα χρόνια, ακολουθούμενη από σταδιακή σταθεροποίηση.
Μέχρι το 2030, η αναμενόμενη ανάπτυξη της πράσινης αγοράς θα είναι πολύ χαμηλότερη από τον τρέχοντα ρυθμό ανάπτυξηςPEMηλεκτρολύτες, όπωςPEMη ηλεκτρόλυση έχει ήδη κερδίσει σημαντικό μερίδιο αγοράς. Μακροπρόθεσμα, η πρόβλεψη σε αυτό το άρθρο ευθυγραμμίζεται με τις προβλέψεις του Συμβουλίου Υδρογόνου, υποθέτοντας ότιPEMΟι ηλεκτρολύτες θα αντιπροσωπεύουν περίπου το 40% της συνολικής αγοράς ηλεκτρολυτών. Με εκτιμώμενη συνολική εγκατεστημένη ισχύ ηλεκτρολύτη 315 GW έως το 2030,PEMΗ χωρητικότητα του ηλεκτρολύτη θα φτάσει τα 126 GW.
Τα δεδομένα από τον Πίνακα 5 προέρχονται από το H2C & McK (2021), Goldman Sachs (Γ.Σ) – Κλαρκ et al. (2022) και Βύσμα Νοημοσύνη. Ο Γ.Σ (2022) εξετάζει τρία διαφορετικά σενάρια: ταύρος, βάση και αρκούδα αγορά.
Το Σχήμα 4 δείχνει το προβλεπόμενο πρόσθετοPEMχωρητικότητα ηλεκτρολύτη από το 2022 έως το 2030, παράλληλα με τις προβλέψεις για την ετήσια ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η πρόβλεψη για νέες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ακολουθεί το 8,3% CAGR που αναφέρεται παραπάνω. Το άρθρο εκτιμά ότι αρχικά θα χρησιμοποιηθεί μόνο ένα μικρό μέρος της νέας πράσινης ενέργειαςPEMηλεκτρόλυση, αλλά το ποσοστό αυτό θα αυξηθεί σημαντικά τα επόμενα χρόνια, φτάνοντας περίπου το 6-8% έως το 2028-2030. Συνολικά, η τάση σε αυτό το σχήμα φαίνεται να είναι συνεπής με το τμήμα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας των προβλέψεων στον Πίνακα 1 και στον Πίνακα 2.
