Kommer iridiumtillgången och -kostnaden att vara den största barriären för utvecklingen av PEM-elektrolysörer?
Introduktion
Under de senaste åren har väte ansetts vara en potentiell energibärare för förnybara energisystem, vilket bidragit till att uppnå målen för nettonollutsläpp. Men traditionell väteproduktion är nästan helt beroende av fossila bränslen. År 2020 producerades cirka 90 miljoner ton väte från fossila bränslen, vilket ledde till nästan 900 miljoner ton CO2-utsläpp.
Den kolfria metoden för väteproduktion är vattenelektrolys. När det integreras med förnybara energikällor som vind-, sol- och vattenkraft har vätgas som genereras från elektrolysatorer noll utsläpp av växthusgaser, och väte som produceras på detta sätt kallas "green hydrogen." De viktigaste teknikerna för produktion av grönt väte genom vattenelektrolys omfattaProton Exchange Membrane Water Electrolysers (PEMWE), anjonbytarmembranvattenelektrolysörer (AEMWEs), alkaliska vattenelektrolysörer (AWEs) och fastoxidelektrolysörer (SOEs).PEMWEsär för närvarande i fokus för forskning, medan AEMWE representerar den framtida riktningen (eftersom de inte kräver ädelmetaller).
PEMWE-teknik och användning av iridium
PEMWEsanvända tunna protonbytesmembran (PEM) (70–200 µm) för att transportera protoner och separera anod- och katodelektroderna. På katodsidan avDETsPlatina (Pt) används för att katalysera väteutvecklingsreaktionen (HER), vanligtvis uppburen på kol. På anodsidan används iridium vanligtvis för att katalysera den långsamma syreutvecklingsreaktionen (OER). Iridium är dock ett av de mest sällsynta grundämnena på jorden (se figur 1). Mellan 2020 och 2023 nästan fördubblades kostnaden för iridium (se figur 2). Om man antar en iridiumbelastning på 400g/MW och en strömtäthet på 2A/cm² vid 2V, kostnaden för iridium per 1 MWDETökat med cirka 45 000 USD. Därför kan en minskning av kostnaden för iridium sänka den totala kostnaden för elektrolysatorn avsevärt. För att ta itu med detta kommer den här artikeln först att utforska iridiums grundläggande ekonomi, inklusive dess efterfrågan och kostnad.
Iridium efterfrågan prognos
Hur mycket iridium behövs?
För att bestämma mängden iridium som krävs är det viktigt att först uppskatta den totala storleken på
DETmarknaden och beräkna sedan enhetsefterfrågan (kg Ir/MW).
Hur mycket kommer marknaden för PEM-elektrolysörer att expandera?
Det förväntas att år 2024, totaltPEMelektrolysatorns kapacitet kommer att nå cirka 4 GW. År 2021 ökade den globala förnybara energikapaciteten med nästan 300 GW, varav merparten kom från vind- och solenergi (se figur 3). Denna trend förväntas fortsätta med en sammansatt årlig tillväxttakt på 8,3 % (CAGR) fram till 2026, vilket leder till en ökning med över 500 GW årligen till 2030.
Frågan är dock hur mycket av denna nya gröna energi som ska användas tillPEMelektrolys för att producera grönt väte? Tabell 1 sammanställer sådana data från IEA (2022) i tre olika scenarier för CO2-utsläpp: STEPS (Stated Policies Scenario), APS (Announced Pledges Scenario) och NZE (Net Zero Emissions by 2050 Scenario). IEA projekterar att under NZE-scenariot kommer 11 433 TWh el att användas för vätgasproduktion år 2050, och 879 TWh kommer att användas till 2030 enligt APS-scenariot.
Tabell 2 jämför dessa prognoser med de från Hydrogen Council och McKinsey (H2C & McK) 2021.
Från tabell 2 kan man observera att H2C & McK (2021) uppskattar en högre mängd grön el för vätgasproduktion till 2050, men data från båda sidor visar en rimlig matchning för el som används för produktion av grönt väte. Därför förväntas det att cirka 4-6 % av förnybar energi kommer att användas för vätgasproduktion år 2030 (APS-scenariot).
Denna artikel uppskattar väteproduktionen och elektrolysatorkapaciteten, som visas i tabell 3. Det förväntas att snabb tillväxt kommer att ske under de första åren, följt av en gradvis stabilisering.
År 2030 kommer den förväntade tillväxten på den gröna marknaden att vara mycket lägre än den nuvarande tillväxttakten påPEMelektrolysatorer, somPEMelektrolys har redan tagit betydande marknadsandelar. På lång sikt överensstämmer prognosen i denna artikel med vätgasrådets förutsägelser, förutsatt attPEMelektrolysörer kommer att stå för cirka 40 % av den totala elektrolysörmarknaden. Med en uppskattad total installerad kapacitet på 315 GW till 2030,PEMelektrolysatorns kapacitet kommer att nå 126 GW.
Data från Tabell 5 kommer från H2C & McK (2021), Goldman Sachs (GS) – Clark et al. (2022) och Plug Intelligence. GS (2022) överväger tre olika scenarier: bull, bas och bear market.
Figur 4 visar den projicerade ytterligarePEMelektrolysatorkapacitet från 2022 till 2030, tillsammans med prognoser för den årliga tillväxten av förnybar energi. Prognosen för ny förnybar energi följer den 8,3% CAGR som nämns ovan. Artikeln uppskattar att till en början endast en liten del av ny grön energiförsörjning kommer att användas tillPEMelektrolys, men denna andel kommer att öka avsevärt under de kommande åren och uppgå till cirka 6-8 % 2028-2030. Sammantaget tycks trenden i denna figur stämma överens med andelen förnybar energi i prognoserna i Tabell 1 och Tabell 2.
