Bude nabídka a cena iridia největší překážkou pro vývoj PEM elektrolyzérů?
Zavedení
V posledních letech byl vodík považován za potenciální nosič energie pro systémy obnovitelné energie, který přispívá k dosažení cílů s nulovými čistými emisemi. Tradiční výroba vodíku je však téměř zcela závislá na fosilních palivech. V roce 2020 bylo z fosilních paliv vyrobeno přibližně 90 milionů tun vodíku, což vedlo k téměř 900 milionům tun emisí CO2.
Bezuhlíkovým způsobem výroby vodíku je elektrolýza vody. Při integraci s obnovitelnými zdroji energie, jako je větrná, solární a vodní energie, má vodík generovaný z elektrolyzérů nulové emise skleníkových plynů a takto vyrobený vodík se označuje jako "green vodík." Hlavní technologie pro výrobu zeleného vodíku prostřednictvím elektrolýzy vody zahrnoutProtonové výměnné membránové vodní elektrolyzéry (PEMWE), aniontové výměnné membránové vodní elektrolyzéry (AEMWE), alkalické vodní elektrolyzéry (AWE) a elektrolyzéry pevných oxidů (SOE).PEMWEjsou v současné době středem zájmu výzkumu, zatímco AEMWE představují budoucí směr (protože nevyžadují drahé kovy).
Technologie PEMWE a využití iridia
PEMWEvyužívají tenké proton výměnné membrány (PEM) (70–200 µm) pro transport protonů a oddělení anodových a katodových elektrod. Na katodové straněTAMsse platina (Pt) používá ke katalýze reakce vývoje vodíku (HER), typicky na uhlíku. Na straně anody se iridium běžně používá ke katalýze reakce pomalého vývoje kyslíku (OER). Iridium je však jedním z nejvzácnějších prvků na Zemi (viz obrázek 1). Mezi lety 2020 a 2023 se náklady na iridium téměř zdvojnásobily (viz obrázek 2). Za předpokladu zatížení iridia 400 g/MW a proudové hustoty 2A/cm² při 2V jsou náklady na iridium na 1 MWTAMnavýšen o přibližně 45 000 USD. Snížení ceny iridia by tedy mohlo výrazně snížit celkové náklady na elektrolyzér. K vyřešení tohoto problému tento článek nejprve prozkoumá základní ekonomiku iridia, včetně jeho poptávky a nákladů.
Prognóza poptávky Iridium
Kolik iridia je potřeba?
Pro stanovení potřebného množství iridia je nezbytné nejprve odhadnout celkovou velikost iridia
TAMtrhu a poté vypočítat jednotkovou poptávku (kg Ir/MW).
Jak moc se rozšíří trh elektrolyzérů PEM?
Očekává se, že do roku 2024 bude celkemPEMkapacita elektrolyzéru dosáhne cca 4 GW. V roce 2021 se globální kapacita obnovitelné energie zvýšila o téměř 300 GW, z čehož většina pocházela z větrné a solární energie (viz obrázek 3). Očekává se, že tento trend bude pokračovat s 8,3% složenou roční mírou růstu (CAGR) až do roku 2026, což povede k nárůstu o více než 500 GW ročně do roku 2030.
Otázkou však je, na kolik se tato nová zelená energie využijePEMelektrolýza k výrobě zeleného vodíku? Tabulka 1 shrnuje taková data z IEA (2022) ve třech různých scénářích emisí CO2: STEPS (scénář stanovených politik), APS (scénář oznámených závazků) a NZE (scénář čistých nulových emisí do roku 2050). IEA předpokládá, že podle scénáře NZE se do roku 2050 použije 11 433 TWh elektřiny na výrobu vodíku a 879 TWh do roku 2030 podle scénáře APS.
Tabulka 2 porovnává tyto projekce s projekcemi od Hydrogen Council a McKinsey (H2C & McK) v roce 2021.
Z tabulky 2 lze pozorovat, že H2C & McK (2021) odhaduje vyšší množství zelené elektřiny pro výrobu vodíku do roku 2050, ale data z obou stran ukazují přiměřenou shodu pro elektřinu použitou na výrobu zeleného vodíku. Očekává se proto, že do roku 2030 se pro výrobu vodíku použije přibližně 4–6 % obnovitelné energie (scénář APS).
Tento článek odhaduje produkci vodíku a kapacitu elektrolyzéru, jak je uvedeno v tabulce 3. Očekává se, že v prvních letech dojde k rychlému růstu, po kterém bude následovat postupná stabilizace.
Do roku 2030 bude očekávaný růst zeleného trhu mnohem nižší než současné tempo růstuPEMelektrolyzéry, asPEMelektrolýza již získala významný podíl na trhu. Z dlouhodobého hlediska je předpověď v tomto článku v souladu s předpovědí Vodíkové rady za předpokladu, žePEMelektrolyzéry budou představovat asi 40 % celkového trhu elektrolyzérů. S odhadovanou celkovou instalovanou kapacitou elektrolyzéru 315 GW do roku 2030,PEMkapacita elektrolyzéru dosáhne 126 GW.
Údaje z tabulky 5 pocházejí od H2C & McK (2021), Goldman Sachs (GS) – Clark et al. (2022) a Plug Intelligence. GS (2022) zvažuje tři různé scénáře: býčí, základní a medvědí trh.
Obrázek 4 ukazuje projektovaný dodatekPEMkapacita elektrolyzéru od roku 2022 do roku 2030 spolu s předpovědí ročního růstu obnovitelné energie. Prognóza pro novou energii z obnovitelných zdrojů sleduje výše zmíněnou 8,3% CAGR. Článek odhaduje, že zpočátku bude využita pouze malá část nových dodávek zelené energiePEMelektrolýza, ale tento podíl se v následujících letech výrazně zvýší a v letech 2028-2030 dosáhne přibližně 6–8 %. Celkově se zdá, že trend na tomto obrázku je konzistentní s podílem obnovitelných zdrojů energie v předpovědích v tabulce 1 a tabulce 2.
