Vormen de aanvoer en kosten van iridium de grootste belemmering voor de ontwikkeling van PEM-elektrolyzers?
Invoering
De laatste jaren wordt waterstof gezien als een potentiële energiedrager voor hernieuwbare energiesystemen, wat bijdraagt aan het behalen van netto-nul-emissiedoelstellingen. Traditionele waterstofproductie is echter bijna volledig afhankelijk van fossiele brandstoffen. In 2020 werd ongeveer 90 miljoen ton waterstof geproduceerd uit fossiele brandstoffen, wat leidde tot bijna 900 miljoen ton CO2-uitstoot.
De koolstofvrije methode voor waterstofproductie is waterelektrolyse. Wanneer geïntegreerd met hernieuwbare energiebronnen zoals wind, zon en waterkracht, heeft de waterstof die wordt gegenereerd door elektrolyzers nul broeikasgasemissies en waterstof die op deze manier wordt geproduceerd, wordt "groene waterstof genoemd." De belangrijkste technologieën voor groene waterstofproductie door middel van waterelektrolyse omvattenProton Exchange Membrane Water Electrolyzers (PEMWE's), Anion Exchange Membrane Water Electrolyzers (AEMWEs), Alkaline Water Electrolyzers (AWEs) en Solid Oxide Electrolyzers (SOEs).PEMWE'szijn momenteel het onderwerp van onderzoek, terwijl AEMWEs de toekomstige richting vertegenwoordigen (omdat ze geen edelmetalen nodig hebben).
PEMWE-technologie en iridiumgebruik
PEMWE'sgebruik maken van dunne protonenuitwisselingsmembranen (PEM) (70–200 µm) om protonen te transporteren en de anode- en kathode-elektroden te scheiden. Aan de kathodezijde vanDAARS, platina (Pt) wordt gebruikt om de waterstofevolutiereactie (HER) te katalyseren, meestal ondersteund op koolstof. Aan de anodezijde wordt iridium vaak gebruikt om de langzame zuurstofevolutiereactie (OER) te katalyseren. Iridium is echter een van de zeldzaamste elementen op aarde (zie afbeelding 1). Tussen 2020 en 2023 zijn de kosten van iridium bijna verdubbeld (zie afbeelding 2). Uitgaande van een iridiumbelasting van 400 g/MW en een stroomdichtheid van 2 A/cm² bij 2 V, zijn de kosten van iridium per 1 MWDAARmet ongeveer $ 45.000 gestegen. Daarom zou het verlagen van de kosten van iridium de totale kosten van de elektrolyzer aanzienlijk kunnen verlagen. Om dit aan te pakken, zal dit artikel eerst de basiseconomie van iridium onderzoeken, inclusief de vraag en kosten ervan.
Prognose van de vraag naar iridium
Hoeveel iridium is nodig?
Om de benodigde hoeveelheid iridium te bepalen, is het van essentieel belang om eerst de totale grootte van de
DAARmarkt en bereken vervolgens de eenheidsvraag (kg Ir/MW).
Hoeveel zal de markt voor PEM-elektrolyzers groeien?
Naar verwachting zal in 2024 het totalePEMelektrolyzercapaciteit zal ongeveer 4 GW bereiken. In 2021 nam de wereldwijde capaciteit voor hernieuwbare energie toe met bijna 300 GW, waarvan het grootste deel afkomstig was van wind- en zonne-energie (zie Figuur 3). Deze trend zal naar verwachting aanhouden met een samengestelde jaarlijkse groeivoet (CAGR) van 8,3% tot 2026, wat zal leiden tot een jaarlijkse toename van meer dan 500 GW in 2030.
De vraag is echter hoeveel van deze nieuwe groene energie gebruikt zal worden voorPEMelektrolyse om groene waterstof te produceren? Tabel 1 verzamelt dergelijke gegevens van IEA (2022) in drie verschillende CO2-emissiescenario's: STEPS (Stated Policies Scenario), APS (Announced Pledges Scenario) en NZE (Net Zero Emissions by 2050 Scenario). IEA voorspelt dat onder het NZE-scenario 11.433 TWh aan elektriciteit zal worden gebruikt voor waterstofproductie tegen 2050, en 879 TWh zal worden gebruikt tegen 2030 onder het APS-scenario.
In tabel 2 worden deze prognoses vergeleken met die van de Hydrogen Council en McKinsey (H2C & McK) in 2021.
Uit Tabel 2 blijkt dat H2C & McK (2021) een hogere hoeveelheid groene elektriciteit voor waterstofproductie inschat tegen 2050, maar de gegevens van beide kanten laten een redelijke match zien voor elektriciteit die wordt gebruikt voor groene waterstofproductie. Daarom wordt verwacht dat ongeveer 4-6% van de hernieuwbare energie tegen 2030 zal worden gebruikt voor waterstofproductie (APS-scenario).
In dit artikel worden de waterstofproductie en de elektrolyzercapaciteit geschat, zoals weergegeven in Tabel 3. Verwacht wordt dat er in de eerste jaren een snelle groei zal optreden, gevolgd door een geleidelijke stabilisatie.
Tegen 2030 zal de verwachte groei van de groene markt veel lager zijn dan de huidige groeivoet vanPEMelektrolysers, zoalsPEMelektrolyse heeft al een aanzienlijk marktaandeel verworven. Op de lange termijn komt de prognose in dit artikel overeen met de voorspellingen van de Hydrogen Council, ervan uitgaande datPEMelectrolyzers zullen ongeveer 40% van de totale electrolyzermarkt uitmaken. Met een geschatte totale geïnstalleerde electrolyzercapaciteit van 315 GW in 2030,PEMDe capaciteit van de elektrolyzer zal 126 GW bedragen.
De gegevens uit Tabel 5 komen van H2C & McK (2021), Goldman Sachs (GS) – Clark et al. (2022) en Plug Intelligence. GS (2022) beschouwt drie verschillende scenario's: bull-, basis- en bearmarkt.
Figuur 4 toont de verwachte extraPEMelektrolyzercapaciteit van 2022 tot 2030, naast voorspellingen voor de jaarlijkse groei van hernieuwbare energie. De prognose voor nieuwe hernieuwbare energie volgt de hierboven genoemde 8,3% CAGR. Het artikel schat dat in eerste instantie slechts een klein deel van de nieuwe groene energievoorziening zal worden gebruikt voorPEMelektrolyse, maar dit aandeel zal de komende jaren aanzienlijk toenemen en tegen 2028-2030 rond de 6-8% bedragen. Over het geheel genomen lijkt de trend in deze figuur consistent te zijn met het hernieuwbare energiegedeelte van de voorspellingen in Tabel 1 en Tabel 2.
