L'approvvigionamento e il costo dell'iridio saranno il principale ostacolo allo sviluppo degli elettrolizzatori PEM?
Introduzione
Negli ultimi anni, l'idrogeno è stato considerato un potenziale vettore energetico per i sistemi di energia rinnovabile, contribuendo al raggiungimento degli obiettivi di emissioni nette pari a zero. Tuttavia, la produzione tradizionale di idrogeno dipende quasi interamente dai combustibili fossili. Nel 2020, circa 90 milioni di tonnellate di idrogeno sono state prodotte da combustibili fossili, con conseguenti emissioni di CO2 pari a quasi 900 milioni di tonnellate.
Il metodo di produzione di idrogeno privo di carbonio è l'elettrolisi dell'acqua. Quando integrato con fonti di energia rinnovabili come l'energia eolica, solare e idroelettrica, l'idrogeno generato dagli elettrolizzatori ha zero emissioni di gas serra e l'idrogeno prodotto in questo modo è definito "idrogeno verde." Le principali tecnologie per la produzione di idrogeno verde tramite elettrolisi dell'acqua includonoElettrolizzatori ad acqua con membrana a scambio protonico (PEMWE), elettrolizzatori per acqua con membrana a scambio anionico (AEMWE), elettrolizzatori per acqua alcalina (AWE) ed elettrolizzatori per ossido solido (SOE).PEMWEsono attualmente al centro della ricerca, mentre gli AEMWE rappresentano la direzione futura (poiché non richiedono metalli preziosi).
Tecnologia PEMWE e utilizzo dell'iridio
PEMWEutilizzare sottili membrane a scambio protonico (PEM) (70–200 µm) per trasportare protoni e separare gli elettrodi dell'anodo e del catodo. Sul lato del catodo diLÀS, il platino (Pt) viene utilizzato per catalizzare la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER), in genere supportata su carbonio. Sul lato dell'anodo, l'iridio viene comunemente utilizzato per catalizzare la reazione di evoluzione lenta dell'ossigeno (OER). Tuttavia, l'iridio è uno degli elementi più rari sulla Terra (vedere Figura 1). Tra il 2020 e il 2023, il costo dell'iridio è quasi raddoppiato (vedere Figura 2). Supponendo un carico di iridio di 400 g/MW e una densità di corrente di 2 A/cm² a 2 V, il costo dell'iridio per 1 MWLÀaumentato di circa $ 45.000. Pertanto, ridurre il costo dell'iridio potrebbe abbassare significativamente il costo complessivo dell'elettrolizzatore. Per affrontare questo problema, questo articolo esplorerà prima l'economia di base dell'iridio, inclusa la sua domanda e il suo costo.
Previsione della domanda di iridio
Quanto iridio è necessario?
Per determinare la quantità di iridio necessaria, è essenziale prima stimare la dimensione totale dell'
LÀmercato e quindi calcolare la domanda unitaria (kg Ir/MW).
Quanto si espanderà il mercato degli elettrolizzatori PEM?
Si prevede che entro il 2024 il totalePEMla capacità dell'elettrolizzatore raggiungerà circa 4 GW. Nel 2021, la capacità globale di energia rinnovabile è aumentata di quasi 300 GW, la maggior parte dei quali proveniva da energia eolica e solare (vedere Figura 3). Si prevede che questa tendenza continuerà con un tasso di crescita annuale composto (CAGR) dell'8,3% fino al 2026, portando a un aumento di oltre 500 GW all'anno entro il 2030.
La domanda, tuttavia, è quanta di questa nuova energia verde verrà utilizzata perPEMelettrolisi per produrre idrogeno verde? La Tabella 1 raccoglie tali dati dall'IEA (2022) in tre diversi scenari di emissione di CO2: STEPS (Stated Policies Scenario), APS (Announced Pledges Scenario) e NZE (Net Zero Emissions by 2050 Scenario). L'IEA prevede che, secondo lo scenario NZE, 11.433 TWh di elettricità saranno utilizzati per la produzione di idrogeno entro il 2050 e 879 TWh saranno utilizzati entro il 2030 secondo lo scenario APS.
La tabella 2 confronta queste proiezioni con quelle dell'Hydrogen Council e di McKinsey (H2C e McK) nel 2021.
Dalla Tabella 2, si può osservare che H2C & McK (2021) stimano una maggiore quantità di elettricità verde per la produzione di idrogeno entro il 2050, ma i dati da entrambe le parti mostrano una corrispondenza ragionevole per l'elettricità utilizzata per la produzione di idrogeno verde. Pertanto, si prevede che circa il 4-6% dell'energia rinnovabile sarà utilizzata per la produzione di idrogeno entro il 2030 (scenario APS).
Questo articolo stima la produzione di idrogeno e la capacità dell'elettrolizzatore, come mostrato nella Tabella 3. Si prevede che nei primi anni si verificherà una rapida crescita, seguita da una graduale stabilizzazione.
Entro il 2030, la crescita prevista del mercato verde sarà molto inferiore all'attuale tasso di crescita delPEMelettrolizzatori, comePEMl'elettrolisi ha già guadagnato una quota di mercato significativa. A lungo termine, la previsione in questo articolo si allinea con le previsioni dell'Hydrogen Council, supponendo chePEMgli elettrolizzatori rappresenteranno circa il 40% del mercato totale degli elettrolizzatori. Con una capacità totale stimata di elettrolizzatori installati di 315 GW entro il 2030,PEMla capacità dell'elettrolizzatore raggiungerà i 126 GW.
I dati della Tabella 5 provengono da H2C & McK (2021), Goldman Sachs (GS) – Clark et al. (2022) e Plug Intelligence. GS (2022) considera tre diversi scenari: mercato rialzista, base e ribassista.
La figura 4 mostra l'ulteriore proiezionePEMcapacità dell'elettrolizzatore dal 2022 al 2030, insieme alle previsioni per la crescita annuale dell'energia rinnovabile. La previsione per la nuova energia rinnovabile segue il CAGR dell'8,3% menzionato sopra. L'articolo stima che inizialmente, solo una piccola parte della nuova fornitura di energia verde sarà utilizzata perPEMelettrolisi, ma questa percentuale aumenterà significativamente nei prossimi anni, raggiungendo circa il 6-8% entro il 2028-2030. Nel complesso, la tendenza in questa cifra sembra essere coerente con la quota di energia rinnovabile delle previsioni nella Tabella 1 e nella Tabella 2.
