Nguồn cung và chi phí Iridium có phải là rào cản lớn nhất đối với sự phát triển của máy điện phân PEM không?
Giới thiệu
Trong những năm gần đây, hydro được coi là nguồn năng lượng tiềm năng cho các hệ thống năng lượng tái tạo, góp phần đạt được mục tiêu phát thải ròng bằng 0. Tuy nhiên, sản xuất hydro truyền thống hầu như hoàn toàn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Năm 2020, khoảng 90 triệu tấn hydro được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch, dẫn đến gần 900 triệu tấn khí thải CO2.
Phương pháp sản xuất hydro không carbon là điện phân nước. Khi kết hợp với các nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời và thủy điện, hydro được tạo ra từ máy điện phân không phát thải khí nhà kính và hydro được sản xuất theo cách này được gọi là hydro xanh "." Các công nghệ chính để sản xuất hydro xanh thông qua điện phân nước bao gồmMáy điện phân nước màng trao đổi proton (PEMWE)Máy điện phân nước màng trao đổi anion (AEMWE), Máy điện phân nước kiềm (AWE) và Máy điện phân nước oxit rắn (SOE).PEMWEshiện đang là trọng tâm nghiên cứu, trong khi AEMWE đại diện cho hướng đi trong tương lai (vì chúng không yêu cầu kim loại quý).
Công nghệ PEMWE và sử dụng Iridium
PEMWEssử dụng màng trao đổi proton mỏng (PEM) (70–200 µm) để vận chuyển proton và tách các điện cực anot và catot. Ở phía catot củaỞ ĐÓS, platin (Pt) được sử dụng để xúc tác phản ứng giải phóng hydro (HER), thường được hỗ trợ trên cacbon. Về phía anot, iridi thường được sử dụng để xúc tác phản ứng giải phóng oxy chậm (OER). Tuy nhiên, iridi là một trong những nguyên tố hiếm nhất trên Trái Đất (xem Hình 1). Từ năm 2020 đến năm 2023, chi phí của iridi đã tăng gần gấp đôi (xem Hình 2). Giả sử tải iridi là 400g/MW và mật độ dòng điện là 2A/cm² ở 2V, chi phí của iridi trên 1 MWỞ ĐÓtăng khoảng 45.000 đô la. Do đó, việc giảm chi phí iridi có thể làm giảm đáng kể tổng chi phí của máy điện phân. Để giải quyết vấn đề này, bài viết này trước tiên sẽ khám phá nền kinh tế cơ bản của iridi, bao gồm nhu cầu và chi phí của nó.
Dự báo nhu cầu Iridium
Cần bao nhiêu iridi?
Để xác định lượng iridi cần thiết, trước tiên điều cần thiết là phải ước tính tổng kích thước của
Ở ĐÓthị trường và sau đó tính toán nhu cầu đơn vị (kg Ir/MW).
Thị trường máy điện phân PEM sẽ mở rộng đến mức nào?
Dự kiến đến năm 2024, tổng sốPEMcông suất điện phân sẽ đạt khoảng 4 GW. Vào năm 2021, công suất năng lượng tái tạo toàn cầu đã tăng gần 300 GW, phần lớn trong số đó đến từ năng lượng gió và mặt trời (xem Hình 3). Xu hướng này dự kiến sẽ tiếp tục với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 8,3% cho đến năm 2026, dẫn đến mức tăng hơn 500 GW hàng năm vào năm 2030.
Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là bao nhiêu năng lượng xanh mới này sẽ được sử dụng choPEMđiện phân để sản xuất hydro xanh? Bảng 1 tổng hợp dữ liệu như vậy từ IEA (2022) trong ba kịch bản phát thải CO2 khác nhau: STEPS (Kịch bản chính sách đã nêu), APS (Kịch bản cam kết đã công bố) và NZE (Kịch bản phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050). IEA dự đoán rằng theo kịch bản NZE, 11.433 TWh điện sẽ được sử dụng để sản xuất hydro vào năm 2050 và 879 TWh sẽ được sử dụng vào năm 2030 theo kịch bản APS.
Bảng 2 so sánh những dự báo này với dự báo của Hydrogen Council và McKinsey (H2C & McK) vào năm 2021.
Từ Bảng 2, có thể thấy rằng H2C & McK (2021) ước tính lượng điện xanh cao hơn cho sản xuất hydro vào năm 2050, nhưng dữ liệu từ cả hai phía đều cho thấy sự phù hợp hợp lý đối với lượng điện được sử dụng cho sản xuất hydro xanh. Do đó, dự kiến khoảng 4-6% năng lượng tái tạo sẽ được sử dụng cho sản xuất hydro vào năm 2030 (kịch bản APS).
Bài viết này ước tính sản lượng hydro và công suất điện phân như thể hiện trong Bảng 3. Dự kiến sản lượng sẽ tăng trưởng nhanh trong những năm đầu, sau đó dần ổn định.
Đến năm 2030, tốc độ tăng trưởng dự kiến của thị trường xanh sẽ thấp hơn nhiều so với tốc độ tăng trưởng hiện tại củaPEMmáy điện phân, nhưPEMđiện phân đã giành được thị phần đáng kể. Về lâu dài, dự báo trong bài viết này phù hợp với dự đoán của Hội đồng Hydrogen, giả định rằngPEMmáy điện phân sẽ chiếm khoảng 40% tổng thị trường máy điện phân. Với tổng công suất lắp đặt máy điện phân ước tính là 315 GW vào năm 2030,PEMcông suất điện phân sẽ đạt 126 GW.
Dữ liệu từ Bảng 5 đến từ H2C & McK (2021), Goldman Sachs (GS) – Clark et al. (2022) và Plug Intelligence. GS (2022) xem xét ba kịch bản khác nhau: thị trường tăng giá, cơ sở và giảm giá.
Hình 4 cho thấy dự kiến bổ sungPEMcông suất điện phân từ năm 2022 đến năm 2030, cùng với dự đoán về sự tăng trưởng hàng năm của năng lượng tái tạo. Dự báo về năng lượng tái tạo mới tuân theo CAGR 8,3% đã đề cập ở trên. Bài báo ước tính rằng ban đầu, chỉ một phần nhỏ nguồn cung cấp năng lượng xanh mới sẽ được sử dụng choPEMđiện phân, nhưng tỷ lệ này sẽ tăng đáng kể trong những năm tới, đạt khoảng 6-8% vào năm 2028-2030. Nhìn chung, xu hướng trong con số này có vẻ phù hợp với phần năng lượng tái tạo trong các dự đoán trong Bảng 1 và Bảng 2.
