Werden die Iridium-Versorgung und die Kosten das größte Hindernis für die Entwicklung von PEM-Elektrolyseuren darstellen?
Einführung
In den letzten Jahren wurde Wasserstoff als potenzieller Energieträger für erneuerbare Energiesysteme betrachtet, der zur Erreichung der Netto-Null-Emissionsziele beitragen soll. Die traditionelle Wasserstoffproduktion ist jedoch fast vollständig auf fossile Brennstoffe angewiesen. Im Jahr 2020 wurden rund 90 Millionen Tonnen Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen hergestellt, was zu fast 900 Millionen Tonnen CO2-Emissionen führte.
Die kohlenstofffreie Methode zur Wasserstoffproduktion ist die Wasserelektrolyse. In Kombination mit erneuerbaren Energiequellen wie Wind-, Solar- und Wasserkraft verursacht der aus Elektrolyseuren erzeugte Wasserstoff keine Treibhausgasemissionen, und auf diese Weise erzeugter Wasserstoff wird als grüner Wasserstoff bezeichnet. Zu den wichtigsten Technologien für die Produktion von grünem Wasserstoff durch Wasserelektrolyse gehörenWasserelektrolyseure mit Protonenaustauschmembranen (PEMWEs), Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure (AEMWEs), alkalische Wasserelektrolyseure (AWEs) und Festoxidelektrolyseure (SOEs).PEMWEsstehen derzeit im Fokus der Forschung, während AEMWEs die Zukunft darstellen (da sie keine Edelmetalle erfordern).
PEMWE-Technologie und Iridium-Nutzung
PEMWEsverwenden dünne Protonenaustauschmembranen (PEM) (70–200 µm) zum Transport von Protonen und zur Trennung von Anoden- und Kathodenelektroden. Auf der Kathodenseite vonDORTSPlatin (Pt) wird zur Katalyse der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) verwendet, typischerweise auf Kohlenstoff gestützt. Auf der Anodenseite wird Iridium häufig zur Katalyse der langsamen Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) verwendet. Iridium ist jedoch eines der seltensten Elemente auf der Erde (siehe Abbildung 1). Zwischen 2020 und 2023 haben sich die Kosten für Iridium fast verdoppelt (siehe Abbildung 2). Bei einer angenommenen Iridiumbeladung von 400 g/MW und einer Stromdichte von 2 A/cm² bei 2 V betragen die Kosten für Iridium pro 1 MWDORTum etwa 45.000 US-Dollar erhöht. Eine Senkung der Iridiumkosten könnte daher die Gesamtkosten des Elektrolyseurs erheblich senken. Um dieses Problem anzugehen, wird dieser Artikel zunächst die grundlegende Wirtschaftlichkeit von Iridium untersuchen, einschließlich seiner Nachfrage und Kosten.
Iridium-Nachfrageprognose
Wie viel Iridium wird benötigt?
Um die erforderliche Iridiummenge zu bestimmen, ist es wichtig, zunächst die Gesamtgröße des
DORTMarkt und berechnen Sie anschließend die Einheitsnachfrage (kg Ir/MW).
Wie stark wird der Markt für PEM-Elektrolyseure wachsen?
Es wird erwartet, dass bis 2024 die GesamtPEMDie Elektrolyseurkapazität wird etwa 4 GW erreichen. Im Jahr 2021 stieg die globale Kapazität für erneuerbare Energien um fast 300 GW, wovon der Großteil auf Wind- und Solarenergie entfiel (siehe Abbildung 3). Dieser Trend dürfte sich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 8,3 % bis 2026 fortsetzen, was bis 2030 zu einem Anstieg von über 500 GW jährlich führen wird.
Die Frage ist jedoch, wie viel dieser neuen grünen Energie genutzt wird fürPEMElektrolyse zur Herstellung von grünem Wasserstoff? Tabelle 1 stellt solche Daten der IEA (2022) in drei verschiedenen CO2-Emissionsszenarien zusammen: STEPS (Stated Policies Scenario), APS (Announced Pledges Scenario) und NZE (Net Zero Emissions by 2050 Scenario). Die IEA prognostiziert, dass im NZE-Szenario bis 2050 11.433 TWh Strom für die Wasserstoffproduktion verwendet werden und im APS-Szenario bis 2030 879 TWh.
Tabelle 2 vergleicht diese Prognosen mit denen des Hydrogen Council und von McKinsey (H2C & McK) im Jahr 2021.
Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass H2C & McK (2021) bis 2050 eine höhere Menge an Ökostrom für die Wasserstoffproduktion schätzen, die Daten beider Seiten jedoch eine angemessene Übereinstimmung für den für die Produktion von grünem Wasserstoff verwendeten Strom zeigen. Daher wird erwartet, dass bis 2030 etwa 4-6 % erneuerbare Energie für die Wasserstoffproduktion verwendet werden (APS-Szenario).
In diesem Artikel werden die Wasserstoffproduktion und die Elektrolyseurkapazität geschätzt (siehe Tabelle 3). Es wird erwartet, dass es in den ersten Jahren zu einem schnellen Wachstum kommt und sich anschließend eine allmähliche Stabilisierung abzeichnet.
Bis 2030 wird das erwartete Wachstum des grünen Marktes deutlich geringer sein als die derzeitige Wachstumsrate vonPEMElektrolyseure, wiePEMDie Elektrolyse hat bereits einen erheblichen Marktanteil erlangt. Langfristig entspricht die Prognose in diesem Artikel den Vorhersagen des Hydrogen Council, unter der Annahme, dassPEMElektrolyseure werden etwa 40 % des gesamten Elektrolyseurmarktes ausmachen. Mit einer geschätzten installierten Gesamtkapazität von 315 GW bis 2030PEMDie Elektrolyseurkapazität wird 126 GW erreichen.
Die Daten aus Tabelle 5 stammen von H2C & McK (2021), Goldman Sachs (GS) – Clark et al. (2022) und Plug Intelligence. GS (2022) betrachtet drei verschiedene Szenarien: Bullen-, Basis- und Bärenmarkt.
Abbildung 4 zeigt die projizierten zusätzlichenPEMElektrolyseurkapazität von 2022 bis 2030, zusammen mit Vorhersagen für das jährliche Wachstum erneuerbarer Energien. Die Prognose für neue erneuerbare Energien folgt der oben erwähnten durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 8,3 %. Der Artikel schätzt, dass zunächst nur ein kleiner Teil der neuen grünen Energieversorgung fürPEMElektrolyse, aber dieser Anteil wird in den kommenden Jahren deutlich steigen und bis 2028-2030 etwa 6-8 % erreichen. Insgesamt scheint der Trend in dieser Zahl mit dem Anteil erneuerbarer Energien in den Vorhersagen in Tabelle 1 und Tabelle 2 übereinzustimmen.
