¿Serán el suministro y el costo del iridio la mayor barrera para el desarrollo de electrolizadores PEM?
Introducción
En los últimos años, el hidrógeno se ha considerado un potencial vector energético para los sistemas de energía renovable, contribuyendo a alcanzar los objetivos de emisiones netas cero. Sin embargo, la producción tradicional de hidrógeno depende casi por completo de combustibles fósiles. En 2020, se produjeron alrededor de 90 millones de toneladas de hidrógeno a partir de combustibles fósiles, lo que generó casi 900 millones de toneladas de emisiones de CO2.
El método libre de carbono para producir hidrógeno es la electrólisis del agua. Cuando se integra con fuentes de energía renovables como la eólica, la solar y la hidroeléctrica, el hidrógeno generado a partir de electrolizadores no emite gases de efecto invernadero, y el hidrógeno producido de esta manera se conoce como hidrógeno verde. Las principales tecnologías para la producción de hidrógeno verde mediante la electrólisis del agua incluyenElectrolizadores de agua con membrana de intercambio de protones (PEMWE)Electrolizadores de agua con membrana de intercambio aniónico (AEMWE), electrolizadores de agua alcalina (AWE) y electrolizadores de óxido sólido (SOE).PEMWEActualmente son el foco de la investigación, mientras que los AEMWE representan la dirección futura (ya que no requieren metales preciosos).
Tecnología PEMWE y uso de iridio
PEMWEutilizan membranas delgadas de intercambio de protones (PEM) (70–200 µm) para transportar protones y separar los electrodos del ánodo y el cátodo. En el lado del cátodoALLÁsEl platino (Pt) se utiliza para catalizar la reacción de evolución del hidrógeno (HER), normalmente soportado sobre carbono. En el lado del ánodo, el iridio se utiliza habitualmente para catalizar la reacción de evolución lenta del oxígeno (OER). Sin embargo, el iridio es uno de los elementos más raros de la Tierra (véase la Figura 1). Entre 2020 y 2023, el coste del iridio casi se duplicó (véase la Figura 2). Suponiendo una carga de iridio de 400 g/MW y una densidad de corriente de 2 A/cm² a 2 V, el coste del iridio por 1 MWALLÁEl precio del iridio aumentó aproximadamente en 45 000 dólares. Por lo tanto, reducir el costo del iridio podría reducir significativamente el costo total del electrolizador. Para abordar este problema, este artículo primero explorará la economía básica del iridio, incluida su demanda y costo.
Previsión de la demanda de iridio
¿Cuánto iridio se necesita?
Para determinar la cantidad de iridio necesaria, es esencial estimar primero el tamaño total del
ALLÁmercado y luego calcular la demanda unitaria (kg Ir/MW).
¿Cuánto se expandirá el mercado de electrolizadores PEM?
Se espera que para el año 2024, el totalPEMLa capacidad de los electrolizadores alcanzará unos 4 GW. En 2021, la capacidad mundial de energía renovable aumentó en casi 300 GW, la mayoría de los cuales provino de energía eólica y solar (véase la Figura 3). Se espera que esta tendencia continúe con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 8,3% hasta 2026, lo que conducirá a un aumento de más de 500 GW anuales para 2030.
La pregunta, sin embargo, es cuánto de esta nueva energía verde se utilizará para...PEM¿Se utilizará la electrólisis para producir hidrógeno verde? La Tabla 1 recopila estos datos de la AIE (2022) en tres escenarios de emisiones de CO2 diferentes: STEPS (escenario de políticas declaradas), APS (escenario de compromisos anunciados) y NZE (escenario de emisiones netas cero para 2050). La AIE proyecta que, en el escenario NZE, se utilizarán 11.433 TWh de electricidad para la producción de hidrógeno en 2050, y 879 TWh en 2030 en el escenario APS.
La Tabla 2 compara estas proyecciones con las del Hydrogen Council y McKinsey (H2C & McK) en 2021.
En la Tabla 2 se puede observar que H2C y McK (2021) estiman una mayor cantidad de electricidad verde para la producción de hidrógeno para 2050, pero los datos de ambos lados muestran una correspondencia razonable para la electricidad utilizada para la producción de hidrógeno verde. Por lo tanto, se espera que alrededor del 4-6% de la energía renovable se utilice para la producción de hidrógeno para 2030 (escenario APS).
En este artículo se estima la producción de hidrógeno y la capacidad del electrolizador, como se muestra en la Tabla 3. Se espera que se produzca un crecimiento rápido en los primeros años, seguido de una estabilización gradual.
Para 2030, el crecimiento esperado del mercado verde será mucho menor que la tasa de crecimiento actual dePEMelectrolizadores, comoPEMLa electrólisis ya ha ganado una cuota de mercado significativa. A largo plazo, el pronóstico de este artículo coincide con las predicciones del Consejo del Hidrógeno, suponiendo quePEMLos electrolizadores representarán aproximadamente el 40% del mercado total de electrolizadores. Con una capacidad total instalada de electrolizadores estimada de 315 GW para 2030,PEMLa capacidad del electrolizador alcanzará los 126 GW.
Los datos de la Tabla 5 proceden de H2C & McK (2021), Goldman Sachs (GS) – Clark et al. (2022) y Plug Intelligence. GS (2022) considera tres escenarios diferentes: mercado alcista, base y bajista.
La figura 4 muestra el aumento adicional proyectadoPEMcapacidad de electrolizadores de 2022 a 2030, junto con las predicciones para el crecimiento anual de la energía renovable. El pronóstico para la nueva energía renovable sigue la CAGR del 8,3 % mencionada anteriormente. El artículo estima que, inicialmente, solo una pequeña parte del nuevo suministro de energía verde se utilizará paraPEMLa electrólisis es una de las fuentes de energía más utilizadas, pero esta proporción aumentará significativamente en los próximos años y alcanzará alrededor del 6-8% en 2028-2030. En general, la tendencia de esta cifra parece ser coherente con la parte de energía renovable de las predicciones de las Tablas 1 y 2.
