O fornecimento e o custo do irídio serão a maior barreira ao desenvolvimento de eletrolisadores PEM?
Introdução
Nos últimos anos, o hidrogênio tem sido considerado um potencial transportador de energia para sistemas de energia renovável, contribuindo para atingir metas de emissão líquida zero. No entanto, a produção tradicional de hidrogênio depende quase inteiramente de combustíveis fósseis. Em 2020, cerca de 90 milhões de toneladas de hidrogênio foram produzidas a partir de combustíveis fósseis, levando a quase 900 milhões de toneladas de emissões de CO2.
O método livre de carbono de produção de hidrogênio é a eletrólise da água. Quando integrado com fontes de energia renováveis, como eólica, solar e hidrelétrica, o hidrogênio gerado por eletrolisadores tem zero emissões de gases de efeito estufa, e o hidrogênio produzido dessa forma é chamado de "green hydrogen." As principais tecnologias para produção de hidrogênio verde por eletrólise da água incluemEletrolisadores de água com membrana de troca de prótons (PEMWEs), Eletrolisadores de Água por Membrana de Troca Aniônica (AEMWEs), Eletrolisadores de Água Alcalina (AWEs) e Eletrolisadores de Óxido Sólido (SOEs).PEMWEssão atualmente o foco da pesquisa, enquanto os AEMWEs representam a direção futura (já que não requerem metais preciosos).
Tecnologia PEMWE e uso de irídio
PEMWEsutilizar membranas finas de troca de prótons (PEM) (70–200 µm) para transportar prótons e separar os eletrodos do ânodo e do cátodo. No lado do cátodoLÁe, a platina (Pt) é usada para catalisar a reação de evolução do hidrogênio (HER), normalmente suportada em carbono. No lado do ânodo, o irídio é comumente usado para catalisar a reação de evolução lenta do oxigênio (OER). No entanto, o irídio é um dos elementos mais raros da Terra (veja a Figura 1). Entre 2020 e 2023, o custo do irídio quase dobrou (veja a Figura 2). Assumindo uma carga de irídio de 400g/MW e uma densidade de corrente de 2A/cm² a 2V, o custo do irídio por 1 MWLÁaumentou em aproximadamente $45.000. Portanto, reduzir o custo do irídio poderia reduzir significativamente o custo geral do eletrolisador. Para abordar isso, este artigo explorará primeiro a economia básica do irídio, incluindo sua demanda e custo.
Previsão de demanda de irídio
Quanta quantidade de irídio é necessária?
Para determinar a quantidade de irídio necessária, é essencial primeiro estimar o tamanho total do
LÁmercado e então calcular a demanda unitária (kg Ir/MW).
Quanto o mercado de eletrolisadores PEM se expandirá?
Espera-se que até 2024 o totalPEMa capacidade do eletrolisador atingirá cerca de 4 GW. Em 2021, a capacidade global de energia renovável aumentou em quase 300 GW, a maioria dos quais veio da energia eólica e solar (veja a Figura 3). Espera-se que essa tendência continue com uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 8,3% até 2026, levando a um aumento de mais de 500 GW anualmente até 2030.
A questão, porém, é saber que parte desta nova energia verde será utilizada paraPEMeletrólise para produzir hidrogênio verde? A Tabela 1 compila esses dados da IEA (2022) em três cenários diferentes de emissão de CO2: STEPS (Stated Policies Scenario), APS (Announced Pledges Scenario) e NZE (Net Zero Emissions by 2050 Scenario). A IEA projeta que, no cenário NZE, 11.433 TWh de eletricidade serão usados para produção de hidrogênio até 2050, e 879 TWh serão usados até 2030 no cenário APS.
A Tabela 2 compara essas projeções com as do Hydrogen Council e da McKinsey (H2C e McK) em 2021.
Da Tabela 2, pode-se observar que H2C & McK (2021) estimam uma quantidade maior de eletricidade verde para produção de hidrogênio até 2050, mas os dados de ambos os lados mostram uma correspondência razoável para eletricidade usada para produção de hidrogênio verde. Portanto, espera-se que cerca de 4-6% da energia renovável seja usada para produção de hidrogênio até 2030 (cenário APS).
Este artigo estima a produção de hidrogênio e a capacidade do eletrolisador, conforme mostrado na Tabela 3. Espera-se que ocorra um rápido crescimento nos primeiros anos, seguido por uma estabilização gradual.
Até 2030, o crescimento esperado do mercado verde será muito inferior à taxa de crescimento atualPEMeletrolisadores, comoPEMeletrólise já ganhou uma fatia significativa do mercado. A longo prazo, a previsão neste artigo se alinha com as previsões do Hydrogen Council, assumindo quePEMeletrolisadores serão responsáveis por cerca de 40% do mercado total de eletrolisadores. Com uma capacidade total instalada estimada de eletrolisadores de 315 GW até 2030,PEMa capacidade do eletrolisador chegará a 126 GW.
Os dados da Tabela 5 vêm de H2C & McK (2021), Goldman Sachs (GS) – Clark et al. (2022) e Plug Intelligence. GS (2022) considera três cenários diferentes: mercado de alta, base e mercado de baixa.
A Figura 4 mostra o adicional projetadoPEMcapacidade do eletrolisador de 2022 a 2030, juntamente com previsões para o crescimento anual de energia renovável. A previsão para nova energia renovável segue o CAGR de 8,3% mencionado acima. O artigo estima que, inicialmente, apenas uma pequena parte do novo fornecimento de energia verde será usada paraPEMeletrólise, mas essa proporção aumentará significativamente nos próximos anos, atingindo cerca de 6-8% até 2028-2030. No geral, a tendência nesta figura parece ser consistente com a porção de energia renovável das previsões na Tabela 1 e Tabela 2.
