هل سيكون العرض والتكلفة للإيريديوم أكبر عائق أمام تطوير أجهزة التحليل الكهربائي باستخدام البروتونات التبادلية؟
مقدمة
في السنوات الأخيرة، اعتُبر الهيدروجين مصدرًا محتملًا للطاقة لأنظمة الطاقة المتجددة، مما يساهم في تحقيق أهداف الانبعاثات الصفرية الصافية. ومع ذلك، يعتمد إنتاج الهيدروجين التقليدي بالكامل تقريبًا على الوقود الأحفوري. في عام 2020، تم إنتاج حوالي 90 مليون طن من الهيدروجين من الوقود الأحفوري، مما أدى إلى ما يقرب من 900 مليون طن من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
الطريقة الخالية من الكربون لإنتاج الهيدروجين هي التحليل الكهربائي للماء. عند دمجه مع مصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية والطاقة الكهرومائية، فإن الهيدروجين الناتج عن المحللات الكهربائية لا ينبعث منه أي غازات دفيئة، ويشار إلى الهيدروجين المنتج بهذه الطريقة باسم الهيدروجين الأخضر. تتضمن التقنيات الرئيسية لإنتاج الهيدروجين الأخضر من خلال التحليل الكهربائي للماء ما يلي:أجهزة التحليل الكهربائي لغشاء تبادل البروتون (بيموي)أجهزة تحليل الماء الغشائي التبادلي الأنيوني (أيموي)، وأجهزة تحليل الماء القلوي (عوالم أخرى)، وأجهزة تحليل الأكسيد الصلب (الشركات المملوكة للدولة).بيمويتشكل هذه المعادن حاليًا محورًا للبحث، في حين تمثل أيموي الاتجاه المستقبلي (لأنها لا تتطلب معادن ثمينة).
تكنولوجيا بيموي واستخدام الإيريديوم
بيموياستخدام أغشية تبادل البروتون الرقيقة (بيم) (70–200 ميكرومتر) لنقل البروتونات وفصل أقطاب الأنود والكاثود. على جانب الكاثود منهناكسيستخدم البلاتين (نقطة) لتحفيز تفاعل تطور الهيدروجين (ها)، والذي يعتمد عادةً على الكربون. وعلى جانب الأنود، يستخدم الإيريديوم عادةً لتحفيز تفاعل تطور الأكسجين البطيء (الموارد التعليمية المفتوحة). ومع ذلك، يعد الإيريديوم أحد أندر العناصر على الأرض (انظر الشكل 1). بين عامي 2020 و2023، تضاعفت تكلفة الإيريديوم تقريبًا (انظر الشكل 2). وبافتراض تحميل إيريديوم يبلغ 400 جرام/ميجاواط وكثافة تيار تبلغ 2 أمبير/سم² عند 2 فولت، فإن تكلفة الإيريديوم لكل 1 ميجاواطهناكوقد ارتفعت تكلفة الإيريديوم بنحو 45000 دولار. وبالتالي، فإن خفض تكلفة الإيريديوم قد يؤدي إلى خفض التكلفة الإجمالية لجهاز التحليل الكهربائي بشكل كبير. ولمعالجة هذا، سوف تستكشف هذه المقالة أولاً الاقتصاد الأساسي للإيريديوم، بما في ذلك الطلب عليه وتكلفته.
توقعات الطلب على الإيريديوم
ما هي كمية الإيريديوم المطلوبة؟
لتحديد كمية الإيريديوم المطلوبة، من الضروري أولاً تقدير الحجم الإجمالي لـ
هناكالسوق ومن ثم حساب الطلب على الوحدة (كجم إريديوم/ميجا وات).
ما هو حجم التوسع الذي سيشهده سوق أجهزة التحليل الكهربائي بيم؟
ومن المتوقع أنه بحلول عام 2024، سيكون إجماليبيمستصل قدرة المحلل الكهربائي إلى حوالي 4 جيجاوات. في عام 2021، زادت قدرة الطاقة المتجددة العالمية بنحو 300 جيجاوات، وجاءت غالبيتها من طاقة الرياح والطاقة الشمسية (انظر الشكل 3). ومن المتوقع أن يستمر هذا الاتجاه بمعدل نمو سنوي مركب بنسبة 8.3٪ حتى عام 2026، مما يؤدي إلى زيادة تزيد عن 500 جيجاوات سنويًا بحلول عام 2030.
لكن السؤال هو ما مقدار الطاقة الخضراء الجديدة التي سيتم استخدامها؟بيمهل يمكن استخدام التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين الأخضر؟ يجمع الجدول 1 مثل هذه البيانات من وكالة الطاقة الدولية (2022) في ثلاثة سيناريوهات مختلفة لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون: سيناريو السياسات المعلنة (خطوات)، وسيناريو التعهدات المعلنة (أ.ب.س)، وسيناريو الانبعاثات الصفرية الصافية بحلول عام 2050 (نيوزيلندا). تتوقع وكالة الطاقة الدولية أنه في سيناريو الانبعاثات الصفرية الصافية، سيتم استخدام 11433 تيراواط/ساعة من الكهرباء لإنتاج الهيدروجين بحلول عام 2050، وسيتم استخدام 879 تيراواط/ساعة بحلول عام 2030 في سيناريو أ.ب.س.
يقارن الجدول 2 هذه التوقعات مع تلك الصادرة عن مجلس الهيدروجين وشركة ماكينزي (H2C & ماك) في عام 2021.
من الجدول 2، يمكن ملاحظة أن H2C وMcK (2021) يقدران كمية أعلى من الكهرباء الخضراء لإنتاج الهيدروجين بحلول عام 2050، لكن البيانات من كلا الجانبين تظهر تطابقًا معقولاً للكهرباء المستخدمة لإنتاج الهيدروجين الأخضر. لذلك، من المتوقع أن يتم استخدام حوالي 4-6٪ من الطاقة المتجددة لإنتاج الهيدروجين بحلول عام 2030 (سيناريو أ.ب.س).
تقوم هذه المقالة بتقدير إنتاج الهيدروجين وسعة المحلل الكهربائي، كما هو موضح في الجدول 3. ومن المتوقع أن يحدث نمو سريع في السنوات الأولى، يتبعه استقرار تدريجي.
بحلول عام 2030، من المتوقع أن يكون النمو المتوقع للسوق الخضراء أقل بكثير من معدل النمو الحاليبيمالمحللات الكهربائية، مثلبيملقد اكتسب التحليل الكهربائي بالفعل حصة سوقية كبيرة. وعلى المدى الطويل، تتوافق التوقعات في هذه المقالة مع توقعات مجلس الهيدروجين، على افتراض أنبيمستشكل أجهزة التحليل الكهربائي حوالي 40% من إجمالي سوق أجهزة التحليل الكهربائي. ومن المتوقع أن تبلغ القدرة الإجمالية لأجهزة التحليل الكهربائي المركبة 315 جيجاوات بحلول عام 2030،بيمستصل قدرة المحلل الكهربائي إلى 126 جيجاوات.
البيانات الواردة في الجدول 5 مأخوذة من H2C & ماك (2021)، وGoldman ساكس (جي اس) – كلارك وآخرون ال. (2022)، وPlug ذكاء. وتنظر جي اس (2022) في ثلاثة سيناريوهات مختلفة: السوق الصاعدة والقاعدية والهابطة.
يوضح الشكل 4 التكلفة الإضافية المتوقعةبيمالقدرة الإنتاجية لمحلل كهربائي من عام 2022 إلى عام 2030، جنبًا إلى جنب مع التوقعات للنمو السنوي للطاقة المتجددة. تتبع التوقعات الخاصة بالطاقة المتجددة الجديدة معدل النمو السنوي المركب بنسبة 8.3% المذكور أعلاه. تقدر المقالة أنه في البداية، سيتم استخدام جزء صغير فقط من إمدادات الطاقة الخضراء الجديدةبيمإن استخدام التحليل الكهربائي في توليد الطاقة من الغاز الطبيعي سوف يزيد بشكل كبير في السنوات القادمة، حيث سيصل إلى حوالي 6-8% بحلول عام 2028-2030. وبشكل عام، يبدو أن الاتجاه في هذا الشكل يتوافق مع جزء الطاقة المتجددة من التوقعات في الجدول 1 والجدول 2.
