イリジウムの供給とコストは ペム 電解装置の開発における最大の障壁となるでしょうか?
導入
近年、水素は再生可能エネルギーシステムの潜在的なエネルギーキャリアとして考えられており、ネットゼロ排出目標の達成に貢献しています。しかし、従来の水素生産はほぼ完全に化石燃料に依存しています。2020年には、約9,000万トンの水素が化石燃料から生産され、約9億トンのCO2排出量につながりました。
炭素を排出しない水素製造方法は水電解です。風力、太陽光、水力などの再生可能エネルギー源と統合すると、電解装置から生成される水素は温室効果ガスを排出せず、このようにして生成された水素はグリーン水素と呼ばれます。水電解によるグリーン水素製造の主な技術には、以下のものがあります。プロトン交換膜水電解装置（ペムウェ）、陰イオン交換膜水電解装置 (エーエムウェ)、アルカリ水電解装置 (畏敬の念)、および固体酸化物電解装置 (国営企業) です。PEMWEs現在研究の焦点となっている一方、エーエムウェ は将来の方向性を表しています (貴金属を必要としないため)。
PEMWE技術とイリジウムの使用
PEMWEs薄いプロトン交換膜を利用する（ペム）（70〜200μm）の層が陽子を輸送し、陽極と陰極の電極を分離します。そこにはsプラチナ（点数）は、通常炭素に担持された水素発生反応（彼女）の触媒として使用されます。アノード側では、イリジウムが一般的にゆっくりとした酸素発生反応（翻訳）の触媒として使用されます。しかし、イリジウムは地球上で最も希少な元素の1つです（図1を参照）。2020年から2023年の間に、イリジウムのコストはほぼ2倍になります（図2を参照）。イリジウムの負荷が400g/MWで、電流密度が2Vで2A/cm²であると仮定すると、1MWあたりのイリジウムのコストはそこには約 45,000 ドル増加しました。したがって、イリジウムのコストを削減すると、電解装置全体のコストが大幅に削減される可能性があります。これに対処するために、この記事ではまず、イリジウムの需要とコストを含むイリジウムの基本的な経済性を検討します。
イリジウム需要予測
イリジウムはどれくらい必要ですか?
必要なイリジウムの量を決定するには、まず、
そこには市場規模を計算し、単位需要（kg イル/MW）を計算します。
PEM電解装置市場はどのくらい拡大するでしょうか？
2024年までに、合計ペム電解装置の容量は約 4 GW に達します。2021 年には、世界の再生可能エネルギー容量が 300 GW 近く増加し、その大部分は風力と太陽エネルギーによるものでした (図 3 を参照)。この傾向は 2026 年まで 8.3% の年平均成長率 (年平均成長率) で継続し、2030 年までに年間 500 GW 以上増加すると予想されています。
しかし、問題は、この新しいグリーンエネルギーがどれだけ使われるかということだ。ペムグリーン水素を製造するために電気分解は必要でしょうか? 表 1 は、国際エネルギー機関 (2022) からの 3 つの異なる 二酸化炭素 排出シナリオ、手順 (公表政策シナリオ)、エイピーエス (公表公約シナリオ)、ニュージーランド (2050 年までに正味ゼロ排出シナリオ) におけるそのようなデータをまとめたものです。国際エネルギー機関 は、ニュージーランド シナリオでは 2050 年までに 11,433 TWh の電力が水素製造に使用され、エイピーエス シナリオでは 2030 年までに 879 TWh の電力が使用されると予測しています。
表 2 は、これらの予測を 2021 年の 水素 評議会 と マッキンゼー (H2C & マック) の予測と比較したものです。
表2から、H2C & マック (2021) は2050年までに水素製造用のグリーン電力の量を高く見積もっていますが、両方のデータはグリーン水素製造に使用される電力に関して妥当な一致を示しています。したがって、2030年までに再生可能エネルギーの約4〜6％が水素製造に使用されると予想されます（APSシナリオ）。
この記事では、表 3 に示すように、水素生産量と電解装置の容量を推定します。初期には急速な成長が見られ、その後徐々に安定すると予想されます。
2030年までに、グリーン市場の予想成長率は現在の成長率よりもはるかに低くなると予想されます。ペム電解装置などペム電気分解はすでに大きな市場シェアを獲得している。長期的には、この記事の予測は水素協議会の予測と一致しており、ペム電解装置は電解装置市場全体の約40％を占める。2030年までに電解装置の総設置容量は315GWになると推定されており、ペム電解槽の容量は126GWに達する。
表 5 のデータは、H2C & マック (2021)、ゴールドマン サックス (GS) – クラーク ら アル. (2022)、および プラグ 知能 から得たものです。GS (2022) は、強気相場、ベース相場、弱気相場という 3 つの異なるシナリオを考慮しています。
図4は、予測される追加のペム2022年から2030年までの電解容量と再生可能エネルギーの年間成長予測。再生可能エネルギーの予測は、前述の8.3％のCAGRに従います。記事では、当初は新しいグリーンエネルギー供給のごく一部のみが使用されると推定しています。ペム電気分解が主流ですが、この割合は今後数年間で大幅に増加し、2028～2030年までに約6～8％に達するでしょう。全体的に、この数字の傾向は、表1と表2の予測の再生可能エネルギーの部分と一致しているようです。
