ما هي كمية الماء التي يستهلكها التحليل الكهربائي？

ما هي كمية الماء التي يستهلكها التحليل الكهربائي؟

الخطوة الأولى: إنتاج الهيدروجين

يأتي استهلاك المياه من خطوتين: إنتاج الهيدروجين وإنتاج حاملات الطاقة. بالنسبة لإنتاج الهيدروجين، يبلغ الحد الأدنى لاستهلاك الماء المُحلل كهربائيًا حوالي 9 كجم من الماء لكل كجم من الهيدروجين. ومع ذلك، مع الأخذ في الاعتبار عملية إزالة المعادن من الماء، يمكن أن تتراوح هذه النسبة من 18 إلى 24 كيلوجرامًا من الماء لكل كيلوجرام من الهيدروجين، أو حتى تصل إلى 25.7 إلى 30.2..

 

بالنسبة لعملية الإنتاج الحالية (إصلاح بخار الميثان)، يبلغ الحد الأدنى لاستهلاك المياه 4.5 كجم من الماء/كجم من الماء (المطلوب للتفاعل)، مع الأخذ في الاعتبار مياه المعالجة والتبريد، ويبلغ الحد الأدنى لاستهلاك المياه 6.4-32.2 كجم من الماء/كجم من الماء.

 

الخطوة الثانية: مصادر الطاقة (الكهرباء المتجددة أو الغاز الطبيعي)

والعنصر الآخر هو استهلاك المياه لإنتاج الكهرباء المتجددة والغاز الطبيعي. يتراوح استهلاك المياه للطاقة الكهروضوئية بين 50-400 لتر / ميجاوات في الساعة (2.4-19 كجم H2O / كجم H2) وطاقة الرياح بين 5-45 لتر / ميجاوات في الساعة (0.2-2.1 كجم H2O / كجم H2). وبالمثل، يمكن زيادة إنتاج الغاز من الغاز الصخري (استناداً إلى بيانات الولايات المتحدة) من 1.14 كجم من الماء/كجم من الماء إلى 4.9 كجم من الماء/كجم من الماء.

 

في الختام، يبلغ متوسط ​​إجمالي استهلاك المياه من الهيدروجين الناتج عن توليد الطاقة الكهروضوئية وتوليد طاقة الرياح حوالي 32 و22 كجم من الماء/كجم من الماء على التوالي. تأتي أوجه عدم اليقين من الإشعاع الشمسي وعمره ومحتوى السيليكون. إن استهلاك المياه هذا يعادل نفس حجم إنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي (7.6-37 كجم من الماء / كجم من الماء، بمتوسط ​​22 كجم من الماء / كجم من الماء).

 

إجمالي البصمة المائية: أقل عند استخدام الطاقة المتجددة

وكما هو الحال مع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، فإن الشرط الأساسي لانخفاض البصمة المائية لطرق التحليل الكهربائي هو استخدام مصادر الطاقة المتجددة. إذا تم توليد جزء صغير فقط من الكهرباء باستخدام الوقود الأحفوري، فإن استهلاك المياه المرتبط بالكهرباء أعلى بكثير من المياه الفعلية المستهلكة أثناء التحليل الكهربائي.

 

على سبيل المثال، يمكن أن يستخدم توليد الطاقة بالغاز ما يصل إلى 2500 لتر/ ميجاوات ساعة من الماء. وهو أيضًا أفضل حالة بالنسبة للوقود الأحفوري (الغاز الطبيعي). إذا تم أخذ تغويز الفحم في الاعتبار، فإن إنتاج الهيدروجين يمكن أن يستهلك 31-31.8 كجم من الماء/كجم من الماء ويمكن أن يستهلك إنتاج الفحم 14.7 كجم من الماء/كجم من الماء. ومن المتوقع أيضًا أن ينخفض ​​استهلاك المياه من الخلايا الكهروضوئية وطاقة الرياح بمرور الوقت مع زيادة كفاءة عمليات التصنيع وتحسن إنتاج الطاقة لكل وحدة من القدرة المركبة.

 

إجمالي استهلاك المياه في عام 2050

ومن المتوقع أن يستخدم العالم كميات من الهيدروجين في المستقبل أكبر بكثير مما يستخدمه اليوم. على سبيل المثال، تشير تقديرات توقعات تحولات الطاقة العالمية الصادرة عن الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) إلى أن الطلب على الهيدروجين في عام 2050 سيبلغ حوالي 74 إكساجول، سيأتي حوالي ثلثيها من الهيدروجين المتجدد. بالمقارنة، اليوم (الهيدروجين النقي) هو 8.4EJ.

 

وحتى لو تمكن الهيدروجين الإلكتروليتي من تلبية الطلب على الهيدروجين طوال عام 2050، فإن استهلاك المياه سيبلغ حوالي 25 مليار متر مكعب. ويقارن الشكل أدناه هذا الرقم بمصادر استهلاك المياه الأخرى التي صنعها الإنسان. وتستخدم الزراعة الكمية الأكبر وهي 280 مليار متر مكعب من المياه، بينما تستخدم الصناعة ما يقرب من 800 مليار متر مكعب والمدن 470 مليار متر مكعب. ويبلغ استهلاك المياه الحالي لإصلاح الغاز الطبيعي وتغويز الفحم لإنتاج الهيدروجين حوالي 1.5 مليار متر مكعب.

وبالتالي، على الرغم من أنه من المتوقع استهلاك كميات كبيرة من المياه بسبب التغيرات في مسارات التحليل الكهربائي والطلب المتزايد، فإن استهلاك المياه من إنتاج الهيدروجين سيظل أقل بكثير من التدفقات الأخرى التي يستخدمها البشر. والنقطة المرجعية الأخرى هي أن نصيب الفرد من استهلاك المياه يتراوح بين 75 (لوكسمبورغ) و1200 (الولايات المتحدة) متر مكعب سنويا. وبمتوسط ​​400 متر مكعب/ (نصيب الفرد * سنة)، فإن إجمالي إنتاج الهيدروجين في عام 2050 يعادل إنتاج بلد يبلغ عدد سكانه 62 مليون نسمة.

 

ما هي تكلفة المياه وكم الطاقة المستخدمة

 

يكلف

تتطلب الخلايا الإلكتروليتية مياهًا عالية الجودة وتتطلب معالجة المياه. يؤدي انخفاض جودة المياه إلى تدهور أسرع وعمر أقصر. يمكن أن تتأثر العديد من العناصر، بما في ذلك الأغشية والمحفزات المستخدمة في القلويات، بالإضافة إلى الأغشية وطبقات النقل المسامية لـ PEM، سلبًا بشوائب الماء مثل الحديد والكروم والنحاس وما إلى ذلك. يجب أن تكون موصلية الماء أقل من 1μS/ سم وإجمالي الكربون العضوي أقل من 50 ميكروجرام/لتر.

 

تمثل المياه حصة صغيرة نسبيًا من استهلاك الطاقة وتكاليفها. والسيناريو الأسوأ لكلا المعلمتين هو تحلية المياه. والتناضح العكسي هو التكنولوجيا الرئيسية لتحلية المياه، وهو ما يمثل ما يقرب من 70 في المائة من القدرة العالمية. تبلغ تكلفة هذه التكنولوجيا ما بين 1900 إلى 2000 دولار أمريكي لكل متر مكعب في اليوم، ويبلغ معدل منحنى التعلم 15%. وبهذه التكلفة الاستثمارية، تبلغ تكلفة المعالجة حوالي دولار واحد للمتر المكعب، وقد تكون أقل في المناطق التي تكون فيها تكاليف الكهرباء منخفضة.

 

بالإضافة إلى ذلك، سترتفع تكاليف الشحن بنحو 1-2 دولار للمتر المكعب. وحتى في هذه الحالة، تبلغ تكاليف معالجة المياه حوالي 0.05 دولار/كيلو جرام من الماء. ولوضع ذلك في الاعتبار، يمكن أن تتراوح تكلفة الهيدروجين المتجدد بين 2-3 دولارات لكل كجم من الماء إذا توفرت موارد متجددة جيدة، في حين أن تكلفة المورد المتوسط ​​هي 4-5 دولارات لكل كجم من الماء.

 

لذا، في هذا السيناريو المحافظ، ستكلف المياه أقل من 2% من الإجمالي. يمكن أن يؤدي استخدام مياه البحر إلى زيادة كمية المياه المستردة بمقدار 2.5 إلى 5 مرات (من حيث عامل الاسترداد).

 

استهلاك الطاقة

وبالنظر إلى استهلاك الطاقة في تحلية المياه، فهو أيضًا صغير جدًا مقارنة بكمية الكهرباء اللازمة لإدخال الخلية الإلكتروليتية. تستهلك وحدة التناضح العكسي العاملة حاليًا حوالي 3.0 كيلووات/م3. وفي المقابل، تتمتع محطات التحلية الحرارية باستهلاك طاقة أعلى بكثير، حيث يتراوح من 40 إلى 80 كيلووات ساعة/م3، مع متطلبات طاقة إضافية تتراوح من 2.5 إلى 5 كيلووات ساعة/م3، اعتمادًا على تقنية تحلية المياه. وبأخذ الحالة المحافظة (أي ارتفاع الطلب على الطاقة) لمحطة التوليد المشترك للطاقة كمثال، بافتراض استخدام مضخة حرارية، سيتم تحويل الطلب على الطاقة إلى حوالي 0.7 كيلو وات ساعة/كجم من الهيدروجين. ولوضع ذلك في الاعتبار، فإن الطلب على الكهرباء في الخلية الإلكتروليتية يبلغ حوالي 50-55 كيلو وات في الساعة/كجم، وبالتالي، حتى في أسوأ السيناريوهات، يبلغ الطلب على الطاقة لتحلية المياه حوالي 1% من إجمالي مدخلات الطاقة للنظام.

 

أحد تحديات تحلية المياه هو التخلص من المياه المالحة، والتي يمكن أن يكون لها تأثير على النظم البيئية البحرية المحلية. ويمكن معالجة هذا المحلول الملحي بشكل أكبر لتقليل تأثيره البيئي، وبالتالي إضافة 0.6-2.40 دولارًا أمريكيًا للمتر المكعب إلى تكلفة المياه. بالإضافة إلى ذلك، فإن جودة المياه التحليلية أكثر صرامة من مياه الشرب وقد تؤدي إلى ارتفاع تكاليف المعالجة، ولكن لا يزال من المتوقع أن تكون هذه التكلفة صغيرة مقارنة بمدخلات الطاقة.

تعد البصمة المائية للمياه التحليلية لإنتاج الهيدروجين معلمة موقع محددة للغاية تعتمد على توافر المياه المحلية واستهلاكها وتدهورها وتلوثها. وينبغي النظر في توازن النظم الإيكولوجية وتأثير الاتجاهات المناخية طويلة الأجل. سيكون استهلاك المياه عقبة رئيسية أمام توسيع نطاق الهيدروجين المتجدد.