Колькі вады расходуецца пры электролізе
Крок першы: Вытворчасць вадароду
Спажыванне вады адбываецца з двух этапаў: вытворчасці вадароду і вытворчасці энерганосьбітаў вышэй па плыні. Для вытворчасці вадароду мінімальны расход электралізаванай вады складае прыблізна 9 кілаграмаў вады на кілаграм вадароду. Аднак, прымаючы пад увагу працэс дэмінералізацыі вады, гэты каэфіцыент можа вагацца ад 18 да 24 кілаграмаў вады на кілаграм вадароду ці нават ад 25,7 да 30,2.
Для існуючага вытворчага працэсу (паравая канверсія метану) мінімальнае спажыванне вады складае 4,5 кгH2O/кгH2 (неабходна для рэакцыі), з улікам тэхналагічнай вады і астуджэння мінімальнае спажыванне вады складае 6,4-32,2 кгH2O/кгH2.
Крок 2: Крыніцы энергіі (аднаўляльная электраэнергія або прыродны газ)
Іншы кампанент - спажыванне вады для вытворчасці аднаўляльнай электраэнергіі і прыроднага газу. Спажыванне вады фотаэлектрычнай электраэнергіяй вагаецца ў межах 50-400 літраў / МВт-гадз (2,4-19 кг H2O/кг H2), а ветравой энергіяй - ад 5-45 літраў / МВт-гадз (0,2-2,1 кг H2O/кг H2). Аналагічным чынам здабыча газу са сланцавага газу (на аснове дадзеных ЗША) можа быць павялічана з 1,14 кг H2O/кг H2 да 4,9 кг H2O/кг H2.
У заключэнне можна сказаць, што сярэдняе агульнае спажыванне вадароду, які выпрацоўваецца фотаэлектрычнай і ветравой электраэнергіяй, складае адпаведна каля 32 і 22 кгH2O/кгH2. Нявызначанасці звязаны з сонечнай радыяцыяй, працягласцю жыцця і ўтрыманнем крэмнію. Гэта спажыванне вады на той жа парадак велічыні, што і вытворчасць вадароду з прыроднага газу (7,6-37 kgh2o /kgH2, у сярэднім 22kgH2O/кгH2).
Агульны водны след: ніжэй пры выкарыстанні аднаўляльных крыніц энергіі
Як і ў выпадку з выкідамі CO2, неабходнай умовай нізкага воднага следу для электралітычных маршрутаў з'яўляецца выкарыстанне аднаўляльных крыніц энергіі. Калі толькі невялікая частка электраэнергіі выпрацоўваецца з выкарыстаннем выкапнёвага паліва, спажыванне вады, звязанае з электраэнергіяй, значна вышэй, чым фактычнае спажыванне вады падчас электролізу.
Напрыклад, пры выпрацоўцы газавай электраэнергіі можа выкарыстоўвацца да 2500 літраў/МВт-г вады. Гэта таксама лепшы варыянт для выкапнёвага паліва (прыроднага газу). Калі ўлічваць газіфікацыю вугалю, для вытворчасці вадароду можа спатрэбіцца 31-31,8 кг H2O/кг H2, а для вытворчасці вугалю - 14,7 кг H2O/кг H2. Чакаецца, што спажыванне вады ад фотаэлектрыкі і ветру з цягам часу паменшыцца, калі вытворчыя працэсы стануць больш эфектыўнымі, а выхад энергіі на адзінку ўсталяванай магутнасці палепшыцца.
Агульнае спажыванне вады ў 2050 г
Чакаецца, што ў будучыні свет будзе выкарыстоўваць у шмат разоў больш вадароду, чым сёння. Напрыклад, паводле ацэнак IRENA World Energy Transitions Outlook, попыт на вадарод у 2050 годзе складзе каля 74 EJ, з якіх прыкладна дзве траціны будуць атрыманы з аднаўляльных крыніц вадароду. Для параўнання, сёння (чысты вадарод) складае 8,4EJ.
Нават калі электралітычны вадарод можа задаволіць попыт на вадарод на ўвесь 2050 год, спажыванне вады складзе каля 25 мільярдаў кубаметраў. На малюнку ніжэй гэты паказчык параўноўваецца з іншымі тэхнагеннымі патокамі спажывання вады. Больш за ўсё вады спажываецца ў сельскай гаспадарцы — 280 мільярдаў кубаметраў, у прамысловасці — амаль 800 мільярдаў кубаметраў, у гарадах — 470 мільярдаў кубаметраў. Цяперашняе спажыванне вады пры канверсіі прыроднага газу і газіфікацыі вугалю для вытворчасці вадароду складае каля 1,5 мільярда кубічных метраў.
Такім чынам, хаця чакаецца спажыванне вялікай колькасці вады з-за змяненняў у электралітычных шляхах і росту попыту, спажыванне вады пры вытворчасці вадароду ўсё роўна будзе значна меншым, чым іншыя патокі, якія выкарыстоўваюцца людзьмі. Іншым арыенцірам з'яўляецца тое, што спажыванне вады на душу насельніцтва складае ад 75 (Люксембург) да 1200 (ЗША) кубаметраў у год. У сярэднім 400 м3 / (на душу насельніцтва * год) агульная вытворчасць вадароду ў 2050 г. эквівалентная вытворчасці краіны з насельніцтвам у 62 мільёны чалавек.
Колькі каштуе вады і колькі энергіі выкарыстоўваецца
кошт
Электралітычныя элементы патрабуюць высокай якасці вады і патрабуюць ачысткі вады. Вада больш нізкай якасці прыводзіць да больш хуткай дэградацыі і скарачэння жыцця. Многія элементы, у тым ліку дыяфрагмы і каталізатары, якія выкарыстоўваюцца ў шчолачах, а таксама мембраны і порыстыя транспартныя слаі PEM, могуць падвяргацца негатыўнаму ўплыву прымешак вады, такіх як жалеза, хром, медзь і г.д. Праводнасць вады павінна быць менш за 1 мкСм/ см і агульны арганічны вуглярод менш за 50 мкг/л.
Вода займае адносна невялікую долю спажывання энергіі і выдаткаў. Найгоршым сцэнарыем для абодвух параметраў з'яўляецца апрасненне вады. Зваротны осмос з'яўляецца асноўнай тэхналогіяй апраснення вады, на долю якой прыпадае амаль 70 працэнтаў сусветных магутнасцей. Тэхналогія каштуе $1900-$2000 / м³/сут і мае хуткасць навучання 15%. Пры такіх інвестыцыйных выдатках кошт апрацоўкі складае прыкладна 1 долар ЗША за м³ і можа быць ніжэй у тых раёнах, дзе кошт электраэнергіі нізкі.
Акрамя таго, кошт дастаўкі вырасце прыкладна на $1-2 за м³. Нават у гэтым выпадку выдаткі на ачыстку вады складаюць каля $0,05/кгH2. Каб паказаць гэта ў перспектыве, кошт аднаўляльнага вадароду можа складаць $2-3/кгH2 пры наяўнасці добрых аднаўляльных рэсурсаў, у той час як кошт сярэдняга рэсурсу складае $4-5/кгH2.
Такім чынам, у гэтым кансерватыўным сцэнары вада будзе каштаваць менш за 2 працэнты ад агульнай колькасці. Выкарыстанне марской вады можа павялічыць колькасць здабываемай вады ў 2,5-5 разоў (па каэфіцыенту аднаўлення).
Спажыванне энергіі
Гледзячы на энергаспажыванне апраснення, яно таксама вельмі малае ў параўнанні з колькасцю электраэнергіі, неабходнай для ўводу электралітычнай ячэйкі. Цяперашняя ўстаноўка зваротнага осмасу спажывае каля 3,0 кВт/м3. Наадварот, тэрмічныя апрасняльныя ўстаноўкі маюць значна большае спажыванне энергіі, якое складае ад 40 да 80 кВт·гадз/м3, з дадатковымі патрабаваннямі да магутнасці ад 2,5 да 5 кВт·г/м3, у залежнасці ад тэхналогіі апраснення. Прымаючы ў якасці прыкладу кансерватыўны варыянт (г.зн. больш высокую патрэбу ў энергіі) кагенерацыйнай устаноўкі, пры ўмове выкарыстання цеплавой помпы, патрэба ў энергіі будзе пераўтворана прыкладна ў 0,7 кВт.гадз/кг вадароду. Каб паказаць гэта ў перспектыве, патрэба ў электраэнергіі для электралітычнай ячэйкі складае каля 50-55 кВт.гадз/кг, таму нават у горшым выпадку патрэба ў энергіі для апраснення складае каля 1% ад агульнай энергіі, якая паступае ў сістэму.
Адной з праблем апраснення вады з'яўляецца ўтылізацыя салёнай вады, якая можа паўплываць на мясцовыя марскія экасістэмы. Гэты расол можа падвяргацца дадатковай апрацоўцы, каб паменшыць яго ўздзеянне на навакольнае асяроддзе, што дадасць да кошту вады яшчэ 0,6-2,40 $/м³. Акрамя таго, якасць электралітычнай вады з'яўляецца больш жорсткай, чым пітной вады, і можа прывесці да больш высокіх выдаткаў на ачыстку, але чакаецца, што яны будуць невялікімі ў параўнанні з спажыванай магутнасцю.
Водны след электралітычнай вады для вытворчасці вадароду з'яўляецца вельмі спецыфічным параметрам месцазнаходжання, які залежыць ад мясцовай наяўнасці вады, спажывання, дэградацыі і забруджвання. Варта ўлічваць баланс экасістэм і ўплыў доўгатэрміновых кліматычных тэндэнцый. Спажыванне вады будзе галоўнай перашкодай для пашырэння аднаўляльных крыніц вадароду.
Час публікацыі: 8 сакавіка 2023 г