Колко вода се изразходва при електролиза
Първа стъпка: Производство на водород
Консумацията на вода идва от две стъпки: производство на водород и производство на енергиен носител нагоре по веригата. За производството на водород минималната консумация на електролизирана вода е приблизително 9 килограма вода на килограм водород. Въпреки това, като се вземе предвид процеса на деминерализация на водата, това съотношение може да варира от 18 до 24 килограма вода на килограм водород или дори от 25,7 до 30,2.
За съществуващия производствен процес (преобразуване на метанова пара), минималната консумация на вода е 4,5 kgH2O/kgH2 (необходима за реакция), като се вземат предвид технологичната вода и охлаждането, минималната консумация на вода е 6,4-32,2kgH2O/kgH2.
Стъпка 2: Енергийни източници (възобновяема електроенергия или природен газ)
Друг компонент е потреблението на вода за производство на възобновяема електроенергия и природен газ. Консумацията на вода от фотоволтаична енергия варира между 50-400 литра /MWh (2,4-19kgH2O/kgH2), а тази от вятърна енергия между 5-45 литра /MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). По същия начин производството на газ от шистов газ (въз основа на данни от САЩ) може да се увеличи от 1,14 kgH2O/kgH2 до 4,9kgH2O/kgH2.
В заключение, средната обща консумация на вода от водород, генериран от фотоволтаично производство на електроенергия и производство на вятърна енергия, е съответно около 32 и 22 kgH2O/kgH2. Несигурността идва от слънчевата радиация, живота и съдържанието на силиций. Тази консумация на вода е от същия порядък като производството на водород от природен газ (7,6-37 kgh2o /kgH2, със средно 22kgH2O/kgH2).
Общ воден отпечатък: По-нисък при използване на възобновяема енергия
Подобно на емисиите на CO2, предпоставка за нисък воден отпечатък за електролитни маршрути е използването на възобновяеми енергийни източници. Ако само малка част от електричеството се генерира с помощта на изкопаеми горива, потреблението на вода, свързано с електричеството, е много по-високо от действителното потребление на вода по време на електролиза.
Например, производството на електроенергия от газ може да използва до 2500 литра /MWh вода. Това е и най-добрият случай за изкопаеми горива (природен газ). Ако се вземе предвид газификацията на въглища, производството на водород може да изразходва 31-31,8 kgH2O/kgH2, а производството на въглища може да изразходва 14,7kgH2O/kgH2. Потреблението на вода от фотоволтаици и вятър също се очаква да намалее с течение на времето, тъй като производствените процеси стават по-ефективни и производството на енергия на единица инсталиран капацитет се подобрява.
Общото потребление на вода през 2050 г
Очаква се в бъдеще светът да използва многократно повече водород, отколкото днес. Например прогнозата за световните енергийни преходи на IRENA изчислява, че търсенето на водород през 2050 г. ще бъде около 74 EJ, от които около две трети ще идват от възобновяем водород. За сравнение, днес (чистият водород) е 8,4EJ.
Дори ако електролитният водород може да задоволи търсенето на водород за цялата 2050 г., потреблението на вода ще бъде около 25 милиарда кубически метра. Фигурата по-долу сравнява тази цифра с други водни потоци, създадени от човека. Селското стопанство използва най-голямо количество от 280 милиарда кубически метра вода, докато индустрията използва близо 800 милиарда кубически метра, а градовете използват 470 милиарда кубически метра. Текущото потребление на вода за преобразуване на природен газ и газификация на въглища за производство на водород е около 1,5 милиарда кубически метра.
По този начин, въпреки че се очаква да бъдат консумирани големи количества вода поради промените в електролитните пътища и нарастващото търсене, потреблението на вода от производството на водород все още ще бъде много по-малко от другите потоци, използвани от хората. Друга отправна точка е, че потреблението на вода на глава от населението е между 75 (Люксембург) и 1200 (САЩ) кубически метра годишно. При средно 400 m3 / (на глава от населението * година), общото производство на водород през 2050 г. е еквивалентно на това на страна от 62 милиона души.
Колко струва вода и колко енергия се използва
цена
Електролитните клетки изискват висококачествена вода и изискват пречистване на водата. Водата с по-ниско качество води до по-бързо разграждане и по-кратък живот. Много елементи, включително диафрагми и катализатори, използвани в алкали, както и мембраните и порестите транспортни слоеве на PEM, могат да бъдат неблагоприятно повлияни от водни примеси като желязо, хром, мед и др. Проводимостта на водата трябва да бъде по-малка от 1μS/ cm и общ органичен въглерод под 50 μg/L.
Водата представлява сравнително малък дял от потреблението на енергия и разходите. Най-лошият сценарий и за двата параметъра е обезсоляването. Обратната осмоза е основната технология за обезсоляване, представляваща почти 70 процента от световния капацитет. Технологията струва $1900- $2000 / m³/d и има крива на обучение от 15%. При тези инвестиционни разходи разходите за обработка са около $1/m³ и може да са по-ниски в райони, където разходите за електроенергия са ниски.
В допълнение, разходите за доставка ще се увеличат с около $1-2 на m³. Дори в този случай разходите за пречистване на водата са около $0,05/kgH2. За да поставим това в перспектива, цената на възобновяемия водород може да бъде $2-3/kgH2, ако са налични добри възобновяеми ресурси, докато цената на средния ресурс е $4-5/kgH2.
Така че в този консервативен сценарий водата ще струва по-малко от 2 процента от общата цена. Използването на морска вода може да увеличи количеството възстановена вода от 2,5 до 5 пъти (по отношение на коефициента на възстановяване).
Консумация на енергия
Разглеждайки консумацията на енергия при обезсоляване, тя също е много малка в сравнение с количеството електроенергия, необходимо за въвеждане на електролитната клетка. Текущо работещият уред за обратна осмоза консумира около 3,0 kW/m3. За разлика от тях, термичните инсталации за обезсоляване имат много по-висока консумация на енергия, варираща от 40 до 80 KWH/m3, с допълнителни изисквания за мощност, вариращи от 2,5 до 5 KWH/m3, в зависимост от технологията за обезсоляване. Вземайки консервативния случай (т.е. по-високо търсене на енергия) на когенерационна инсталация като пример, приемайки използването на термопомпа, потреблението на енергия ще бъде преобразувано в около 0,7kWh/kg водород. За да поставим това в перспектива, потреблението на електроенергия на електролитната клетка е около 50-55kWh/kg, така че дори и в най-лошия сценарий потреблението на енергия за обезсоляване е около 1% от общата енергия, вложена в системата.
Едно от предизвикателствата на обезсоляването е изхвърлянето на солена вода, което може да окаже въздействие върху местните морски екосистеми. Тази саламура може да бъде допълнително обработена, за да се намали въздействието й върху околната среда, като по този начин се добавят още $0,6-2,40 /m³ към цената на водата. В допълнение, качеството на електролитната вода е по-строго от това на питейната вода и може да доведе до по-високи разходи за пречистване, но това все още се очаква да бъде малко в сравнение с входящата мощност.
Водният отпечатък на електролитната вода за производство на водород е много специфичен параметър за местоположение, който зависи от местната наличност на вода, потреблението, разграждането и замърсяването. Трябва да се вземе предвид балансът на екосистемите и въздействието на дългосрочните климатични тенденции. Потреблението на вода ще бъде основна пречка за увеличаването на възобновяемия водород.
Време на публикуване: март-08-2023