Koliko vode se troši elektrolizom
Prvi korak: Proizvodnja vodonika
Potrošnja vode dolazi iz dva koraka: proizvodnje vodonika i proizvodnje energenta uzvodno. Za proizvodnju vodonika, minimalna potrošnja elektrolizirane vode je otprilike 9 kilograma vode po kilogramu vodika. Međutim, uzimajući u obzir proces demineralizacije vode, ovaj omjer se može kretati od 18 do 24 kilograma vode po kilogramu vodika, pa čak i od 25,7 do 30,2.
Za postojeći proizvodni proces (reformisanje metanske pare), minimalna potrošnja vode je 4,5 kgH2O/kgH2 (potrebno za reakciju), uzimajući u obzir procesnu vodu i hlađenje, minimalna potrošnja vode je 6,4-32,2kgH2O/kgH2.
Korak 2: Izvori energije (obnovljiva električna energija ili prirodni plin)
Druga komponenta je potrošnja vode za proizvodnju obnovljive električne energije i prirodnog plina. Potrošnja vode fotonaponske energije varira između 50-400 litara/MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2), a energije vjetra između 5-45 litara/MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2). Slično, proizvodnja gasa iz gasa iz škriljaca (na osnovu američkih podataka) može se povećati sa 1,14 kgH2O/kgH2 na 4,9kgH2O/kgH2.
U zaključku, prosječna ukupna potrošnja vodonika proizvedenog fotonaponskom proizvodnjom i proizvodnjom energije vjetra je oko 32 odnosno 22 kgH2O/kgH2. Nesigurnosti proizlaze iz sunčevog zračenja, vijeka trajanja i sadržaja silicija. Ova potrošnja vode je istog reda veličine kao i proizvodnja vodonika iz prirodnog gasa (7,6-37 kgh2o/kgH2, sa prosjekom od 22kgH2O/kgH2).
Ukupni vodeni otisak: manji kada se koristi obnovljiva energija
Slično emisiji CO2, preduvjet za niski vodeni otisak za elektrolitičke puteve je korištenje obnovljivih izvora energije. Ako se samo mali dio električne energije proizvodi korištenjem fosilnih goriva, potrošnja vode povezana s električnom energijom je mnogo veća od stvarne potrošene vode tokom elektrolize.
Na primjer, proizvodnja električne energije na plin može koristiti do 2.500 litara /MWh vode. To je takođe najbolji slučaj za fosilna goriva (prirodni gas). Ako se razmatra gasifikacija uglja, proizvodnja vodonika može potrošiti 31-31,8 kgH2O/kgH2, a proizvodnja uglja može potrošiti 14,7kgH2O/kgH2. Takođe se očekuje da će se potrošnja vode iz fotonaponske i vjetroelektrane smanjivati tokom vremena kako proizvodni procesi postaju efikasniji i povećava se proizvodnja energije po jedinici instaliranog kapaciteta.
Ukupna potrošnja vode u 2050
Očekuje se da će svijet u budućnosti koristiti mnogo puta više vodonika nego danas. Na primjer, IRENA-in World Energy Transitions Outlook procjenjuje da će potražnja za vodonikom 2050. godine biti oko 74EJ, od čega će oko dvije trećine dolaziti iz obnovljivog vodonika. Poređenja radi, danas (čisti vodonik) iznosi 8,4EJ.
Čak i kada bi elektrolitički vodonik mogao zadovoljiti potrebe za vodonikom za cijelu 2050., potrošnja vode bi bila oko 25 milijardi kubnih metara. Slika ispod upoređuje ovu cifru sa drugim tokovima potrošnje vode koje je napravio čovjek. Poljoprivreda koristi najveću količinu od 280 milijardi kubnih metara vode, dok industrija koristi skoro 800 milijardi kubnih metara, a gradovi 470 milijardi kubnih metara. Trenutna potrošnja vode za reformu prirodnog gasa i gasifikaciju uglja za proizvodnju vodonika iznosi oko 1,5 milijardi kubnih metara.
Stoga, iako se očekuje da će se potrošiti velike količine vode zbog promjena u elektrolitičkim putevima i rastuće potražnje, potrošnja vode iz proizvodnje vodonika i dalje će biti mnogo manja od drugih tokova koje koriste ljudi. Druga referentna tačka je da je potrošnja vode po glavi stanovnika između 75 (Luksemburg) i 1.200 (SAD) kubnih metara godišnje. U prosjeku od 400 m3 / (po glavi stanovnika * godišnje), ukupna proizvodnja vodonika 2050. godine je ekvivalentna onoj u zemlji od 62 miliona ljudi.
Koliko košta voda i koliko energije se troši
trošak
Elektrolitičke ćelije zahtijevaju vodu visokog kvaliteta i zahtijevaju tretman vode. Voda slabijeg kvaliteta dovodi do brže degradacije i kraćeg vijeka trajanja. Na mnoge elemente, uključujući dijafragme i katalizatore koji se koriste u alkalijama, kao i na membrane i porozne transportne slojeve PEM-a, mogu negativno uticati nečistoće vode kao što su gvožđe, hrom, bakar, itd. Provodljivost vode mora biti manja od 1 μS/ cm i ukupni organski ugljik manji od 50μg/L.
Voda čini relativno mali udio u potrošnji energije i troškovima. Najgori scenario za oba parametra je desalinizacija. Reverzna osmoza je glavna tehnologija za desalinizaciju, koja čini gotovo 70 posto globalnog kapaciteta. Tehnologija košta 1900-2000 USD/m³/d i ima stopu krivulje učenja od 15%. Uz ovu investicionu cijenu, trošak tretmana je oko 1 USD/m³ i može biti niži u područjima gdje su troškovi električne energije niski.
Osim toga, troškovi dostave će se povećati za oko 1-2 USD po m³. Čak iu ovom slučaju, troškovi tretmana vode iznose oko 0,05 USD/kg H2. Da se ovo stavi u perspektivu, cijena obnovljivog vodonika može biti 2-3 USD/kgH2 ako su dostupni dobri obnovljivi resursi, dok je cijena prosječnog resursa 4-5 USD/kgH2.
Dakle, u ovom konzervativnom scenariju, voda bi koštala manje od 2 posto ukupnog iznosa. Korištenje morske vode može povećati količinu obnovljene vode za 2,5 do 5 puta (u smislu faktora oporavka).
Potrošnja energije
Gledajući potrošnju energije desalinizacije, ona je također vrlo mala u usporedbi s količinom električne energije koja je potrebna za unos elektrolitičke ćelije. Trenutna radna jedinica za reverznu osmozu troši oko 3,0 kW/m3. Nasuprot tome, postrojenja za termičku desalinizaciju imaju mnogo veću potrošnju energije, u rasponu od 40 do 80 KWH/m3, s dodatnim zahtjevima za snagom u rasponu od 2,5 do 5 KWH/m3, ovisno o tehnologiji desalinizacije. Uzimajući za primjer konzervativni slučaj (tj. veće potražnje za energijom) kogeneracijskog postrojenja, uz pretpostavku korištenja toplotne pumpe, potražnja za energijom bi se pretvorila u oko 0,7 kWh/kg vodonika. Da se ovo stavi u perspektivu, potražnja za električnom energijom elektrolitičke ćelije je oko 50-55kWh/kg, tako da čak iu najgorem slučaju, potražnja za energijom za desalinizaciju iznosi oko 1% ukupne energije uložene u sistem.
Jedan od izazova desalinizacije je odlaganje slane vode, koja može imati utjecaj na lokalne morske ekosisteme. Ova slana voda se može dalje tretirati kako bi se smanjio njen uticaj na životnu sredinu, dodajući još $0,6-2,40/m³ na cenu vode. Osim toga, kvalitet vode elektrolitičke je stroži od vode za piće i može rezultirati većim troškovima tretmana, ali se i dalje očekuje da će to biti malo u poređenju sa utrošenom energijom.
Vodeni otisak elektrolitičke vode za proizvodnju vodika je vrlo specifičan parametar lokacije koji ovisi o lokalnoj dostupnosti vode, potrošnji, degradaciji i zagađenju. Treba uzeti u obzir ravnotežu ekosistema i uticaj dugoročnih klimatskih trendova. Potrošnja vode bit će glavna prepreka za povećanje obnovljivih izvora vodonika.
Vrijeme objave: Mar-08-2023