چه مقدار آب توسط الکترولیز مصرف می شود؟

چه مقدار آب توسط الکترولیز مصرف می شود

مرحله اول: تولید هیدروژن

مصرف آب از دو مرحله تولید می شود: تولید هیدروژن و تولید حامل انرژی بالادست. برای تولید هیدروژن، حداقل مصرف آب الکترولیز شده تقریباً 9 کیلوگرم آب به ازای هر کیلوگرم هیدروژن است. با این حال، با در نظر گرفتن فرآیند دمینرالیزاسیون آب، این نسبت می تواند از 18 تا 24 کیلوگرم آب به ازای هر کیلوگرم هیدروژن و یا حتی تا 25.7 تا 30.2 متغیر باشد..

 

برای فرآیند تولید موجود (رفرمینگ بخار متان)، حداقل مصرف آب 4.5 کیلوگرم H2O/KgH2 است (برای واکنش مورد نیاز است)، با در نظر گرفتن آب فرآیند و خنک کننده، حداقل مصرف آب 6.4-32.2 کیلوگرم H2O / کیلوگرم H2 است.

 

مرحله 2: منابع انرژی (الکتریسیته تجدید پذیر یا گاز طبیعی)

جزء دیگر مصرف آب برای تولید برق تجدیدپذیر و گاز طبیعی است. مصرف آب برق فتوولتائیک بین 50-400 لیتر در مگاوات ساعت (2.4-19 کیلوگرم H2O/kgH2) و انرژی باد بین 5-45 لیتر در مگاوات ساعت (0.2-2.1kgH2O/kgH2) متغیر است. به طور مشابه، تولید گاز از گاز شیل (بر اساس داده های ایالات متحده) می تواند از 1.14 کیلوگرم H2O/kgH2 به 4.9 کیلوگرم H2O/kgH2 افزایش یابد.

 

در نتیجه، میانگین کل مصرف آب هیدروژن تولید شده توسط تولید برق فتوولتائیک و تولید برق بادی به ترتیب حدود 32 و 22 کیلوگرم H2O/kgH2 است. عدم قطعیت ها ناشی از تابش خورشیدی، طول عمر و محتوای سیلیکون است. این میزان مصرف آب به اندازه تولید هیدروژن از گاز طبیعی است (7.6-37 kgh2o/kgH2، با میانگین 22kgH2O/kgH2).

 

کل ردپای آب: در هنگام استفاده از انرژی های تجدیدپذیر کمتر

مشابه انتشار CO2، یک پیش نیاز برای ردپای کم آب برای مسیرهای الکترولیتی، استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر است. اگر تنها بخش کوچکی از برق با استفاده از سوخت های فسیلی تولید شود، مصرف آب مرتبط با الکتریسیته بسیار بیشتر از آب مصرفی واقعی در طول الکترولیز است.

 

به عنوان مثال، تولید برق گازی می تواند تا 2500 لیتر در مگاوات ساعت آب مصرف کند. همچنین بهترین حالت برای سوخت های فسیلی (گاز طبیعی) است. اگر گازی شدن زغال سنگ در نظر گرفته شود، تولید هیدروژن می تواند 31-31.8kgH2O/kgH2 و تولید زغال سنگ می تواند 14.7kgH2O/kgH2 مصرف کند. همچنین انتظار می‌رود مصرف آب فتوولتائیک و باد در طول زمان کاهش یابد زیرا فرآیندهای تولید کارآمدتر می‌شوند و خروجی انرژی در واحد ظرفیت نصب‌شده بهبود می‌یابد.

 

کل مصرف آب در سال 2050

انتظار می رود جهان در آینده چندین برابر بیشتر از امروز از هیدروژن استفاده کند. به عنوان مثال، چشم انداز انتقال انرژی ایرنا در جهان تخمین می زند که تقاضای هیدروژن در سال 2050 حدود 74 EJ خواهد بود که حدود دو سوم آن از هیدروژن تجدید پذیر تامین می شود. برای مقایسه، امروزه (هیدروژن خالص) 8.4EJ است.

 

حتی اگر هیدروژن الکترولیتی بتواند نیاز هیدروژن را برای کل سال 2050 تامین کند، مصرف آب حدود 25 میلیارد متر مکعب خواهد بود. شکل زیر این رقم را با دیگر جریان های مصرفی آب ساخته دست بشر مقایسه می کند. کشاورزی با 280 میلیارد متر مکعب آب بیشترین مصرف را دارد، در حالی که صنعت نزدیک به 800 میلیارد متر مکعب و شهرها 470 میلیارد متر مکعب آب مصرف می کنند. مصرف آب فعلی اصلاح گاز طبیعی و تبدیل به گاز زغال سنگ برای تولید هیدروژن حدود 1.5 میلیارد متر مکعب است.

بنابراین، اگرچه انتظار می‌رود مقادیر زیادی آب به دلیل تغییر مسیرهای الکترولیتی و تقاضای رو به رشد مصرف شود، مصرف آب حاصل از تولید هیدروژن همچنان بسیار کمتر از سایر جریان‌های مورد استفاده توسط انسان خواهد بود. نکته مرجع دیگر این است که مصرف سرانه آب بین 75 (لوکزامبورگ) تا 1200 (آمریکا) متر مکعب در سال است. به طور متوسط ​​400 متر مکعب / (سرانه * سال)، کل تولید هیدروژن در سال 2050 معادل تولید یک کشور 62 میلیون نفری است.

 

هزینه آب چقدر است و چقدر انرژی مصرف می شود

 

هزینه

سلول های الکترولیتی به آب با کیفیت بالا نیاز دارند و نیاز به تصفیه آب دارند. آب با کیفیت پایین منجر به تخریب سریع تر و عمر کوتاه تر می شود. بسیاری از عناصر، از جمله دیافراگم ها و کاتالیزورهای مورد استفاده در مواد قلیایی، و همچنین غشاها و لایه های انتقال متخلخل PEM، می توانند تحت تأثیر ناخالصی های آب مانند آهن، کروم، مس و غیره قرار گیرند. هدایت آب باید کمتر از 1μS/ باشد. سانتی متر و کل کربن آلی کمتر از 50μg/L.

 

آب سهم نسبتا کمی از مصرف انرژی و هزینه ها را به خود اختصاص می دهد. بدترین سناریو برای هر دو پارامتر نمک زدایی است. اسمز معکوس فناوری اصلی برای نمک زدایی است که نزدیک به 70 درصد ظرفیت جهانی را به خود اختصاص می دهد. هزینه این فناوری 1900 تا 2000 دلار در متر مکعب در روز است و نرخ منحنی یادگیری آن 15 درصد است. در این هزینه سرمایه گذاری، هزینه درمان حدود 1 دلار در متر مکعب است و ممکن است در مناطقی که هزینه برق پایین است کمتر باشد.

 

علاوه بر این، هزینه های حمل و نقل حدود 1-2 دلار در هر متر مکعب افزایش می یابد. حتی در این مورد، هزینه های تصفیه آب حدود 0.05 دلار / کیلوگرم در هر کیلوگرم H2 است. اگر منابع تجدیدپذیر خوبی در دسترس باشد، هزینه هیدروژن تجدیدپذیر می تواند 2-3 دلار بر کیلوگرم در هر کیلوگرم در ساعت باشد، در حالی که هزینه متوسط ​​منابع 4 تا 5 دلار بر کیلوگرم در هکتار است.

 

بنابراین در این سناریوی محافظه کارانه، آب کمتر از 2 درصد کل هزینه خواهد داشت. استفاده از آب دریا می تواند میزان آب بازیافتی را 2.5 تا 5 برابر (از نظر ضریب بازیافت) افزایش دهد.

 

مصرف انرژی

با نگاهی به مصرف انرژی نمک‌زدایی، در مقایسه با مقدار برق مورد نیاز برای ورودی سلول الکترولیتی نیز بسیار ناچیز است. واحد اسمز معکوس فعلی حدود 3.0 کیلووات بر متر مکعب مصرف می کند. در مقابل، نیروگاه های آب شیرین کن حرارتی مصرف انرژی بسیار بالاتری دارند، از 40 تا 80 کیلووات ساعت بر متر مکعب، با نیازهای برق اضافی بین 5/2 تا 5 کیلووات ساعت بر متر مکعب، بسته به فناوری نمک زدایی. با در نظر گرفتن حالت محافظه کارانه (یعنی تقاضای انرژی بیشتر) یک نیروگاه تولید همزمان، با فرض استفاده از پمپ حرارتی، تقاضای انرژی به حدود 0.7 کیلووات ساعت بر کیلوگرم هیدروژن تبدیل می شود. برای در نظر گرفتن این موضوع، نیاز برق سلول الکترولیتی حدود 50-55 کیلووات ساعت بر کیلوگرم است، بنابراین حتی در بدترین سناریو، نیاز انرژی برای نمک‌زدایی حدود 1 درصد از کل انرژی ورودی به سیستم است.

 

یکی از چالش های نمک زدایی، دفع آب نمک است که می تواند بر اکوسیستم های دریایی محلی تأثیر بگذارد. این آب نمک را می توان بیشتر تصفیه کرد تا اثرات زیست محیطی آن کاهش یابد، بنابراین 0.6-2.40 دلار در متر مکعب دیگر به هزینه آب اضافه می شود. علاوه بر این، کیفیت آب الکترولیتی سخت‌تر از آب آشامیدنی است و ممکن است هزینه‌های تصفیه بالاتری را در پی داشته باشد، اما انتظار می‌رود این میزان در مقایسه با انرژی ورودی کم باشد.

ردپای آب آب الکترولیتی برای تولید هیدروژن یک پارامتر مکان بسیار خاص است که به در دسترس بودن آب محلی، مصرف، تخریب و آلودگی بستگی دارد. تعادل اکوسیستم ها و تأثیر روندهای آب و هوایی بلندمدت باید در نظر گرفته شود. مصرف آب یک مانع بزرگ برای افزایش هیدروژن تجدید پذیر خواهد بود.