इलेक्ट्रोलिसिस में कितना पानी खर्च होता है?

इलेक्ट्रोलिसिस में कितना पानी खर्च होता है?

चरण एक: हाइड्रोजन उत्पादन

पानी की खपत दो चरणों से होती है: हाइड्रोजन उत्पादन और अपस्ट्रीम ऊर्जा वाहक उत्पादन। हाइड्रोजन उत्पादन के लिए, इलेक्ट्रोलाइज्ड पानी की न्यूनतम खपत लगभग 9 किलोग्राम पानी प्रति किलोग्राम हाइड्रोजन है। हालाँकि, पानी की विखनिजीकरण प्रक्रिया को ध्यान में रखते हुए, यह अनुपात 18 से 24 किलोग्राम पानी प्रति किलोग्राम हाइड्रोजन तक या 25.7 से 30.2 तक भी हो सकता है।.

 

मौजूदा उत्पादन प्रक्रिया (मीथेन स्टीम सुधार) के लिए, न्यूनतम पानी की खपत 4.5kgH2O/kgH2 (प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक) है, प्रक्रिया पानी और शीतलन को ध्यान में रखते हुए, न्यूनतम पानी की खपत 6.4-32.2kgH2O/kgH2 है।

 

चरण 2: ऊर्जा स्रोत (नवीकरणीय बिजली या प्राकृतिक गैस)

एक अन्य घटक नवीकरणीय बिजली और प्राकृतिक गैस का उत्पादन करने के लिए पानी की खपत है। फोटोवोल्टिक बिजली की पानी की खपत 50-400 लीटर /MWh (2.4-19kgH2O/kgH2) और पवन ऊर्जा की 5-45 लीटर /MWh (0.2-2.1kgH2O/kgH2) के बीच होती है। इसी प्रकार, शेल गैस से गैस उत्पादन (अमेरिकी डेटा के आधार पर) 1.14kgH2O/kgH2 से 4.9kgH2O/kgH2 तक बढ़ाया जा सकता है।

 

निष्कर्ष में, फोटोवोल्टिक विद्युत उत्पादन और पवन ऊर्जा उत्पादन द्वारा उत्पन्न हाइड्रोजन की औसत कुल जल खपत क्रमशः 32 और 22kgH2O/kgH2 है। अनिश्चितताएँ सौर विकिरण, जीवनकाल और सिलिकॉन सामग्री से आती हैं। यह पानी की खपत प्राकृतिक गैस से हाइड्रोजन उत्पादन (7.6-37 kgh2o/kgH2, औसत 22kgH2O/kgH2 के साथ) के परिमाण के समान क्रम पर है।

 

कुल जल पदचिह्न: नवीकरणीय ऊर्जा का उपयोग करते समय कम

CO2 उत्सर्जन के समान, इलेक्ट्रोलाइटिक मार्गों के लिए कम जल पदचिह्न के लिए एक शर्त नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों का उपयोग है। यदि जीवाश्म ईंधन का उपयोग करके बिजली का केवल एक छोटा सा हिस्सा उत्पन्न किया जाता है, तो बिजली से जुड़ी पानी की खपत इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान खपत होने वाले वास्तविक पानी की तुलना में बहुत अधिक है।

 

उदाहरण के लिए, गैस बिजली उत्पादन 2,500 लीटर/मेगावाट पानी तक का उपयोग कर सकता है। यह जीवाश्म ईंधन (प्राकृतिक गैस) के लिए भी सबसे अच्छा मामला है। यदि कोयला गैसीकरण पर विचार किया जाए, तो हाइड्रोजन उत्पादन में 31-31.8kgH2O/kgH2 की खपत हो सकती है और कोयला उत्पादन में 14.7kgH2O/kgH2 की खपत हो सकती है। फोटोवोल्टिक्स और पवन से पानी की खपत भी समय के साथ कम होने की उम्मीद है क्योंकि विनिर्माण प्रक्रियाएं अधिक कुशल हो जाती हैं और स्थापित क्षमता की प्रति यूनिट ऊर्जा उत्पादन में सुधार होता है।

 

2050 में कुल पानी की खपत

उम्मीद है कि भविष्य में दुनिया आज की तुलना में कई गुना अधिक हाइड्रोजन का उपयोग करेगी। उदाहरण के लिए, IRENA के वर्ल्ड एनर्जी ट्रांज़िशन आउटलुक का अनुमान है कि 2050 में हाइड्रोजन की मांग लगभग 74EJ होगी, जिसमें से लगभग दो-तिहाई नवीकरणीय हाइड्रोजन से आएगी। तुलनात्मक रूप से, आज (शुद्ध हाइड्रोजन) 8.4EJ है।

 

भले ही इलेक्ट्रोलाइटिक हाइड्रोजन पूरे 2050 तक हाइड्रोजन की मांग को पूरा कर सके, पानी की खपत लगभग 25 बिलियन क्यूबिक मीटर होगी। नीचे दिया गया आंकड़ा इस आंकड़े की तुलना अन्य मानव निर्मित जल उपभोग धाराओं से करता है। कृषि सबसे बड़ी मात्रा में 280 बिलियन क्यूबिक मीटर पानी का उपयोग करती है, जबकि उद्योग लगभग 800 बिलियन क्यूबिक मीटर और शहर 470 बिलियन क्यूबिक मीटर का उपयोग करते हैं। हाइड्रोजन उत्पादन के लिए प्राकृतिक गैस सुधार और कोयला गैसीकरण की वर्तमान जल खपत लगभग 1.5 बिलियन क्यूबिक मीटर है।

इस प्रकार, हालांकि इलेक्ट्रोलाइटिक मार्गों में बदलाव और बढ़ती मांग के कारण बड़ी मात्रा में पानी की खपत होने की उम्मीद है, फिर भी हाइड्रोजन उत्पादन से पानी की खपत मनुष्यों द्वारा उपयोग किए जाने वाले अन्य प्रवाह की तुलना में बहुत कम होगी। एक अन्य संदर्भ बिंदु यह है कि प्रति व्यक्ति पानी की खपत 75 (लक्ज़मबर्ग) और 1,200 (यूएस) क्यूबिक मीटर प्रति वर्ष के बीच है। औसतन 400 m3/(प्रति व्यक्ति * वर्ष) पर, 2050 में कुल हाइड्रोजन उत्पादन 62 मिलियन लोगों के देश के बराबर है।

 

कितना पानी खर्च होता है और कितनी ऊर्जा खर्च होती है

 

लागत

इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाओं को उच्च गुणवत्ता वाले पानी की आवश्यकता होती है और जल उपचार की आवश्यकता होती है। निम्न गुणवत्ता वाले पानी का तेजी से क्षरण होता है और जीवन छोटा होता है। क्षारीय में उपयोग किए जाने वाले डायाफ्राम और उत्प्रेरक, साथ ही पीईएम की झिल्ली और छिद्रपूर्ण परिवहन परतों सहित कई तत्व, पानी की अशुद्धियों जैसे लोहा, क्रोमियम, तांबा, आदि से प्रतिकूल रूप से प्रभावित हो सकते हैं। पानी की चालकता 1μS/ से कम होनी आवश्यक है। सेमी और कुल कार्बनिक कार्बन 50μg/L से कम।

 

ऊर्जा खपत और लागत में पानी की हिस्सेदारी अपेक्षाकृत कम है। दोनों मापदंडों के लिए सबसे खराब स्थिति अलवणीकरण है। रिवर्स ऑस्मोसिस अलवणीकरण की मुख्य तकनीक है, जो वैश्विक क्षमता का लगभग 70 प्रतिशत है। प्रौद्योगिकी की लागत $1900- $2000/m³/d है और इसकी सीखने की अवस्था दर 15% है। इस निवेश लागत पर, उपचार लागत लगभग $1/m³ है, और उन क्षेत्रों में कम हो सकती है जहां बिजली की लागत कम है।

 

इसके अलावा, शिपिंग लागत लगभग $1-2 प्रति वर्ग मीटर बढ़ जाएगी। इस मामले में भी, जल उपचार की लागत लगभग $0.05/kgH2 है। इसे परिप्रेक्ष्य में रखने के लिए, यदि अच्छे नवीकरणीय संसाधन उपलब्ध हैं तो नवीकरणीय हाइड्रोजन की लागत $2-3/kgH2 हो सकती है, जबकि औसत संसाधन की लागत $4-5/kgH2 है।

 

तो इस रूढ़िवादी परिदृश्य में, पानी की लागत कुल के 2 प्रतिशत से भी कम होगी। समुद्री जल के उपयोग से पुनर्प्राप्त पानी की मात्रा 2.5 से 5 गुना तक बढ़ सकती है (पुनर्प्राप्ति कारक के संदर्भ में)।

 

ऊर्जा की खपत

अलवणीकरण की ऊर्जा खपत को देखते हुए, यह इलेक्ट्रोलाइटिक सेल को इनपुट करने के लिए आवश्यक बिजली की मात्रा की तुलना में बहुत कम है। वर्तमान में संचालित रिवर्स ऑस्मोसिस इकाई लगभग 3.0 किलोवाट/एम3 की खपत करती है। इसके विपरीत, थर्मल डिसेलिनेशन संयंत्रों में बहुत अधिक ऊर्जा खपत होती है, जो कि 40 से 80 KWH/m3 तक होती है, साथ ही अलवणीकरण तकनीक के आधार पर 2.5 से 5 KWH/m3 तक अतिरिक्त बिजली की आवश्यकता होती है। एक सह-उत्पादन संयंत्र के रूढ़िवादी मामले (यानी उच्च ऊर्जा मांग) को एक उदाहरण के रूप में लेते हुए, एक ताप पंप के उपयोग को मानते हुए, ऊर्जा की मांग लगभग 0.7kWh/kg हाइड्रोजन में परिवर्तित हो जाएगी। इसे परिप्रेक्ष्य में रखने के लिए, इलेक्ट्रोलाइटिक सेल की बिजली की मांग लगभग 50-55kWh/kg है, इसलिए सबसे खराब स्थिति में भी, अलवणीकरण के लिए ऊर्जा की मांग सिस्टम में कुल ऊर्जा इनपुट का लगभग 1% है।

 

अलवणीकरण की एक चुनौती खारे पानी का निपटान है, जिसका स्थानीय समुद्री पारिस्थितिक तंत्र पर प्रभाव पड़ सकता है। इसके पर्यावरणीय प्रभाव को कम करने के लिए इस नमकीन पानी को और अधिक उपचारित किया जा सकता है, जिससे पानी की लागत में $0.6-2.40 /m³ और जुड़ जाएगा। इसके अलावा, इलेक्ट्रोलाइटिक पानी की गुणवत्ता पीने के पानी की तुलना में अधिक कठोर होती है और इसके परिणामस्वरूप उपचार लागत अधिक हो सकती है, लेकिन बिजली इनपुट की तुलना में यह अभी भी कम होने की उम्मीद है।

हाइड्रोजन उत्पादन के लिए इलेक्ट्रोलाइटिक पानी का जल पदचिह्न एक बहुत ही विशिष्ट स्थान पैरामीटर है जो स्थानीय जल उपलब्धता, खपत, गिरावट और प्रदूषण पर निर्भर करता है। पारिस्थितिक तंत्र के संतुलन और दीर्घकालिक जलवायु रुझानों के प्रभाव पर विचार किया जाना चाहिए। नवीकरणीय हाइड्रोजन को बढ़ाने में पानी की खपत एक बड़ी बाधा होगी।