Koliko se vode troši elektrolizom
Prvi korak: Proizvodnja vodika
Potrošnja vode dolazi iz dva koraka: proizvodnja vodika i uzvodna proizvodnja nositelja energije. Za proizvodnju vodika minimalna potrošnja elektrolizirane vode je približno 9 kilograma vode po kilogramu vodika. Međutim, uzimajući u obzir proces demineralizacije vode, ovaj omjer može biti u rasponu od 18 do 24 kilograma vode po kilogramu vodika, pa čak i do 25,7 do 30,2.
Za postojeći proizvodni proces (metanski parni reforming), minimalna potrošnja vode je 4,5 kgH2O/kgH2 (potrebna za reakciju), uzimajući u obzir procesnu vodu i hlađenje, minimalna potrošnja vode je 6,4-32,2 kgH2O/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 (2,4-19kgH2O/kgH2), a energije vjetra između 5-45 litara /MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Slično, proizvodnja plina iz plina iz škriljevca (na temelju podataka iz SAD-a) može se povećati s 1,14 kgH2O/kgH2 na 4,9 kgH2O/kgH2.
Zaključno, prosječna ukupna potrošnja vode za vodik generiran fotonaponskom proizvodnjom energije 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 proizvodnja vodika iz prirodnog plina (7,6-37 kgh2o /kgH2, s prosjekom od 22 kgH2O/kgH2).
Ukupni otisak vode: Niži pri korištenju obnovljive energije
Slično kao i kod emisija CO2, preduvjet za nizak otisak vode za elektrolitičke rute je korištenje obnovljivih izvora energije. Ako se samo mali dio električne energije proizvodi korištenjem fosilnih goriva, potrošnja vode povezana s električnom energijom puno je veća od stvarne vode potrošene tijekom elektrolize.
Na primjer, proizvodnja električne energije na plin može koristiti do 2500 litara /MWh vode. To je također najbolji slučaj za fosilna goriva (zemni plin). Ako se uzme u obzir rasplinjavanje ugljena, proizvodnja vodika može potrošiti 31-31,8 kgH2O/kgH2, a proizvodnja ugljena može potrošiti 14,7 kgH2O/kgH2. Također se očekuje da će se potrošnja vode iz fotonapona i vjetra s vremenom smanjivati kako proizvodni procesi postaju učinkovitiji, a proizvodnja energije po jedinici instaliranog kapaciteta se poboljšava.
Ukupna potrošnja vode u 2050
Očekuje se da će svijet u budućnosti koristiti mnogo puta više vodika nego danas. Na primjer, IRENA's World Energy Transitions Outlook procjenjuje da će potražnja za vodikom 2050. biti oko 74EJ, od čega će oko dvije trećine dolaziti iz obnovljivog vodika. Usporedbe radi, danas (čisti vodik) iznosi 8,4EJ.
Čak i kad bi elektrolitski vodik mogao zadovoljiti potražnju za vodikom tijekom cijele 2050. godine, potrošnja vode bila bi oko 25 milijardi kubičnih metara. Donja slika uspoređuje ovu brojku s drugim tokovima potrošnje vode koje je stvorio čovjek. Poljoprivreda koristi najviše 280 milijardi kubika vode, industrija gotovo 800 milijardi kubika, a gradovi 470 milijardi kubika vode. Trenutna potrošnja vode za reforming prirodnog plina i rasplinjavanje ugljena za proizvodnju vodika iznosi oko 1,5 milijardi kubičnih metara.
Dakle, iako se očekuje da će se potrošiti velike količine vode zbog promjena u elektrolitskim putovima i rastuće potražnje, potrošnja vode iz proizvodnje vodika i dalje će biti mnogo manja od drugih tokova koje koriste ljudi. Druga referentna točka je da je potrošnja vode po stanovniku između 75 (Luksemburg) i 1200 (SAD) kubnih metara godišnje. Uz prosječnih 400 m3 / (po stanovniku * godina), ukupna proizvodnja vodika u 2050. ekvivalentna je onoj u zemlji od 62 milijuna ljudi.
Koliko košta voda i koliko se energije troši
trošak
Elektrolitičke ćelije zahtijevaju vodu visoke kvalitete i zahtijevaju obradu vode. Voda niže kvalitete dovodi do brže razgradnje i kraćeg vijeka trajanja. Mnogi elementi, uključujući dijafragme i katalizatore koji se koriste u alkalijama, kao i membrane i porozne transportne slojeve PEM-a, mogu biti pod negativnim utjecajem nečistoća vode kao što su željezo, krom, bakar itd. Vodljivost 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 mogući scenarij 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 ovaj trošak ulaganja, trošak obrade 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 obrade vode iznose oko 0,05 USD/kgH2. Da to stavimo u perspektivu, cijena obnovljivog vodika može biti 2-3 USD/kgH2 ako su dostupni dobri obnovljivi izvori, dok je cijena prosječnog izvora 4-5 USD/kgH2.
Dakle, u ovom konzervativnom scenariju, voda bi koštala manje od 2 posto ukupne cijene. Korištenje morske vode može povećati količinu obnovljene vode za 2,5 do 5 puta (u smislu faktora povrata).
Potrošnja energije
Gledajući potrošnju energije za desalinizaciju, ona je također vrlo mala u usporedbi s količinom električne energije potrebnom za unos elektrolitičke ćelije. Jedinica reverzne osmoze koja trenutno radi troši oko 3,0 kW/m3. Nasuprot tome, postrojenja za termičku desalinizaciju imaju puno veću potrošnju energije, u rasponu od 40 do 80 KWH/m3, s dodatnim zahtjevima za snagom od 2,5 do 5 KWH/m3, ovisno o tehnologiji desalinizacije. Uzimajući konzervativni slučaj (tj. veću energetsku potražnju) kogeneracijskog postrojenja kao primjer, uz pretpostavku korištenja dizalice topline, energetska potražnja bi se pretvorila u oko 0,7 kWh/kg vodika. Da to stavimo u perspektivu, potreba za električnom energijom elektrolitičke ćelije je oko 50-55kWh/kg, tako da čak i u najgorem slučaju, potreba za energijom za desalinizaciju iznosi oko 1% ukupnog unosa energije u sustav.
Jedan od izazova desalinizacije je odlaganje slane vode, što može utjecati na lokalne morske ekosustave. Ova se slana voda može dalje tretirati kako bi se smanjio njezin utjecaj na okoliš, dodajući tako još 0,6-2,40 USD /m³ na cijenu vode. Osim toga, kvaliteta elektrolitske vode je stroža od kvalitete pitke vode i može rezultirati većim troškovima obrade, no očekuje se da će oni i dalje biti mali u usporedbi s uloženom snagom.
Vodeni otisak elektrolitičke vode za proizvodnju vodika vrlo je specifičan lokacijski parametar koji ovisi o lokalnoj dostupnosti vode, potrošnji, degradaciji i zagađenju. Treba uzeti u obzir ravnotežu ekosustava i utjecaj dugoročnih klimatskih trendova. Potrošnja vode bit će glavna prepreka povećanju obnovljivog vodika.
Vrijeme objave: 8. ožujka 2023