כמה מים נצרכים באלקטרוליזה?

כמה מים נצרכים באלקטרוליזה

שלב ראשון: ייצור מימן

צריכת המים מגיעה משני שלבים: ייצור מימן וייצור נושאי אנרגיה במעלה הזרם. לייצור מימן, הצריכה המינימלית של מים אלקטרוליזה היא כ-9 ק"ג מים לכל ק"ג מימן. עם זאת, בהתחשב בתהליך הדה-מינרליזציה של מים, יחס זה יכול לנוע בין 18 ל-24 ק"ג מים לק"ג מימן, או אפילו גבוה עד 25.7 עד 30.2..

 

עבור תהליך הייצור הקיים (רפורמת קיטור מתאן), צריכת המים המינימלית היא 4.5kgH2O/kgH2 (נדרש לתגובה), תוך התחשבות במי תהליך וקירור, צריכת המים המינימלית היא 6.4-32.2kgH2O/kgH2.

 

שלב 2: מקורות אנרגיה (חשמל מתחדש או גז טבעי)

מרכיב נוסף הוא צריכת מים לייצור חשמל מתחדש וגז טבעי. צריכת המים של חשמל פוטו-וולטאי נע בין 50-400 ליטר/MWh (2.4-19kgH2O/kgH2) וזו של כוח רוח בין 5-45 ליטר/MWh (0.2-2.1kgH2O/kgH2). באופן דומה, ניתן להגדיל את הפקת הגז מגז פצלי (בהתבסס על נתוני ארה"ב) מ-1.14kgH2O/kgH2 ל-4.9kgH2O/kgH2.

 

לסיכום, צריכת המים הכוללת הממוצעת של מימן שנוצרת על ידי ייצור חשמל פוטו-וולטאי וייצור כוח רוח היא כ-32 ו-22 ק"גH2O/kgH2, בהתאמה. אי הוודאות נובעת מקרינת השמש, משך החיים ותכולת הסיליקון. צריכת מים זו היא באותו סדר גודל כמו הפקת מימן מגז טבעי (7.6-37 ק"ג 2o / ק"גH2, עם ממוצע של 22 ק"גH2O / ק"גH2).

 

טביעת הרגל הכוללת של המים: נמוכה יותר בעת שימוש באנרגיה מתחדשת

בדומה לפליטת CO2, תנאי מוקדם לטביעת רגל נמוכה של מים למסלולים אלקטרוליטיים הוא השימוש במקורות אנרגיה מתחדשים. אם רק חלק קטן מהחשמל מופק באמצעות דלקים מאובנים, צריכת המים הקשורה לחשמל גבוהה בהרבה מהמים הנצרכים בפועל במהלך האלקטרוליזה.

 

לדוגמה, ייצור חשמל בגז יכול לצרוך עד 2,500 ליטר/MWh של מים. זה גם המקרה הטוב ביותר עבור דלקים מאובנים (גז טבעי). אם מתחשבים בגיזוז פחם, ייצור מימן יכול לצרוך 31-31.8kgH2O/kgH2 וייצור פחם יכול לצרוך 14.7kgH2O/kgH2. גם צריכת המים מפוטו-וולטאים ורוח צפויה לרדת עם הזמן ככל שתהליכי הייצור מתייעלים ותפוקת האנרגיה ליחידת קיבולת מותקנת משתפרת.

 

צריכת המים הכוללת בשנת 2050

העולם צפוי להשתמש בעתיד פי כמה במימן מאשר היום. לדוגמה, תחזית ה-World Energy Transitions של IRENA מעריכה שהביקוש למימן ב-2050 יהיה כ-74EJ, מתוכם כשני שלישים יגיעו ממימן מתחדש. לשם השוואה, היום (מימן טהור) הוא 8.4EJ.

 

גם אם מימן אלקטרוליטי יוכל לענות על הביקוש למימן במשך כל שנת 2050, צריכת המים תהיה כ-25 מיליארד מטרים מעוקבים. האיור שלהלן משווה נתון זה לזרמי צריכת מים אחרים מעשה ידי אדם. החקלאות משתמשת בכמות הגדולה ביותר של 280 מיליארד מ"ק מים, בעוד שהתעשייה משתמשת בכמעט 800 מיליארד מ"ק והערים משתמשות ב-470 מיליארד מ"ק. צריכת המים הנוכחית של רפורמת גז טבעי וגיזוז פחם להפקת מימן היא כ-1.5 מיליארד מ"ק.

לפיכך, למרות שכמויות גדולות של מים צפויות להיצרך עקב שינויים במסלולי האלקטרוליטים והביקוש הגובר, צריכת המים מהפקת מימן עדיין תהיה קטנה בהרבה מזרימות אחרות המשמשות בני אדם. נקודת התייחסות נוספת היא שצריכת המים לנפש היא בין 75 (לוקסמבורג) ל-1,200 (ארה"ב) מ"ק בשנה. בממוצע של 400 מ"ק / (לנפש * שנה), ייצור המימן הכולל בשנת 2050 שווה לזה של מדינה של 62 מיליון איש.

 

כמה עולים מים וכמה אנרגיה צורכת

 

עֲלוּת

תאים אלקטרוליטים דורשים מים באיכות גבוהה ודורשים טיפול במים. מים באיכות נמוכה יותר מובילים לפירוק מהיר יותר וחיים קצרים יותר. אלמנטים רבים, כולל דיאפרגמות וזרזים המשמשים באלקליות, כמו גם הממברנות ושכבות התחבורה הנקבוביות של PEM, עלולים להיות מושפעים לרעה מזיהומי מים כגון ברזל, כרום, נחושת וכו'. מוליכות המים נדרשת להיות פחות מ-1μS/ ס"מ וסך הפחמן האורגני נמוך מ-50 מיקרוגרם/ליטר.

 

מים מהווים חלק קטן יחסית מצריכת האנרגיה ומהעלויות. התרחיש הגרוע ביותר עבור שני הפרמטרים הוא התפלה. אוסמוזה הפוכה היא הטכנולוגיה העיקרית להתפלה, המהווה כמעט 70 אחוז מהקיבולת העולמית. הטכנולוגיה עולה $1900- $2000/m³/d ויש לה שיעור עקומת למידה של 15%. בעלות השקעה זו, עלות הטיפול היא כ-$1/m³, ועשויה להיות נמוכה יותר באזורים שבהם עלויות החשמל נמוכות.

 

בנוסף, עלויות המשלוח יעלו בכ-1-2 דולר למ"ר. גם במקרה זה, עלויות הטיפול במים הן כ-$0.05/kgH2. כדי לשים את זה בפרספקטיבה, העלות של מימן מתחדש יכולה להיות 2-3 דולר/ק"ג ל-2 אם קיימים משאבים מתחדשים טובים, בעוד שהעלות של המשאב הממוצע היא 4-5 דולר ל-ק"ג לשעה.

 

אז בתרחיש שמרני זה, המים יעלו פחות מ-2 אחוזים מהסכום הכולל. השימוש במי ים יכול להגדיל את כמות המים המוחזרת פי 2.5 עד 5 (מבחינת מקדם ההחלמה).

 

צריכת אנרגיה

כשמסתכלים על צריכת האנרגיה של התפלה, היא גם קטנה מאוד בהשוואה לכמות החשמל הדרושה להזנת התא האלקטרוליטי. יחידת ההפעלה הנוכחית של אוסמוזה הפוכה צורכת כ-3.0 קילוואט/מ"ק. לעומת זאת, למתקני התפלה תרמית יש צריכת אנרגיה גבוהה בהרבה, הנעה בין 40 ל-80 KWH/m3, כאשר דרישות הספק נוספות נעות בין 2.5 ל-5 KWH/m3, בהתאם לטכנולוגיית ההתפלה. אם ניקח לדוגמה את המקרה השמרני (כלומר ביקוש גבוה יותר לאנרגיה) של מפעל קוגנרציה, בהנחה שהשימוש במשאבת חום, הביקוש לאנרגיה יומר לכ-0.7kWh/ק"ג מימן. כדי לשים את זה בפרספקטיבה, דרישת החשמל של התא האלקטרוליטי היא כ-50-55kWh/kg, כך שגם במקרה הגרוע ביותר, דרישת האנרגיה להתפלה היא כ-1% מסך כל הזרמת האנרגיה למערכת.

 

אחד האתגרים של התפלה הוא סילוק מי מלח, שיכולים להשפיע על מערכות אקולוגיות ימיות מקומיות. ניתן לטפל בתמיסה זו עוד יותר כדי להפחית את ההשפעה הסביבתית שלה, ובכך להוסיף עוד 0.6-2.40 דולר למ"ר לעלות המים. בנוסף, איכות המים האלקטרוליטית מחמירה יותר ממי השתייה ועלולה לגרום לעלויות טיפול גבוהות יותר, אך היא עדיין צפויה להיות קטנה בהשוואה לתפוקת החשמל.

טביעת הרגל של המים של מים אלקטרוליטיים לייצור מימן היא פרמטר מיקום מאוד ספציפי התלוי בזמינות המים המקומית, בצריכתם, בהשפלה ובזיהום. יש לשקול את איזון המערכות האקולוגיות ואת ההשפעה של מגמות אקלים ארוכות טווח. צריכת מים תהווה מכשול גדול להגדלת המימן המתחדש.