電気分解で消費される水の量
ステップ 1: 水素の製造
水の消費は、水素の生成と上流のエネルギーキャリアの生成という 2 つのステップから発生します。水素製造の場合、電解水の最小消費量は水素 1 キログラムあたり約 9 キログラムの水です。ただし、水の脱塩プロセスを考慮すると、この比率は水素 1 キログラムあたり水 18 ～ 24 キログラム、または 25.7 ～ 30.2 に及ぶ場合もあります。.
既存の製造プロセス (メタン水蒸気改質) の場合、最小水消費量は 4.5kgH2O/kgH2 (反応に必要) で、プロセス水と冷却を考慮すると、最小水消費量は 6.4 ～ 32.2kgH2O/kgH2 となります。
ステップ 2: エネルギー源 (再生可能電力または天然ガス)
もう 1 つの要素は、再生可能電力と天然ガスを生産するための水の消費です。太陽光発電の水消費量は 50 ～ 400 リットル /MWh (2.4 ～ 19kgH2O/kgH2)、風力発電の水消費量は 5 ～ 45 リットル /MWh (0.2 ～ 2.1kgH2O/kgH2) です。同様に、シェールガスからのガス生産量 (米国のデータに基づく) は、1.14kgH2O/kgH2 から 4.9kgH2O/kgH2 に増加できます。
結論として、太陽光発電と風力発電で生成される水素の平均総水使用量は、それぞれ約 32 と 22kgH2O/kgH2 となります。不確実性は、太陽放射、寿命、シリコン含有量から生じます。この水の消費量は、天然ガスからの水素生成量と同程度です (7.6 ～ 37 kgh2o /kgH2、平均 22kgH2O/kgH2)。
総水使用量: 再生可能エネルギーを使用すると減少します
CO2 排出量と同様に、電解ルートの水使用量を低く抑えるための前提条件は、再生可能エネルギー源の使用です。化石燃料を使用して発電される電気がほんの一部である場合、電気に関連する水の消費量は、電気分解中に実際に消費される水よりもはるかに多くなります。
たとえば、ガス発電では最大 2,500 リットル/MWh の水を使用できます。これは化石燃料（天然ガス）にとっても最適なケースです。石炭のガス化を考慮すると、水素の生産では 31 ～ 31.8kgH2O/kgH2 が消費され、石炭の生産では 14.7kgH2O/kgH2 が消費されます。太陽光発電や風力発電による水の消費量も、製造プロセスの効率が向上し、設備容量あたりのエネルギー出力が向上するため、時間の経過とともに減少すると予想されます。
2050 年の総水使用量
世界では将来、現在の何倍もの水素が使用されると予想されています。例えば、IRENA の世界エネルギー移行見通しでは、2050 年の水素需要は約 74EJ となり、そのうち約 3 分の 2 は再生可能水素によるものになると推定されています。それに比べて、今日（純水素）は 8.4EJ です。
仮に電解水素が2050年全体の水素需要を賄えたとしても、水の消費量は約250億立方メートルとなる。以下の図は、この数字を他の人工的な水の消費量と比較しています。最も多くの水の使用量は農業で 2,800 億立方メートル、工業では約 8,000 億立方メートル、都市では 4,700 億立方メートルです。現在、水素製造のための天然ガス改質と石炭ガス化による水の消費量は約 15 億立方メートルです。
したがって、電解経路の変化と需要の増加により、大量の水が消費されることが予想されますが、水素製造による水の消費量は、人間が使用する他の流れに比べて依然としてはるかに少ないでしょう。もう 1 つの基準点は、一人当たりの水消費量が年間 75 (ルクセンブルク) から 1,200 (米国) 立方メートルであることです。平均 400 m3 / (一人当たり * 年) で、2050 年の総水素生産量は 6,200 万人の国の生産量に相当します。
水道代とエネルギー使用量はどれくらいか
料金
電解槽には高品質の水が必要であり、水処理が必要です。水の質が低いと劣化が早くなり、寿命が短くなります。アルカリで使用される隔膜や触媒、PEM の膜や多孔質輸送層などの多くの要素は、鉄、クロム、銅などの水の不純物によって悪影響を受ける可能性があります。水の伝導率は 1μS/ 未満である必要があります。 cm および総有機炭素 50μg/L 未満。
エネルギー消費とコストに占める水の割合は比較的小さいです。両方のパラメータの最悪のシナリオは脱塩です。逆浸透は脱塩の主要技術であり、世界の淡水化能力のほぼ 70% を占めています。この技術のコストは 1 m3/日あたり 1900 ～ 2000 ドルで、学習曲線率は 15% です。この投資コストでは、処理コストは 1m3 あたり約 1 ドルですが、電気代が安い地域ではさらに安くなる可能性があります。
さらに、輸送コストは 1 立方メートルあたり約 1 ～ 2 ドル増加します。この場合でも、水処理コストは約 0.05 ドル /kgH2 です。これを大局的に考えると、良質な再生可能資源が利用可能な場合、再生可能水素のコストは 2 ～ 3 ドル /kgH2 になる可能性がありますが、平均的な資源のコストは 4 ～ 5 ドル /kgH2 です。
したがって、この保守的なシナリオでは、水のコストは全体の 2% 未満になります。海水を使用すると水の回収量が2.5～5倍（回収率換算）となります。
エネルギー消費量
淡水化のエネルギー消費量を見ても、電解槽に投入する電力量に比べて非常に小さいです。現在稼働している逆浸透装置の消費電力は約 3.0 kW/m3 です。対照的に、熱式淡水化プラントのエネルギー消費量は 40 ～ 80 KWH/m3 とはるかに高く、脱塩技術に応じて 2.5 ～ 5 KWH/m3 の追加電力要件があります。コージェネレーションプラントの控えめなケース（つまり、より高いエネルギー需要）を例に挙げると、ヒートポンプの使用を想定すると、エネルギー需要は約0.7kWh/kgの水素に換算されます。これを大局的に考えると、電解槽の電力需要は約 50 ～ 55kWh/kg であるため、最悪のシナリオでも、淡水化のためのエネルギー需要はシステムに入力される総エネルギーの約 1% になります。
淡水化の課題の 1 つは塩水の処分であり、これは地元の海洋生態系に影響を与える可能性があります。この塩水をさらに処理して環境への影響を減らすことができるため、水のコストがさらに 0.6 ～ 2.40 ドル /m3 追加されます。また、電解水は飲料水に比べて品質が厳しく、処理コストが高くなる可能性がありますが、それでも投入電力に比べて小さいと予想されます。
水素製造用の電解水の水フットプリントは、地域の水の入手可能性、消費、劣化、汚染に依存する非常に特殊な場所パラメータです。生態系のバランスと長期的な気候傾向の影響を考慮する必要があります。水の消費は、再生可能水素の規模拡大にとって大きな障害となるでしょう。
投稿時間: 2023 年 3 月 8 日