전기분해로 소비되는 물의 양
1단계: 수소 생산
물 소비는 수소 생산과 업스트림 에너지 운반체 생산이라는 두 단계를 통해 이루어집니다. 수소 생산을 위한 전해수의 최소 소비량은 수소 1kg당 약 9kg의 물입니다. 그러나 물의 탈염 과정을 고려하면 이 비율은 수소 1kg당 물 18~24kg, 심지어 25.7~30.2까지 높을 수 있습니다..
기존 생산 공정(메탄 증기 개질)의 경우 최소 물 소비량은 4.5kgH2O/kgH2(반응에 필요)이며, 공정수 및 냉각을 고려하면 최소 물 소비량은 6.4~32.2kgH2O/kgH2입니다.
2단계: 에너지원(재생 가능한 전기 또는 천연 가스)
또 다른 구성요소는 재생 가능한 전기와 천연가스를 생산하기 위한 물 소비입니다. 태양광 발전의 물 소비량은 50~400리터/MWh(2.4~19kgH2O/kgH2)이고 풍력 발전의 물 소비량은 5~45리터/MWh(0.2~2.1kgH2O/kgH2)입니다. 마찬가지로, 셰일가스로부터의 가스 생산량(미국 데이터 기준)은 1.14kgH2O/kgH2에서 4.9kgH2O/kgH2로 증가할 수 있습니다.
결론적으로, 태양광 발전과 풍력 발전으로 생성된 수소의 평균 총 물 소비량은 각각 약 32kgH2O/kgH2 정도이다. 불확실성은 태양 복사, 수명 및 실리콘 함량에서 비롯됩니다. 이 물 소비량은 천연가스를 이용한 수소 생산(7.6~37kgh2o/kgH2, 평균 22kgH2O/kgH2)과 같은 규모입니다.
총 물발자국: 재생에너지 사용 시 감소
CO2 배출과 마찬가지로, 전해 경로의 물 발자국을 낮추기 위한 전제 조건은 재생 가능 에너지원을 사용하는 것입니다. 화석 연료를 사용하여 전기의 극히 일부만 생산하는 경우 전기와 관련된 물 소비량은 전기 분해 중에 소비되는 실제 물보다 훨씬 높습니다.
예를 들어, 가스 발전은 최대 2,500리터/MWh의 물을 사용할 수 있습니다. 화석연료(천연가스)에 있어서도 가장 좋은 사례이다. 석탄 가스화를 고려하면 수소 생산은 31~31.8kgH2O/kgH2를 소비하고, 석탄 생산은 14.7kgH2O/kgH2를 소비할 수 있다. 제조 공정이 더욱 효율적으로 발전하고 설치 용량 단위당 에너지 생산량이 향상됨에 따라 태양광 발전 및 풍력 발전으로 인한 물 소비량도 시간이 지남에 따라 감소할 것으로 예상됩니다.
2050년 총 물 소비량
세계는 미래에 현재보다 몇 배나 더 많은 수소를 사용할 것으로 예상됩니다. 예를 들어, IRENA의 세계 에너지 전환 전망(World Energy Transitions Outlook)에서는 2050년 수소 수요가 약 74EJ가 될 것으로 추정하며, 그 중 약 2/3는 재생 가능한 수소에서 나올 것입니다. 이에 비해 오늘날(순수수소)은 8.4EJ이다.
전해수소가 2050년 전체의 수소 수요를 충족할 수 있다고 하더라도 물 소비량은 약 250억 입방미터에 달할 것입니다. 아래 그림은 이 수치를 다른 인공 물 소비 흐름과 비교합니다. 농업은 2,800억 입방미터로 가장 많은 양의 물을 사용하고, 산업은 거의 8,000억 입방미터를 사용하고, 도시는 4,700억 입방미터를 사용합니다. 현재 수소 생산을 위한 천연가스 개질 및 석탄 가스화의 물 소비량은 약 15억 입방미터입니다.
따라서 전해 경로의 변화와 수요 증가로 인해 많은 양의 물이 소비될 것으로 예상되지만, 수소 생산으로 인한 물 소비량은 인간이 사용하는 다른 흐름에 비해 여전히 훨씬 적을 것입니다. 또 다른 기준점은 1인당 물 소비량이 연간 75(룩셈부르크)에서 1,200(미국) 입방미터 사이라는 것입니다. 평균 400m3/(1인당 *연간)으로, 2050년 총 수소 생산량은 6,200만 명 국가의 수소 생산량과 맞먹습니다.
물 비용은 얼마이며 에너지는 얼마만큼 사용됩니까?
비용
전해전지에는 고품질의 물이 필요하며 수처리가 필요합니다. 품질이 낮은 물은 분해 속도가 빨라지고 수명이 단축됩니다. 알칼리에 사용되는 격막 및 촉매, PEM의 멤브레인 및 다공성 수송층을 포함한 많은 요소는 철, 크롬, 구리 등과 같은 수분 불순물에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있습니다. 물 전도도는 1μS/ 미만이어야 합니다. cm 및 총 유기탄소는 50μg/L 미만입니다.
물은 에너지 소비와 비용에서 상대적으로 작은 부분을 차지합니다. 두 매개변수 모두에 대한 최악의 시나리오는 담수화입니다. 역삼투압은 담수화의 주요 기술로 전 세계 용량의 약 70%를 차지합니다. 이 기술의 비용은 m3/d당 $1900-$2000이며 학습 곡선 비율은 15%입니다. 이 투자비용으로 처리비용은 약 $1/m3 정도이며, 전기요금이 낮은 지역에서는 더 낮을 수도 있습니다.
또한 운송 비용은 m³당 약 1~2달러 증가합니다. 이 경우에도 수처리 비용은 약 $0.05/kgH2 정도이다. 이를 관점에서 보면, 좋은 재생 가능 자원을 사용할 수 있는 경우 재생 가능 수소 비용은 $2-3/kgH2일 수 있는 반면, 평균 자원 비용은 $4-5/kgH2입니다.
따라서 이 보수적인 시나리오에서 물 비용은 전체 비용의 2% 미만이 됩니다. 해수를 사용하면 회수되는 물의 양을 2.5~5배(회수계수 기준)까지 늘릴 수 있습니다.
에너지 소비
담수화의 에너지 소비량을 살펴보면, 전해조에 투입하는데 필요한 전기량에 비하면 그 양도 매우 적다. 현재 작동 중인 역삼투 장치는 약 3.0kW/m3를 소비합니다. 대조적으로, 열담수화 플랜트는 담수화 기술에 따라 40~80KWH/m3에 이르는 훨씬 더 높은 에너지 소비량을 가지며, 추가 전력 요구 사항은 2.5~5KWH/m3에 이릅니다. 열병합발전소의 보수적인 경우(즉, 더 높은 에너지 수요)를 예로 들어 열 펌프를 사용한다고 가정하면 에너지 수요는 약 0.7kWh/kg의 수소로 변환됩니다. 이를 관점에서 보면, 전해조의 전력 수요는 약 50~55kWh/kg이므로 최악의 경우에도 담수화를 위한 에너지 수요는 시스템에 투입되는 전체 에너지의 약 1%에 해당한다.
담수화의 한 가지 과제는 해수 처리이며, 이는 지역 해양 생태계에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 염수는 환경에 미치는 영향을 줄이기 위해 추가로 처리될 수 있으며, 따라서 물 비용에 $0.6-2.40/m3가 추가됩니다. 또한, 전해수질은 먹는물에 비해 엄격하여 처리비용이 더 많이 들 수 있으나, 이는 여전히 투입전력에 비하면 미미할 것으로 예상된다.
수소 생산을 위한 전해수의 물 발자국은 지역 물 가용성, 소비, 품질 저하 및 오염에 따라 달라지는 매우 구체적인 위치 매개변수입니다. 생태계의 균형과 장기적인 기후 추세의 영향을 고려해야 합니다. 물 소비는 재생 가능한 수소를 확대하는 데 주요 장애물이 될 것입니다.
게시 시간: 2023년 3월 8일