Cik daudz ūdens patērē elektrolīze
Pirmais solis: ūdeņraža ražošana
Ūdens patēriņu veido divi posmi: ūdeņraža ražošana un augšupējā enerģijas nesēja ražošana. Ūdeņraža ražošanai minimālais elektrolizētā ūdens patēriņš ir aptuveni 9 kilogrami ūdens uz kilogramu ūdeņraža. Tomēr, ņemot vērā ūdens demineralizācijas procesu, šī attiecība var svārstīties no 18 līdz 24 kilogramiem ūdens uz kilogramu ūdeņraža vai pat līdz 25,7 līdz 30,2..
Esošajam ražošanas procesam (metāna tvaika riformingam) minimālais ūdens patēriņš ir 4,5 kgH2O/kgH2 (nepieciešams reakcijai), ņemot vērā procesa ūdeni un dzesēšanu, minimālais ūdens patēriņš ir 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.
2. darbība. Enerģijas avoti (atjaunojamā elektroenerģija vai dabasgāze)
Vēl viena sastāvdaļa ir ūdens patēriņš, lai ražotu atjaunojamo elektroenerģiju un dabasgāzi. Fotoelektriskās enerģijas ūdens patēriņš svārstās no 50 līdz 400 litriem /MWh (2,4–19 kgH2O/kgH2) un vēja enerģijas – no 5–45 litriem /MWh (0,2–2,1 kgH2O/kgH2). Tāpat gāzes ražošanu no slānekļa gāzes (pamatojoties uz ASV datiem) var palielināt no 1,14 kgH2O/kgH2 līdz 4,9 kgH2O/kgH2.
Noslēgumā jāsaka, ka vidējais kopējais ūdens patēriņš ūdeņradim, ko rada fotoelementu elektroenerģijas ražošana un vēja enerģijas ražošana, ir attiecīgi aptuveni 32 un 22 kgH2O/kgH2. Nenoteiktības rada saules starojums, kalpošanas laiks un silīcija saturs. Šis ūdens patēriņš ir tādā pašā apjomā kā ūdeņraža ražošana no dabasgāzes (7,6-37 kgh2o /kgH2, vidēji 22kgH2O/kgH2).
Kopējais ūdens pēdas nospiedums: mazāks, ja izmanto atjaunojamo enerģiju
Līdzīgi kā CO2 emisijām, elektrolītiskos ceļus zema ūdens pēdas nospieduma priekšnoteikums ir atjaunojamo enerģijas avotu izmantošana. Ja tikai neliela daļa elektroenerģijas tiek saražota, izmantojot fosilo kurināmo, ar elektrību saistītais ūdens patēriņš ir daudz lielāks nekā faktiskais elektrolīzes laikā patērētais ūdens.
Piemēram, gāzes elektroenerģijas ražošanai var patērēt līdz 2500 litriem/MWh ūdens. Tas ir arī labākais fosilā kurināmā (dabasgāzes) gadījums. Ja ņem vērā ogļu gazifikāciju, ūdeņraža ražošana var patērēt 31–31,8 kgH2O/kgH2, un ogļu ražošana var patērēt 14,7 kgH2O/kgH2. Paredzams, ka laika gaitā samazināsies arī ūdens patēriņš no fotoelektriskās enerģijas un vēja, jo ražošanas procesi kļūst efektīvāki un uzlabojas enerģijas izlaide uz uzstādītās jaudas vienību.
Kopējais ūdens patēriņš 2050. gadā
Paredzams, ka pasaule nākotnē izmantos daudzkārt vairāk ūdeņraža nekā šodien. Piemēram, IRENA World Energy Transitions Outlook lēš, ka ūdeņraža pieprasījums 2050. gadā būs aptuveni 74 EJ, no kuriem aptuveni divas trešdaļas būs no atjaunojamiem ūdeņradiem. Salīdzinājumam, šodien (tīrs ūdeņradis) ir 8,4 EJ.
Pat ja elektrolītiskais ūdeņradis varētu apmierināt ūdeņraža pieprasījumu visu 2050. gadu, ūdens patēriņš būtu aptuveni 25 miljardi kubikmetru. Zemāk esošajā attēlā šis skaitlis ir salīdzināts ar citām cilvēka radītām ūdens patēriņa plūsmām. Lauksaimniecība izmanto lielāko ūdens daudzumu – 280 miljardus kubikmetru, bet rūpniecība – gandrīz 800 miljardus kubikmetru, bet pilsētas – 470 miljardus kubikmetru. Pašreizējais ūdens patēriņš dabasgāzes reformēšanai un ogļu gazifikācijai ūdeņraža ražošanai ir aptuveni 1,5 miljardi kubikmetru.
Tādējādi, lai gan paredzams, ka elektrolītisko ceļu izmaiņu un pieaugošā pieprasījuma dēļ tiks patērēts liels ūdens daudzums, ūdens patēriņš no ūdeņraža ražošanas joprojām būs daudz mazāks nekā citās plūsmās, ko izmanto cilvēki. Vēl viens atskaites punkts ir tas, ka ūdens patēriņš uz vienu iedzīvotāju ir no 75 (Luksemburga) līdz 1200 (ASV) kubikmetriem gadā. Vidēji 400 m3 / (uz vienu iedzīvotāju * gadā) kopējā ūdeņraža ražošana 2050. gadā ir līdzvērtīga 62 miljonu iedzīvotāju valstī.
Cik maksā ūdens un cik daudz enerģijas tiek patērēts
izmaksas
Elektrolītiskajām šūnām ir nepieciešams augstas kvalitātes ūdens un nepieciešama ūdens attīrīšana. Zemākas kvalitātes ūdens izraisa ātrāku degradāciju un īsāku mūžu. Daudzus elementus, tostarp diafragmas un katalizatorus, ko izmanto sārmos, kā arī PEM membrānas un porainos transporta slāņus, var nelabvēlīgi ietekmēt ūdens piemaisījumi, piemēram, dzelzs, hroms, varš utt. Ūdens vadītspējai ir jābūt mazākai par 1 μS/ cm un kopējais organiskais ogleklis ir mazāks par 50 μg/L.
Ūdens veido salīdzinoši nelielu daļu no enerģijas patēriņa un izmaksām. Sliktākais scenārijs abiem parametriem ir atsāļošana. Reversā osmoze ir galvenā atsāļošanas tehnoloģija, kas nodrošina gandrīz 70 procentus no globālās jaudas. Tehnoloģija maksā 1900–2000 USD/m³/d, un tās mācīšanās līknes līmenis ir 15%. Pie šīm ieguldījumu izmaksām apstrādes izmaksas ir aptuveni USD 1/m³ un var būt zemākas vietās, kur elektroenerģijas izmaksas ir zemas.
Turklāt piegādes izmaksas palielināsies par aptuveni USD 1–2 par m³. Pat šajā gadījumā ūdens attīrīšanas izmaksas ir aptuveni 0,05 USD/kgH2. Lai to aplūkotu perspektīvā, atjaunojamā ūdeņraža izmaksas var būt USD 2–3 /kgH2, ja ir pieejami labi atjaunojamie resursi, savukārt vidējā resursa izmaksas ir USD 4–5 /kgH2.
Tātad šajā konservatīvajā scenārijā ūdens maksātu mazāk nekā 2 procentus no kopējās cenas. Jūras ūdens izmantošana var palielināt atgūstamā ūdens daudzumu 2,5 līdz 5 reizes (atgūšanas koeficienta izteiksmē).
Enerģijas patēriņš
Aplūkojot atsāļošanas enerģijas patēriņu, tas ir arī ļoti mazs, salīdzinot ar elektroenerģijas daudzumu, kas nepieciešams elektrolītiskā elementa ievadīšanai. Pašreizējā darba reversās osmozes iekārta patērē apmēram 3,0 kW/m3. Turpretim termiskās atsāļošanas iekārtām ir daudz lielāks enerģijas patēriņš, kas svārstās no 40 līdz 80 KWH/m3, un papildu jaudas prasības ir no 2,5 līdz 5 KWH/m3 atkarībā no atsāļošanas tehnoloģijas. Kā piemēru ņemot konservatīvo gadījumu (ti, lielāku enerģijas pieprasījumu) koģenerācijas stacijai, pieņemot, ka tiek izmantots siltumsūknis, enerģijas pieprasījums tiktu pārvērsts par aptuveni 0,7 kWh/kg ūdeņraža. Lai to aplūkotu perspektīvā, elektrolītiskā elementa elektroenerģijas pieprasījums ir aptuveni 50-55 kWh/kg, tāpēc pat sliktākajā gadījumā atsāļošanai nepieciešamais enerģijas daudzums ir aptuveni 1% no kopējās sistēmā ievadītās enerģijas.
Viens no atsāļošanas izaicinājumiem ir sālsūdens iznīcināšana, kas var ietekmēt vietējās jūras ekosistēmas. Šo sālījumu var tālāk apstrādāt, lai samazinātu tā ietekmi uz vidi, tādējādi ūdens izmaksām pievienojot vēl USD 0,6–2,40 /m³. Turklāt elektrolītiskā ūdens kvalitāte ir stingrāka nekā dzeramajam ūdenim, un tā var izraisīt augstākas attīrīšanas izmaksas, taču sagaidāms, ka tās joprojām būs mazas salīdzinājumā ar ievadīto jaudu.
Ūdeņraža ražošanai izmantotā elektrolītiskā ūdens ūdens pēdas nospiedums ir ļoti specifisks atrašanās vietas parametrs, kas ir atkarīgs no vietējās ūdens pieejamības, patēriņa, degradācijas un piesārņojuma. Jāņem vērā ekosistēmu līdzsvars un ilgtermiņa klimata tendenču ietekme. Ūdens patēriņš būs galvenais šķērslis atjaunojamās ūdeņraža izmantošanas palielināšanai.
Izlikšanas laiks: 08.03.2023