Ile wody zużywa się w procesie elektrolizy?

Ile wody zużywa się w procesie elektrolizy

Krok pierwszy: produkcja wodoru

Zużycie wody składa się z dwóch etapów: produkcji wodoru i wcześniejszej produkcji nośników energii. Do produkcji wodoru minimalne zużycie wody elektrolizowanej wynosi około 9 kilogramów wody na kilogram wodoru. Biorąc jednak pod uwagę proces demineralizacji wody, stosunek ten może wynosić od 18 do 24 kilogramów wody na kilogram wodoru, a nawet aż 25,7 do 30,2.

 

Dla istniejącego procesu produkcyjnego (reformingu parowego metanu) minimalne zużycie wody wynosi 4,5kgH2O/kgH2 (wymaganej do reakcji), biorąc pod uwagę wodę technologiczną i chłodzenie, minimalne zużycie wody wynosi 6,4-32,2kgH2O/kgH2.

 

Krok 2: Źródła energii (odnawialna energia elektryczna lub gaz ziemny)

Kolejnym elementem jest zużycie wody do produkcji odnawialnej energii elektrycznej i gazu ziemnego. Zużycie wody w elektrowniach fotowoltaicznych waha się w granicach 50-400 litrów/MWh (2,4-19kgH2O/kgH2), a w elektrowniach wiatrowych w zakresie 5-45 litrów/MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Podobnie wydobycie gazu z łupków (na podstawie danych z USA) może wzrosnąć z 1,14 kgH2O/kgH2 do 4,9 kgH2O/kgH2.

 

Podsumowując, średnie całkowite zużycie wody wodorowej wytwarzanej w elektrowniach fotowoltaicznych i elektrowniach wiatrowych wynosi odpowiednio około 32 i 22 kgH2O/kgH2. Niepewność wynika z promieniowania słonecznego, żywotności i zawartości krzemu. Zużycie wody jest tego samego rzędu wielkości, co produkcja wodoru z gazu ziemnego (7,6–37 kgh2o/kgH2, średnio 22 kgH2O/kgH2).

 

Całkowity ślad wodny: Mniejszy w przypadku korzystania z energii odnawialnej

Podobnie jak w przypadku emisji CO2, warunkiem niskiego śladu wodnego w przypadku tras elektrolitycznych jest wykorzystanie odnawialnych źródeł energii. Jeżeli tylko niewielka część energii elektrycznej jest wytwarzana przy użyciu paliw kopalnych, zużycie wody związane z energią elektryczną jest znacznie wyższe niż faktyczne zużycie wody podczas elektrolizy.

 

Na przykład do wytwarzania energii gazowej można zużyć do 2500 litrów wody na MWh. Jest to również najlepszy przypadek w przypadku paliw kopalnych (gazu ziemnego). Jeśli weźmie się pod uwagę zgazowanie węgla, produkcja wodoru może zużyć 31-31,8 kgH2O/kgH2, a produkcja węgla może zużyć 14,7 kgH2O/kgH2. Oczekuje się, że zużycie wody przez fotowoltaikę i energię wiatrową będzie z czasem spadać w miarę zwiększania wydajności procesów produkcyjnych i poprawy wydajności energetycznej na jednostkę zainstalowanej mocy.

 

Całkowite zużycie wody w 2050 r

Oczekuje się, że w przyszłości świat będzie zużywał wielokrotnie więcej wodoru niż obecnie. Na przykład w opracowanym przez IRENA programie World Energy Transitions Outlook szacuje się, że zapotrzebowanie na wodór w 2050 r. wyniesie około 74 EJ, z czego około dwie trzecie będzie pochodzić z wodoru odnawialnego. Dla porównania, dzisiaj (czysty wodór) wynosi 8,4EJ.

 

Nawet gdyby wodór elektrolityczny mógł zaspokoić zapotrzebowanie na wodór przez cały rok 2050, zużycie wody wyniosłoby około 25 miliardów metrów sześciennych. Poniższy rysunek porównuje tę liczbę z innymi strumieniami zużycia wody wytwarzanej przez człowieka. Rolnictwo zużywa najwięcej 280 miliardów metrów sześciennych wody, przemysł prawie 800 miliardów metrów sześciennych, a miasta 470 miliardów metrów sześciennych. Obecne zużycie wody w procesie reformingu gazu ziemnego i zgazowania węgla do produkcji wodoru wynosi około 1,5 miliarda metrów sześciennych.

Zatem chociaż oczekuje się, że w związku ze zmianami w szlakach elektrolitycznych i rosnącym zapotrzebowaniem zużyje się duże ilości wody, zużycie wody pochodzącej z produkcji wodoru będzie w dalszym ciągu znacznie mniejsze niż w przypadku innych strumieni wykorzystywanych przez człowieka. Kolejnym punktem odniesienia jest to, że zużycie wody na mieszkańca wynosi od 75 (Luksemburg) do 1200 (USA) metrów sześciennych rocznie. Przy średniej wynoszącej 400 m3 / (na mieszkańca * rok) całkowita produkcja wodoru w 2050 r. odpowiada produkcji w kraju liczącym 62 miliony mieszkańców.

 

Ile kosztuje woda i ile zużywa się energii

 

koszt

Ogniwa elektrolityczne wymagają wody wysokiej jakości i wymagają uzdatniania wody. Woda o niższej jakości prowadzi do szybszej degradacji i krótszego życia. Na wiele elementów, w tym przepony i katalizatory stosowane w alkaliach, a także membrany i porowate warstwy transportowe PEM, może mieć niekorzystny wpływ zanieczyszczenia wody, takie jak żelazo, chrom, miedź itp. Wymagana przewodność wody musi być mniejsza niż 1 μS/ cm3 i całkowity węgiel organiczny mniejszy niż 50 μg/l.

 

Woda ma stosunkowo niewielki udział w zużyciu i kosztach energii. Najgorszym scenariuszem dla obu parametrów jest odsalanie. Odwrócona osmoza to główna technologia odsalania, odpowiadająca za prawie 70 procent światowych mocy produkcyjnych. Technologia ta kosztuje 1900–2000 USD/m3/d, a współczynnik krzywej uczenia się wynosi 15%. Przy takim koszcie inwestycji koszt uzdatniania wynosi około 1 USD/m3 i może być niższy na obszarach, gdzie koszty energii elektrycznej są niskie.

 

Ponadto koszty wysyłki wzrosną o około 1-2 USD za m3. Nawet w tym przypadku koszty uzdatniania wody wynoszą około 0,05 USD/kgH2. Dla porównania, koszt wodoru odnawialnego może wynosić 2-3 USD/kgH2, jeśli dostępne są dobre zasoby odnawialne, podczas gdy koszt przeciętnego zasobu wynosi 4-5 USD/kgH2.

 

Zatem w tym konserwatywnym scenariuszu woda będzie kosztować mniej niż 2 procent całości. Wykorzystanie wody morskiej może zwiększyć ilość odzyskiwanej wody od 2,5 do 5 razy (w przeliczeniu na współczynnik odzysku).

 

Zużycie energii

Patrząc na zużycie energii podczas odsalania, jest ono również bardzo małe w porównaniu z ilością energii elektrycznej potrzebnej do wprowadzenia ogniwa elektrolitycznego. Aktualnie działająca jednostka odwróconej osmozy zużywa około 3,0 kW/m3. Natomiast zakłady odsalania termicznego charakteryzują się znacznie większym zużyciem energii, wynoszącym od 40 do 80 KWH/m3, przy dodatkowym zapotrzebowaniu na moc wynoszącym od 2,5 do 5 KWH/m3, w zależności od technologii odsalania. Biorąc za przykład konserwatywny przypadek (tj. wyższe zapotrzebowanie na energię) elektrowni kogeneracyjnej, przy założeniu zastosowania pompy ciepła, zapotrzebowanie na energię przeliczy się na około 0,7 kWh/kg wodoru. Dla porównania, zapotrzebowanie ogniwa elektrolitycznego na energię elektryczną wynosi około 50–55 kWh/kg, więc nawet w najgorszym przypadku zapotrzebowanie na energię do odsalania wynosi około 1% całkowitej energii wprowadzonej do systemu.

 

Jednym z wyzwań związanych z odsalaniem jest usuwanie słonej wody, co może mieć wpływ na lokalne ekosystemy morskie. Solankę tę można poddać dalszej obróbce, aby zmniejszyć jej wpływ na środowisko, zwiększając w ten sposób koszt wody o kolejne 0,6–2,40 USD/m3. Ponadto jakość wody elektrolitycznej jest bardziej rygorystyczna niż woda pitna i może skutkować wyższymi kosztami uzdatniania, ale nadal oczekuje się, że będą one niewielkie w porównaniu z poborem mocy.

Ślad wodny wody elektrolitycznej do produkcji wodoru to bardzo specyficzny parametr lokalizacji, który zależy od lokalnej dostępności wody, jej zużycia, degradacji i zanieczyszczenia. Należy wziąć pod uwagę równowagę ekosystemów i wpływ długoterminowych trendów klimatycznych. Zużycie wody będzie główną przeszkodą w zwiększaniu wykorzystania wodoru odnawialnego.