Сколько воды расходуется при электролизе
Шаг первый: Производство водорода
Потребление воды происходит в два этапа: производство водорода и производство энергоносителей. Для производства водорода минимальный расход электролизованной воды составляет примерно 9 килограммов воды на килограмм водорода. Однако с учетом процесса деминерализации воды это соотношение может составлять от 18 до 24 килограммов воды на килограмм водорода или даже достигать 25,7–30,2..
Для существующего производственного процесса (паровой риформинг метана) минимальный расход воды составляет 4,5 кгH2O/кгH2 (необходимый для реакции), с учетом технологической воды и охлаждения минимальный расход воды составляет 6,4-32,2 кгH2O/кгH2.
Шаг 2: Источники энергии (возобновляемые источники электроэнергии или природный газ)
Другим компонентом является потребление воды для производства возобновляемой электроэнергии и природного газа. Потребление воды фотоэлектрическими электростанциями варьируется в пределах 50–400 литров/МВтч (2,4–19 кгH2O/кгH2), а потребление воды ветровой энергией — 5–45 литров/МВтч (0,2–2,1 кгH2O/кгH2). Аналогично, добыча газа из сланцевого газа (по данным США) может быть увеличена с 1,14 кгH2O/кгH2 до 4,9 кгH2O/кгH2.
В заключение, средний общий расход воды на водород, вырабатываемый фотоэлектрическими и ветровыми электростанциями, составляет около 32 и 22 кг H2O/кг H2 соответственно. Неопределенности связаны с солнечной радиацией, сроком службы и содержанием кремния. Это потребление воды того же порядка, что и производство водорода из природного газа (7,6-37 кгч2о/кгH2, при среднем значении 22 кгH2O/кгH2).
Общий водный след: меньше при использовании возобновляемых источников энергии
Как и в случае с выбросами CO2, необходимым условием снижения водного воздействия электролитических маршрутов является использование возобновляемых источников энергии. Если только небольшая часть электроэнергии вырабатывается с использованием ископаемого топлива, потребление воды, связанное с электричеством, намного превышает фактическое потребление воды во время электролиза.
Например, при производстве газовой электроэнергии может использоваться до 2500 литров воды на МВтч. Это также лучший случай для ископаемого топлива (природного газа). Если рассматривать газификацию угля, производство водорода может потреблять 31-31,8 кгH2O/кгH2, а производство угля может потреблять 14,7 кгH2O/кгH2. Ожидается, что потребление воды от фотоэлектрических и ветровых электростанций со временем снизится, поскольку производственные процессы станут более эффективными, а выработка энергии на единицу установленной мощности улучшится.
Общее потребление воды в 2050 году
Ожидается, что в будущем мир будет использовать во много раз больше водорода, чем сегодня. Например, согласно оценкам IRENA World Energy Transitions Outlook, потребность в водороде в 2050 году составит около 74 ЭДж, из которых около двух третей будет приходиться на возобновляемый водород. Для сравнения, сегодня (чистый водород) составляет 8,4ЭДж.
Даже если электролитический водород сможет удовлетворить потребность в водороде в течение всего 2050 года, потребление воды составит около 25 миллиардов кубических метров. На рисунке ниже этот показатель сравнивается с другими потоками антропогенного потребления воды. Сельское хозяйство использует наибольшее количество воды – 280 миллиардов кубических метров, промышленность – почти 800 миллиардов кубических метров, а города – 470 миллиардов кубических метров. Текущее потребление воды при риформинге природного газа и газификации угля для производства водорода составляет около 1,5 миллиарда кубических метров.
Таким образом, хотя ожидается, что из-за изменений в электролитических путях и растущего спроса будет потребляться большое количество воды, потребление воды при производстве водорода все равно будет намного меньше, чем другие потоки, используемые людьми. Еще одним ориентиром является то, что потребление воды на душу населения составляет от 75 (Люксембург) до 1200 (США) кубических метров в год. При среднем объеме производства водорода в 400 м3/(на душу населения в год) общий объем производства водорода в 2050 году будет эквивалентен объему производства в стране с населением 62 миллиона человек.
Сколько стоит вода и сколько энергии используется
расходы
Электролитические ячейки требуют воды высокого качества и требуют очистки воды. Вода более низкого качества приводит к более быстрому разложению и сокращению срока службы. Многие элементы, включая диафрагмы и катализаторы, используемые в щелочах, а также мембраны и пористые транспортные слои ПЭМ, могут подвергаться негативному воздействию примесей воды, таких как железо, хром, медь и т. д. Проводимость воды должна быть менее 1 мкСм/ см и общее содержание органического углерода менее 50 мкг/л.
На воду приходится относительно небольшая доля энергопотребления и затрат. Наихудшим сценарием для обоих параметров является опреснение. Обратный осмос является основной технологией опреснения воды, на которую приходится почти 70 процентов мировых мощностей. Стоимость технологии составляет 1900–2000 долларов США за м³/сутки, а скорость обучения составляет 15%. При такой инвестиционной стоимости стоимость очистки составляет около 1 доллара США/м³ и может быть ниже в районах с низкими затратами на электроэнергию.
Кроме того, стоимость доставки вырастет примерно на $1-2 за м³. Даже в этом случае затраты на очистку воды составляют около $0,05/кгH2. Для сравнения: стоимость возобновляемого водорода может составлять 2–3 доллара США/кг H2, если доступны хорошие возобновляемые ресурсы, тогда как стоимость среднего ресурса составляет 4–5 долларов США/кг H2.
Таким образом, в этом консервативном сценарии стоимость воды составит менее 2 процентов от общей суммы. Использование морской воды позволяет увеличить количество извлекаемой воды в 2,5–5 раз (по коэффициенту восстановления).
Потребление энергии
Если посмотреть на потребление энергии при опреснении, то оно также очень мало по сравнению с количеством электроэнергии, необходимой для подачи в электролизер. Действующая в настоящее время установка обратного осмоса потребляет около 3,0 кВт/м3. Напротив, термические опреснительные установки имеют гораздо более высокое энергопотребление: от 40 до 80 кВтч/м3, при этом дополнительная потребность в электроэнергии варьируется от 2,5 до 5 кВтч/м3, в зависимости от технологии опреснения. Если взять в качестве примера консервативный случай (т.е. более высокий спрос на энергию) когенерационной установки и предположить использование теплового насоса, то потребность в энергии будет преобразована примерно в 0,7 кВтч/кг водорода. Для сравнения: потребность электролизера в электроэнергии составляет около 50-55 кВтч/кг, поэтому даже в худшем случае потребность в энергии для опреснения составляет около 1% от общего количества энергии, потребляемой системой.
Одной из проблем опреснения является удаление соленой воды, которая может оказать воздействие на местные морские экосистемы. Этот рассол можно дополнительно обработать, чтобы снизить его воздействие на окружающую среду, тем самым увеличивая стоимость воды еще на 0,6–2,40 долл. США/м³. Кроме того, качество электролитической воды более строгое, чем у питьевой воды, и может привести к более высоким затратам на очистку, но ожидается, что они будут небольшими по сравнению с потребляемой мощностью.
Водный след электролитической воды для производства водорода — это очень специфический параметр местоположения, который зависит от наличия, потребления, деградации и загрязнения местной воды. Следует учитывать баланс экосистем и влияние долгосрочных климатических тенденций. Потребление воды станет серьезным препятствием на пути расширения использования возобновляемого водорода.
Время публикации: 08 марта 2023 г.