อิเล็กโทรไลซิสใช้น้ำเท่าใด ?

อิเล็กโทรไลซิสใช้น้ำเท่าใด

ขั้นตอนที่หนึ่ง: การผลิตไฮโดรเจน

การใช้น้ำมาจากสองขั้นตอน: การผลิตไฮโดรเจนและการผลิตตัวพาพลังงานต้นน้ำ สำหรับการผลิตไฮโดรเจน ปริมาณการใช้น้ำอิเล็กโทรไลต์ขั้นต่ำคือประมาณ 9 กิโลกรัมน้ำต่อไฮโดรเจน 1 กิโลกรัม อย่างไรก็ตาม เมื่อคำนึงถึงกระบวนการกำจัดแร่ธาตุของน้ำ อัตราส่วนนี้อาจอยู่ในช่วงตั้งแต่ 18 ถึง 24 กิโลกรัมของน้ำต่อไฮโดรเจนหนึ่งกิโลกรัม หรือสูงถึง 25.7 ถึง 30.2.

 

สำหรับกระบวนการผลิตที่มีอยู่ (การปฏิรูปไอน้ำมีเทน) ปริมาณการใช้น้ำขั้นต่ำคือ 4.5kgH2O/kgH2 (จำเป็นสำหรับปฏิกิริยา) โดยคำนึงถึงน้ำในกระบวนการและการหล่อเย็น ปริมาณการใช้น้ำขั้นต่ำคือ 6.4-32.2kgH2O/kgH2

 

ขั้นตอนที่ 2: แหล่งพลังงาน (ไฟฟ้าหมุนเวียนหรือก๊าซธรรมชาติ)

อีกองค์ประกอบหนึ่งคือการใช้น้ำเพื่อผลิตไฟฟ้าทดแทนและก๊าซธรรมชาติ ปริมาณการใช้น้ำของพลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์แตกต่างกันไประหว่าง 50-400 ลิตร /MWh (2.4-19kgH2O/kgH2) และปริมาณการใช้น้ำของพลังงานลมระหว่าง 5-45 ลิตร /MWh (0.2-2.1kgH2O/kgH2) ในทำนองเดียวกัน การผลิตก๊าซจากชั้นหิน (ตามข้อมูลของสหรัฐอเมริกา) สามารถเพิ่มจาก 1.14kgH2O/kgH2 เป็น 4.9kgH2O/kgH2

 

โดยสรุป ปริมาณการใช้น้ำโดยเฉลี่ยของไฮโดรเจนที่เกิดจากการผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์และการผลิตพลังงานลมอยู่ที่ประมาณ 32 และ 22kgH2O/kgH2 ตามลำดับ ความไม่แน่นอนนี้มาจากการแผ่รังสีแสงอาทิตย์ อายุการใช้งาน และปริมาณซิลิคอน ปริมาณการใช้น้ำนี้อยู่ในลำดับความสำคัญเดียวกันกับการผลิตไฮโดรเจนจากก๊าซธรรมชาติ (7.6-37 kgh2o /kgH2 โดยมีค่าเฉลี่ย 22kgH2O/kgH2)

 

ปริมาณการใช้น้ำทั้งหมด: ลดลงเมื่อใช้พลังงานหมุนเวียน

เช่นเดียวกับการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับปริมาณน้ำที่ต่ำสำหรับเส้นทางอิเล็กโทรไลต์คือการใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียน หากมีการผลิตไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยโดยใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล ปริมาณการใช้น้ำที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้าจะสูงกว่าปริมาณน้ำจริงที่ใช้ในระหว่างการอิเล็กโทรไลซิสมาก

 

ตัวอย่างเช่น การผลิตไฟฟ้าจากก๊าซสามารถใช้น้ำได้ถึง 2,500 ลิตร /MWh นอกจากนี้ยังเป็นกรณีที่ดีที่สุดสำหรับเชื้อเพลิงฟอสซิล (ก๊าซธรรมชาติ) หากพิจารณาการเปลี่ยนสภาพเป็นแก๊สถ่านหิน การผลิตไฮโดรเจนสามารถใช้ 31-31.8kgH2O/kgH2 และการผลิตถ่านหินสามารถใช้ 14.7kgH2O/kgH2 ปริมาณการใช้น้ำจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์และลมก็คาดว่าจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป เนื่องจากกระบวนการผลิตมีประสิทธิภาพมากขึ้น และผลผลิตพลังงานต่อหน่วยของกำลังการผลิตติดตั้งดีขึ้น

 

ปริมาณการใช้น้ำทั้งหมดในปี 2593

โลกคาดว่าจะใช้ไฮโดรเจนในอนาคตมากกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบันหลายเท่า ตัวอย่างเช่น World Energy Transitions Outlook ของ IRENA ประมาณการว่าความต้องการไฮโดรเจนในปี 2593 จะอยู่ที่ประมาณ 74EJ ซึ่งประมาณสองในสามจะมาจากไฮโดรเจนหมุนเวียน เมื่อเปรียบเทียบแล้ว วันนี้ (ไฮโดรเจนบริสุทธิ์) คือ 8.4EJ

 

แม้ว่าไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้าจะสามารถตอบสนองความต้องการไฮโดรเจนได้ตลอดปี 2593 แต่ปริมาณการใช้น้ำก็จะอยู่ที่ประมาณ 25 พันล้านลูกบาศก์เมตร ภาพด้านล่างเปรียบเทียบตัวเลขนี้กับแหล่งน้ำที่มนุษย์สร้างขึ้นอื่นๆ เกษตรกรรมใช้น้ำปริมาณมากที่สุดถึง 280 พันล้านลูกบาศก์เมตร ในขณะที่อุตสาหกรรมใช้น้ำเกือบ 800 พันล้านลูกบาศก์เมตร และเมืองต่างๆ ใช้น้ำ 470 พันล้านลูกบาศก์เมตร ปริมาณการใช้น้ำในปัจจุบันของการปฏิรูปก๊าซธรรมชาติและการแปรสภาพเป็นแก๊สถ่านหินเพื่อการผลิตไฮโดรเจนอยู่ที่ประมาณ 1.5 พันล้านลูกบาศก์เมตร

ดังนั้น แม้ว่าคาดว่าจะมีการใช้น้ำปริมาณมากเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในเส้นทางอิเล็กโทรไลต์และความต้องการที่เพิ่มขึ้น แต่การใช้น้ำจากการผลิตไฮโดรเจนจะยังคงน้อยกว่ากระแสอื่นที่มนุษย์ใช้มาก จุดอ้างอิงอีกจุดหนึ่งคือปริมาณการใช้น้ำต่อหัวอยู่ระหว่าง 75 (ลักเซมเบิร์ก) ถึง 1,200 (สหรัฐอเมริกา) ลูกบาศก์เมตรต่อปี ที่เฉลี่ย 400 ลบ.ม. / (ต่อหัว * ปี) การผลิตไฮโดรเจนทั้งหมดในปี 2593 เทียบเท่ากับการผลิตของประเทศที่มีประชากร 62 ล้านคน

 

ค่าน้ำเท่าไหร่และใช้พลังงานเท่าไร

 

ค่าใช้จ่าย

เซลล์อิเล็กโทรไลต์ต้องการน้ำคุณภาพสูงและต้องมีการบำบัดน้ำ น้ำคุณภาพต่ำนำไปสู่การย่อยสลายเร็วขึ้นและอายุการใช้งานสั้นลง องค์ประกอบหลายอย่าง รวมถึงไดอะแฟรมและตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในอัลคาไลน์ รวมถึงเมมเบรนและชั้นการลำเลียงที่มีรูพรุนของ PEM อาจได้รับผลกระทบในทางลบจากสิ่งเจือปนในน้ำ เช่น เหล็ก โครเมียม ทองแดง ฯลฯ ค่าการนำไฟฟ้าของน้ำจะต้องน้อยกว่า 1μS/ cm และอินทรีย์คาร์บอนรวมน้อยกว่า 50μg/L

 

น้ำมีส่วนแบ่งการใช้พลังงานและต้นทุนค่อนข้างน้อย สถานการณ์กรณีที่เลวร้ายที่สุดสำหรับพารามิเตอร์ทั้งสองคือการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล รีเวอร์สออสโมซิสเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล ซึ่งคิดเป็นเกือบร้อยละ 70 ของกำลังการผลิตทั่วโลก เทคโนโลยีนี้มีราคา $1,900- $2,000 / m³/d และมีอัตราการเรียนรู้ที่ 15% ด้วยต้นทุนการลงทุนนี้ ค่าบำบัดจะอยู่ที่ประมาณ 1 เหรียญสหรัฐ /ลบ.ม. และอาจต่ำกว่านี้ในพื้นที่ที่ค่าไฟฟ้าต่ำ

 

นอกจากนี้ ค่าขนส่งจะเพิ่มขึ้นประมาณ 1-2 ดอลลาร์ต่อลูกบาศก์เมตร แม้ในกรณีนี้ ต้นทุนการบำบัดน้ำจะอยู่ที่ประมาณ 0.05 เหรียญสหรัฐฯ /kgH2 ในมุมมองนี้ ต้นทุนของไฮโดรเจนหมุนเวียนอาจอยู่ที่ 2-3 เหรียญสหรัฐ /kgH2 หากมีทรัพยากรหมุนเวียนที่ดี ในขณะที่ต้นทุนของทรัพยากรโดยเฉลี่ยอยู่ที่ 4-5 เหรียญสหรัฐ /kgH2

 

ดังนั้นในสถานการณ์อนุรักษ์นิยมนี้ น้ำจะมีราคาน้อยกว่า 2 เปอร์เซ็นต์ของทั้งหมด การใช้น้ำทะเลสามารถเพิ่มปริมาณน้ำที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ 2.5 ถึง 5 เท่า (ในแง่ของปัจจัยการฟื้นตัว)

 

การใช้พลังงาน

เมื่อพิจารณาถึงการใช้พลังงานของการแยกเกลือออกจากน้ำทะเลแล้ว ยังมีปริมาณน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาณไฟฟ้าที่ต้องใช้ในการป้อนเซลล์อิเล็กโทรไลต์ ระบบรีเวิร์สออสโมซิสที่ทำงานอยู่ในปัจจุบันกินไฟประมาณ 3.0 กิโลวัตต์ต่อลูกบาศก์เมตร ในทางตรงกันข้าม โรงแยกน้ำทะเลด้วยความร้อนมีการใช้พลังงานที่สูงกว่ามาก ตั้งแต่ 40 ถึง 80 KWH/m3 โดยมีความต้องการพลังงานเพิ่มเติมตั้งแต่ 2.5 ถึง 5 KWH/m3 ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล ยกตัวอย่างกรณีอนุรักษ์นิยม (เช่น ความต้องการพลังงานที่สูงขึ้น) ของโรงไฟฟ้าพลังร่วม โดยสมมติว่าใช้ปั๊มความร้อน ความต้องการพลังงานจะถูกแปลงเป็นไฮโดรเจนประมาณ 0.7 กิโลวัตต์ชั่วโมง/กิโลกรัม ในมุมมองนี้ ความต้องการไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรไลต์อยู่ที่ประมาณ 50-55kWh/kg ดังนั้นแม้ในสถานการณ์กรณีที่เลวร้ายที่สุด ความต้องการพลังงานสำหรับการแยกเกลือออกจะอยู่ที่ประมาณ 1% ของพลังงานทั้งหมดที่ป้อนเข้าระบบ

 

ความท้าทายประการหนึ่งของการแยกเกลือออกจากน้ำทะเลคือการกำจัดน้ำเค็ม ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศทางทะเลในท้องถิ่น น้ำเกลือนี้สามารถบำบัดเพิ่มเติมได้เพื่อลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม โดยจะเพิ่มอีก 0.6-2.40 เหรียญสหรัฐ /ลบ.ม. ให้กับต้นทุนน้ำ นอกจากนี้ คุณภาพน้ำด้วยไฟฟ้ายังเข้มงวดกว่าน้ำดื่มและอาจส่งผลให้ต้นทุนการบำบัดสูงขึ้น แต่คาดว่าจะยังน้อยเมื่อเทียบกับกำลังไฟเข้า

ปริมาณการใช้น้ำของน้ำด้วยไฟฟ้าสำหรับการผลิตไฮโดรเจนเป็นพารามิเตอร์ตำแหน่งที่เฉพาะเจาะจงมาก ซึ่งขึ้นอยู่กับความพร้อมใช้ของน้ำในท้องถิ่น ปริมาณการใช้ การย่อยสลาย และมลพิษ ควรคำนึงถึงความสมดุลของระบบนิเวศและผลกระทบของแนวโน้มสภาพภูมิอากาศในระยะยาว ปริมาณการใช้น้ำจะเป็นอุปสรรคสำคัญในการเพิ่มปริมาณไฮโดรเจนหมุนเวียน