Elektroliz sırasında ne kadar su tüketilir?

Elektroliz sırasında ne kadar su tüketilir?

Birinci adım: Hidrojen üretimi

Su tüketimi iki aşamadan gelir: hidrojen üretimi ve yukarı yöndeki enerji taşıyıcı üretimi. Hidrojen üretimi için minimum elektrolize su tüketimi, kilogram hidrojen başına yaklaşık 9 kilogram sudur. Ancak suyun demineralizasyon süreci dikkate alındığında bu oran, kilogram hidrojen başına 18 ila 24 kilogram su, hatta 25,7 ila 30,2 gibi yüksek bir değere kadar çıkabilmektedir..

 

Mevcut üretim prosesi için (metan buhar reformasyonu), minimum su tüketimi 4,5 kgH2O/kgH2'dir (reaksiyon için gereklidir), proses suyu ve soğutma dikkate alındığında minimum su tüketimi 6,4-32,2 kgH2O/kgH2'dir.

 

Adım 2: Enerji kaynakları (yenilenebilir elektrik veya doğal gaz)

Diğer bir bileşen ise yenilenebilir elektrik ve doğal gaz üretmek için su tüketimidir. Fotovoltaik enerjinin su tüketimi 50-400 litre /MWh (2,4-19kgH2O/kgH2), rüzgar enerjisinin ise 5-45 litre /MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2) arasında değişmektedir. Benzer şekilde kaya gazından gaz üretimi (ABD verilerine göre) 1,14kgH2O/kgH2'den 4,9kgH2O/kgH2'ye yükseltilebilir.

 

Sonuç olarak, fotovoltaik enerji üretimi ve rüzgar enerjisi üretimi tarafından üretilen hidrojenin ortalama toplam su tüketimi sırasıyla yaklaşık 32 ve 22kgH2O/kgH2 civarındadır. Belirsizlikler güneş radyasyonundan, kullanım ömründen ve silikon içeriğinden kaynaklanmaktadır. Bu su tüketimi, doğalgazdan hidrojen üretimiyle aynı büyüklüktedir (7,6-37 kgh2o/kgH2, ortalama 22kgH2O/kgH2).

 

Toplam su ayak izi: Yenilenebilir enerji kullanıldığında daha düşük

CO2 emisyonlarına benzer şekilde, elektrolitik yollar için düşük su ayak izinin ön koşulu, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasıdır. Elektriğin yalnızca küçük bir kısmı fosil yakıtlar kullanılarak üretilse, elektrikle ilişkili su tüketimi, elektroliz sırasında tüketilen gerçek sudan çok daha yüksektir.

 

Örneğin gazdan elektrik üretiminde 2.500 litre/MWh'ye kadar su kullanılabilmektedir. Aynı zamanda fosil yakıtlar (doğal gaz) için de en iyi durumdur. Kömürün gazlaştırılması dikkate alınırsa hidrojen üretimi 31-31.8kgH2O/kgH2, kömür üretimi ise 14.7kgH2O/kgH2 tüketebilmektedir. Üretim süreçleri daha verimli hale geldikçe ve kurulu kapasite birimi başına enerji üretimi arttıkça fotovoltaik ve rüzgardan kaynaklanan su tüketiminin de zamanla azalması bekleniyor.

 

2050 yılında toplam su tüketimi

Dünyanın gelecekte bugün olduğundan kat kat daha fazla hidrojen kullanması bekleniyor. Örneğin, IRENA'nın Dünya Enerji Geçişleri Görünümü, 2050 yılında hidrojen talebinin yaklaşık 74EJ olacağını ve bunun yaklaşık üçte ikisinin yenilenebilir hidrojenden geleceğini tahmin ediyor. Karşılaştırıldığında, bugün (saf hidrojen) 8,4EJ'dir.

 

Elektrolitik hidrojen 2050 yılının tamamındaki hidrojen ihtiyacını karşılasa bile su tüketimi 25 milyar metreküp civarında olacaktır. Aşağıdaki şekil bu rakamı diğer insan yapımı su tüketim akışlarıyla karşılaştırmaktadır. En fazla su tüketimi 280 milyar metreküp ile tarımda, yaklaşık 800 milyar metreküp ile sanayi, 470 milyar metreküp ile şehirler kullanılıyor. Hidrojen üretimi için doğal gazın dönüştürülmesi ve kömürün gazlaştırılmasının mevcut su tüketimi yaklaşık 1,5 milyar metreküptür.

Bu nedenle, elektrolitik yollardaki değişiklikler ve artan talep nedeniyle büyük miktarda su tüketilmesi beklenmesine rağmen, hidrojen üretiminden kaynaklanan su tüketimi, insanlar tarafından kullanılan diğer akışlardan çok daha az olacaktır. Bir diğer referans noktası ise kişi başına su tüketiminin yılda 75 (Lüksemburg) ila 1.200 (ABD) metreküp arasında olmasıdır. Ortalama 400 m3/(kişi başına *yıl) 2050 yılında toplam hidrojen üretimi 62 milyon nüfuslu bir ülkenin üretimine eşdeğer olacaktır.

 

Ne kadar su maliyeti ve ne kadar enerji kullanılıyor?

 

maliyet

Elektrolitik hücreler yüksek kalitede suya ihtiyaç duyar ve su arıtımı gerektirir. Düşük kaliteli su, daha hızlı bozulmaya ve daha kısa ömre yol açar. Alkalilerde kullanılan diyaframlar ve katalizörlerin yanı sıra PEM'in membranları ve gözenekli taşıma katmanları da dahil olmak üzere pek çok element, demir, krom, bakır vb. gibi sudaki yabancı maddelerden olumsuz etkilenebilir. Su iletkenliğinin 1μS/'den az olması gerekir. cm ve toplam organik karbon 50μg/L’den az.

 

Su, enerji tüketimi ve maliyetlerinde nispeten küçük bir paya sahiptir. Her iki parametre için de en kötü senaryo tuzdan arındırmadır. Ters ozmoz, tuzdan arındırma için ana teknolojidir ve küresel kapasitenin yaklaşık yüzde 70'ini oluşturur. Teknolojinin maliyeti 1900-2000 $/m³/gün olup öğrenme eğrisi oranı %15'tir. Bu yatırım maliyetinde arıtma maliyeti yaklaşık 1 $ /m³ olup, elektrik maliyetlerinin düşük olduğu bölgelerde daha düşük olabilir.

 

Ayrıca nakliye maliyetleri m³ başına yaklaşık 1-2 $ artacaktır. Bu durumda bile su arıtma maliyetleri yaklaşık 0,05 $/kgH2 civarındadır. Bunu perspektife koymak gerekirse, eğer iyi yenilenebilir kaynaklar mevcutsa, yenilenebilir hidrojenin maliyeti 2-3 $ /kgH2 olabilirken, ortalama kaynağın maliyeti 4-5 $ /kgH2 olabilir.

 

Yani bu ihtiyatlı senaryoda suyun maliyeti toplamın yüzde 2'sinden daha az olacaktır. Deniz suyunun kullanılması, geri kazanılan su miktarını (geri kazanım faktörü açısından) 2,5 ila 5 kat artırabilir.

 

Enerji tüketimi

Tuzdan arındırma işleminin enerji tüketimine bakıldığında, elektrolitik hücreye girmek için gereken elektrik miktarıyla karşılaştırıldığında da çok küçüktür. Mevcut çalışan ters ozmoz ünitesi yaklaşık 3,0 kW/m3 tüketmektedir. Tersine, termal tuzdan arındırma tesisleri, tuzdan arındırma teknolojisine bağlı olarak 2,5 ila 5 KWH/m3 arasında değişen ek güç gereksinimleriyle birlikte 40 ila 80 KWH/m3 arasında değişen çok daha yüksek enerji tüketimine sahiptir. Örnek olarak bir kojenerasyon tesisinin ihtiyatlı durumunu (yani daha yüksek enerji talebini) ele alırsak, bir ısı pompasının kullanıldığı varsayılırsa, enerji talebi yaklaşık 0,7 kWh/kg hidrojene dönüştürülecektir. Bunu perspektife koymak gerekirse, elektrolitik hücrenin elektrik talebi yaklaşık 50-55kWh/kg'dır, dolayısıyla en kötü senaryoda bile tuzdan arındırma için enerji talebi, sisteme verilen toplam enerji girişinin yaklaşık %1'idir.

 

Tuzdan arındırmanın zorluklarından biri, yerel Deniz ekosistemleri üzerinde etkisi olabilecek tuzlu suyun bertaraf edilmesidir. Bu tuzlu su, çevresel etkisini azaltmak için daha fazla arıtılabilir, böylece su maliyetine 0,6-2,40 $/m³ daha eklenir. Ayrıca, elektrolitik su kalitesi içme suyuna göre daha sıkıdır ve daha yüksek arıtma maliyetlerine yol açabilir, ancak bunun yine de güç girişiyle karşılaştırıldığında küçük olması beklenmektedir.

Hidrojen üretimi için elektrolitik suyun su ayak izi, yerel su mevcudiyetine, tüketimine, bozulmasına ve kirliliğine bağlı olan çok özel bir konum parametresidir. Ekosistemlerin dengesi ve uzun vadeli iklim eğilimlerinin etkisi dikkate alınmalıdır. Su tüketimi yenilenebilir hidrojenin ölçeğinin arttırılmasının önünde büyük bir engel olacaktır.