Lượng nước tiêu thụ trong quá trình điện phân
Bước một: Sản xuất hydro
Tiêu thụ nước đến từ hai bước: sản xuất hydro và sản xuất chất mang năng lượng ngược dòng. Để sản xuất hydro, mức tiêu thụ nước điện phân tối thiểu là khoảng 9 kg nước cho mỗi kg hydro. Tuy nhiên, nếu tính đến quá trình khử khoáng của nước, tỷ lệ này có thể dao động từ 18 đến 24 kg nước trên mỗi kg hydro, thậm chí cao tới 25,7 đến 30,2..
Đối với quy trình sản xuất hiện tại (cải tạo hơi metan), lượng nước tiêu thụ tối thiểu là 4,5kgH2O/kgH2 (cần thiết cho phản ứng), có tính đến nước xử lý và làm mát, lượng nước tiêu thụ tối thiểu là 6,4-32,2kgH2O/kgH2.
Bước 2: Nguồn năng lượng (điện tái tạo hoặc khí tự nhiên)
Một thành phần khác là tiêu thụ nước để sản xuất điện tái tạo và khí đốt tự nhiên. Mức tiêu thụ nước của năng lượng quang điện dao động trong khoảng 50-400 lít/MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) và lượng nước tiêu thụ của năng lượng gió từ 5-45 lít/MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Tương tự, sản lượng khí từ khí đá phiến (dựa trên dữ liệu của Hoa Kỳ) có thể tăng từ 1,14kgH2O/kgH2 lên 4,9kgH2O/kgH2.
Tóm lại, tổng lượng nước tiêu thụ trung bình của hydro được tạo ra từ quá trình sản xuất năng lượng quang điện và năng lượng gió lần lượt là khoảng 32 và 22kgH2O/kgH2. Những điều không chắc chắn đến từ bức xạ mặt trời, tuổi thọ và hàm lượng silicon. Mức tiêu thụ nước này ngang bằng với mức độ sản xuất hydro từ khí tự nhiên (7,6-37 kgh2o /kgH2, với mức trung bình là 22kgH2O/kgH2).
Tổng lượng nước thải: Thấp hơn khi sử dụng năng lượng tái tạo
Tương tự như lượng khí thải CO2, điều kiện tiên quyết để giảm lượng nước sử dụng cho các tuyến điện phân là sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Nếu chỉ một phần nhỏ điện năng được tạo ra bằng nhiên liệu hóa thạch thì lượng nước tiêu thụ liên quan đến điện sẽ cao hơn nhiều so với lượng nước tiêu thụ thực tế trong quá trình điện phân.
Ví dụ, sản xuất điện bằng khí đốt có thể sử dụng tới 2.500 lít/MWh nước. Đây cũng là trường hợp tốt nhất đối với nhiên liệu hóa thạch (khí tự nhiên). Nếu xét đến quá trình khí hóa than, sản xuất hydro có thể tiêu thụ 31-31,8kgH2O/kgH2 và sản xuất than có thể tiêu thụ 14,7kgH2O/kgH2. Mức tiêu thụ nước từ quang điện và gió cũng dự kiến sẽ giảm theo thời gian khi các quy trình sản xuất trở nên hiệu quả hơn và sản lượng năng lượng trên mỗi đơn vị công suất lắp đặt được cải thiện.
Tổng lượng nước tiêu thụ vào năm 2050
Thế giới dự kiến sẽ sử dụng lượng hydro nhiều hơn gấp nhiều lần trong tương lai so với hiện nay. Ví dụ, Triển vọng Chuyển đổi Năng lượng Thế giới của IRENA ước tính rằng nhu cầu hydro vào năm 2050 sẽ vào khoảng 74EJ, trong đó khoảng 2/3 trong số đó sẽ đến từ hydro tái tạo. Để so sánh, ngày nay (hydro nguyên chất) là 8,4EJ.
Ngay cả khi hydro điện phân có thể đáp ứng nhu cầu hydro cho cả năm 2050, lượng nước tiêu thụ sẽ vào khoảng 25 tỷ mét khối. Hình dưới đây so sánh con số này với các dòng tiêu thụ nước nhân tạo khác. Nông nghiệp sử dụng lượng nước lớn nhất là 280 tỷ mét khối, trong khi công nghiệp sử dụng gần 800 tỷ mét khối và các thành phố sử dụng 470 tỷ mét khối. Lượng nước tiêu thụ hiện nay cho quá trình cải cách khí tự nhiên và khí hóa than để sản xuất hydro là khoảng 1,5 tỷ mét khối.
Do đó, mặc dù dự kiến lượng nước lớn sẽ được tiêu thụ do những thay đổi trong quá trình điện phân và nhu cầu ngày càng tăng, lượng nước tiêu thụ từ sản xuất hydro vẫn sẽ nhỏ hơn nhiều so với các dòng chảy khác mà con người sử dụng. Một điểm tham chiếu khác là mức tiêu thụ nước bình quân đầu người là từ 75 (Luxembourg) đến 1.200 (Mỹ) mét khối mỗi năm. Với mức trung bình 400 m3/(bình quân đầu người*năm), tổng sản lượng hydro vào năm 2050 tương đương với tổng sản lượng hydro của một quốc gia 62 triệu dân.
Bao nhiêu tiền nước và bao nhiêu năng lượng được sử dụng
trị giá
Tế bào điện phân yêu cầu nước chất lượng cao và cần xử lý nước. Nước chất lượng thấp hơn dẫn đến suy thoái nhanh hơn và tuổi thọ ngắn hơn. Nhiều thành phần, bao gồm màng ngăn và chất xúc tác được sử dụng trong chất kiềm, cũng như màng và lớp vận chuyển xốp của PEM, có thể bị ảnh hưởng bất lợi bởi các tạp chất trong nước như sắt, crom, đồng, v.v. Độ dẫn điện của nước yêu cầu phải nhỏ hơn 1μS/ cm và tổng lượng carbon hữu cơ nhỏ hơn 50μg/L.
Nước chiếm tỷ trọng tương đối nhỏ trong tiêu thụ năng lượng và chi phí. Trường hợp xấu nhất cho cả hai tham số là khử muối. Thẩm thấu ngược là công nghệ chính để khử muối, chiếm gần 70% công suất toàn cầu. Công nghệ này có giá $1900- $2000 / m³/d và có tỷ lệ đường cong học tập là 15%. Với chi phí đầu tư này, chi phí xử lý là khoảng 1 USD /m³ và có thể thấp hơn ở những khu vực có chi phí điện thấp.
Ngoài ra, chi phí vận chuyển sẽ tăng khoảng 1-2 USD/m³. Ngay cả trong trường hợp này, chi phí xử lý nước vẫn vào khoảng 0,05 USD/kgH2. Để so sánh điều này, chi phí của hydro tái tạo có thể là 2-3 USD/kgH2 nếu có sẵn nguồn tài nguyên tái tạo tốt, trong khi chi phí trung bình của nguồn tài nguyên này là 4-5 USD/kgH2.
Vì vậy, trong kịch bản thận trọng này, chi phí nước sẽ ít hơn 2% trên tổng chi phí. Việc sử dụng nước biển có thể làm tăng lượng nước thu hồi lên 2,5 đến 5 lần (xét về hệ số thu hồi).
Tiêu thụ năng lượng
Nhìn vào mức tiêu thụ năng lượng của quá trình khử muối, nó cũng rất nhỏ so với lượng điện cần thiết để đưa vào tế bào điện phân. Bộ thẩm thấu ngược đang hoạt động hiện tại tiêu thụ khoảng 3,0 kW/m3. Ngược lại, các nhà máy khử muối bằng nhiệt có mức tiêu thụ năng lượng cao hơn nhiều, dao động từ 40 đến 80 KWH/m3, với yêu cầu năng lượng bổ sung dao động từ 2,5 đến 5 KWH/m3, tùy thuộc vào công nghệ khử muối. Lấy trường hợp thận trọng (tức là nhu cầu năng lượng cao hơn) của nhà máy đồng phát làm ví dụ, giả sử sử dụng bơm nhiệt, nhu cầu năng lượng sẽ được chuyển đổi thành khoảng 0,7kWh/kg hydro. Để so sánh, nhu cầu điện của pin điện phân là khoảng 50-55kWh/kg, do đó, ngay cả trong trường hợp xấu nhất, nhu cầu năng lượng cho quá trình khử muối chỉ chiếm khoảng 1% tổng năng lượng đầu vào hệ thống.
Một thách thức của quá trình khử muối là xử lý nước mặn, điều này có thể tác động đến hệ sinh thái biển địa phương. Nước muối này có thể được xử lý thêm để giảm tác động đến môi trường, do đó làm tăng thêm 0,6-2,40 USD /m³ vào chi phí nước. Ngoài ra, chất lượng nước điện phân nghiêm ngặt hơn nước uống và có thể dẫn đến chi phí xử lý cao hơn, nhưng chi phí này được cho là vẫn nhỏ so với điện năng đầu vào.
Dấu chân nước của nước điện phân để sản xuất hydro là một thông số vị trí rất cụ thể, phụ thuộc vào nguồn nước sẵn có, mức tiêu thụ, sự suy thoái và ô nhiễm nước ở địa phương. Cần xem xét sự cân bằng của các hệ sinh thái và tác động của xu hướng khí hậu dài hạn. Tiêu thụ nước sẽ là trở ngại lớn cho việc mở rộng quy mô hydro tái tạo.
Thời gian đăng: Mar-08-2023