Koliko vode potrebujemo za proizvodnjo vodika z elektrolizo?

Koliko vode se porabi pri elektrolizi

Prvi korak: Proizvodnja vodika

Poraba vode izvira iz dveh korakov: proizvodnje vodika in proizvodnje nosilca energije navzgor. Za proizvodnjo vodika je najmanjša poraba elektrolizirane vode približno 9 kilogramov vode na kilogram vodika. Ob upoštevanju procesa demineralizacije vode pa lahko to razmerje znaša od 18 do 24 kilogramov vode na kilogram vodika ali celo od 25,7 do 30,2..

Za obstoječi proizvodni proces (metanski parni reforming) je minimalna poraba vode 4,5 kgH2O/kgH2 (potrebna za reakcijo), ob upoštevanju procesne vode in hlajenja je minimalna poraba vode 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.

2. korak: viri energije (obnovljiva elektrika ali zemeljski plin)

Druga komponenta je poraba vode za proizvodnjo električne energije iz obnovljivih virov in zemeljskega plina. Poraba vode pri fotovoltaiki se giblje med 50-400 litri /MWh (2,4-19kgH2O/kgH2), pri vetrni energiji pa med 5-45 litri /MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Podobno se lahko proizvodnja plina iz plina iz skrilavca (na podlagi podatkov ZDA) poveča z 1,14 kgH2O/kgH2 na 4,9 kgH2O/kgH2.

Skratka, povprečna skupna poraba vode za vodik, ustvarjen s fotovoltaično proizvodnjo energije in vetrno energijo, je približno 32 oziroma 22 kgH2O/kgH2. Negotovosti izvirajo iz sončnega sevanja, življenjske dobe in vsebnosti silicija. Ta poraba vode je enakega reda velikosti kot proizvodnja vodika iz zemeljskega plina (7,6–37 kgh2o/kgH2, s povprečjem 22 kgH2O/kgH2).

Skupni vodni odtis: nižji pri uporabi obnovljive energije

Podobno kot pri emisijah CO2 je predpogoj za nizek vodni odtis pri elektrolitskih poteh uporaba obnovljivih virov energije. Če se le majhen del električne energije proizvede iz fosilnih goriv, ​​je poraba vode, povezana z elektriko, veliko večja od dejanske porabe vode med elektrolizo.

Na primer, proizvodnja električne energije s plinom lahko porabi do 2.500 litrov / MWh vode. To je tudi najboljši primer za fosilna goriva (zemeljski plin). Če upoštevamo uplinjanje premoga, lahko proizvodnja vodika porabi 31-31,8 kgH2O/kgH2, proizvodnja premoga pa lahko porabi 14,7kgH2O/kgH2. Pričakuje se tudi, da se bo poraba vode iz fotovoltaike in vetra sčasoma zmanjšala, saj bodo proizvodni procesi postali učinkovitejši in se bo povečala proizvodnja energije na enoto nameščene zmogljivosti.

Skupna poraba vode v letu 2050

Pričakuje se, da bo svet v prihodnosti porabil mnogokrat več vodika kot danes. Na primer, IRENA's World Energy Transitions Outlook ocenjuje, da bo povpraševanje po vodiku leta 2050 znašalo približno 74 EJ, od česar bosta približno dve tretjini prihajali iz obnovljivega vodika. Za primerjavo, danes (čisti vodik) je 8,4EJ.

Tudi če bi elektrolitski vodik zadostil povpraševanju po vodiku do leta 2050, bi bila poraba vode okoli 25 milijard kubičnih metrov. Spodnja slika primerja to številko z drugimi tokovi porabe vode, ki jih je povzročil človek. Kmetijstvo porabi največ, 280 milijard kubičnih metrov vode, medtem ko industrija porabi skoraj 800 milijard kubičnih metrov, mesta pa 470 milijard kubičnih metrov. Trenutna poraba vode za reformiranje zemeljskega plina in uplinjanje premoga za proizvodnjo vodika je približno 1,5 milijarde kubičnih metrov.

Čeprav se pričakuje, da bodo zaradi sprememb v elektrolitskih poteh in naraščajočega povpraševanja porabljene velike količine vode, bo poraba vode pri proizvodnji vodika še vedno veliko manjša od drugih tokov, ki jih uporabljajo ljudje. Druga referenčna točka je, da je poraba vode na prebivalca med 75 (Luksemburg) in 1200 (ZDA) kubičnih metrov na leto. S povprečno 400 m3 / (na prebivalca * leto) je skupna proizvodnja vodika leta 2050 enakovredna proizvodnji v državi z 62 milijoni ljudi.

Koliko stane voda in koliko energije se porabi

stroški

Elektrolitske celice zahtevajo vodo visoke kakovosti in zahtevajo pripravo vode. Slabša kakovost vode povzroči hitrejšo razgradnjo in krajšo življenjsko dobo. Vodne nečistoče, kot so železo, krom, baker itd., lahko negativno vplivajo na številne elemente, vključno z diafragmami in katalizatorji, ki se uporabljajo v alkalijah, kot tudi na membrane in porozne transportne plasti PEM. Prevodnost vode mora biti manjša od 1μS/ cm in skupni organski ogljik manj kot 50μg/L.

Voda predstavlja razmeroma majhen delež porabe energije in stroškov. Najslabši možni scenarij za oba parametra je razsoljevanje. Reverzna osmoza je glavna tehnologija za razsoljevanje, ki predstavlja skoraj 70 odstotkov svetovne zmogljivosti. Tehnologija stane 1900-2000 $/m³/d in ima 15-odstotno krivuljo učenja. Pri teh naložbenih stroških je strošek obdelave približno 1 USD/m³ in je lahko nižji na območjih, kjer so stroški električne energije nizki.

Poleg tega se bodo stroški pošiljanja povečali za približno 1-2 USD na m³. Tudi v tem primeru so stroški obdelave vode približno 0,05 $/kgH2. Če pogledamo to v perspektivo, lahko stroški obnovljivega vodika znašajo 2–3 USD/kgH2, če so na voljo dobri obnovljivi viri, medtem ko je cena povprečnega vira 4–5 USD/kgH2.

Torej bi v tem konzervativnem scenariju voda stala manj kot 2 odstotka skupne cene. Uporaba morske vode lahko poveča količino pridobljene vode za 2,5- do 5-krat (v smislu faktorja obnovitve).

Poraba energije

Če pogledamo porabo energije pri razsoljevanju, je tudi ta zelo majhna v primerjavi s količino električne energije, ki je potrebna za vnos elektrolitske celice. Trenutno delujoča enota za reverzno osmozo porabi približno 3,0 kW/m3. Nasprotno pa imajo naprave za termično razsoljevanje veliko večjo porabo energije, ki se giblje od 40 do 80 KWH/m3, z dodatnimi zahtevami po moči od 2,5 do 5 KWH/m3, odvisno od tehnologije razsoljevanja. Če za primer vzamemo konzervativen primer (tj. večjo porabo energije) naprave za soproizvodnjo in ob predpostavki uporabe toplotne črpalke, bi povpraševanje po energiji pretvorili v približno 0,7 kWh/kg vodika. Če si to ogledamo v perspektivi, je povpraševanje po električni energiji elektrolitske celice približno 50-55 kWh/kg, tako da je celo v najslabšem primeru povpraševanje po energiji za razsoljevanje približno 1 % celotnega vnosa energije v sistem.

Eden od izzivov razsoljevanja je odstranjevanje slane vode, ki lahko vpliva na lokalne morske ekosisteme. To slanico je mogoče nadalje obdelati, da se zmanjša njen vpliv na okolje, s čimer se stroški vode povečajo za dodatnih 0,6–2,40 $/m³. Poleg tega je kakovost elektrolitske vode strožja od kakovosti pitne vode in lahko povzroči višje stroške obdelave, vendar se pričakuje, da bodo ti še vedno majhni v primerjavi z vhodno močjo.

Vodni odtis elektrolitske vode za proizvodnjo vodika je zelo specifičen lokacijski parameter, ki je odvisen od lokalne razpoložljivosti vode, porabe, degradacije in onesnaženosti. Upoštevati je treba ravnovesje ekosistemov in vpliv dolgoročnih podnebnih trendov. Poraba vode bo velika ovira za razširitev obnovljivega vodika.