Hoeveel water word deur elektrolise verbruik?

Hoeveel water word deur elektrolise verbruik

Stap een: Waterstofproduksie

Waterverbruik kom uit twee stappe: waterstofproduksie en stroomop-energiedraerproduksie. Vir waterstofproduksie is die minimum verbruik van geëlektroliseerde water ongeveer 9 kilogram water per kilogram waterstof. As die demineralisasieproses van water egter in ag geneem word, kan hierdie verhouding wissel van 18 tot 24 kilogram water per kilogram waterstof, of selfs so hoog as 25,7 tot 30,2..

 

Vir die bestaande produksieproses (metaanstoomreformering) is die minimum waterverbruik 4.5 kgH2O/kgH2 (benodig vir reaksie). Met inagneming van proseswater en verkoeling is die minimum waterverbruik 6.4-32.2 kgH2O/kgH2.

 

Stap 2: Energiebronne (hernubare elektrisiteit of natuurlike gas)

Nog 'n komponent is waterverbruik om hernubare elektrisiteit en natuurlike gas te produseer. Die waterverbruik van fotovoltaïese krag wissel tussen 50-400 liter /MWh (2.4-19 kgH2O/kgH2) en dié van windkrag tussen 5-45 liter /MWh (0.2-2.1 kgH2O/kgH2). Net so kan gasproduksie uit skaliegas (gebaseer op Amerikaanse data) verhoog word van 1.14 kgH2O/kgH2 tot 4.9 kgH2O/kgH2.

 

Ten slotte is die gemiddelde totale waterverbruik van waterstof wat deur fotovoltaïese kragopwekking en windkragopwekking opgewek word, onderskeidelik ongeveer 32 en 22 kgH2O/kgH2. Die onsekerhede kom van sonstraling, leeftyd en silikoninhoud. Hierdie waterverbruik is in dieselfde orde van grootte as waterstofproduksie uit natuurlike gas (7.6-37 kgh2o/kgH2, met 'n gemiddelde van 22 kgH2O/kgH2).

 

Totale watervoetspoor: Laer wanneer hernubare energie gebruik word

Soortgelyk aan CO2-uitlatings, is 'n voorvereiste vir 'n lae watervoetspoor vir elektrolitiese roetes die gebruik van hernubare energiebronne. As slegs 'n klein fraksie van die elektrisiteit met fossielbrandstowwe opgewek word, is die waterverbruik wat met elektrisiteit geassosieer word baie hoër as die werklike water wat tydens elektrolise verbruik word.

 

Byvoorbeeld, gaskragopwekking kan tot 2 500 liter/MWh water gebruik. Dit is ook die beste geval vir fossielbrandstowwe (aardgas). As steenkoolvergassing in ag geneem word, kan waterstofproduksie 31-31,8 kgH2O/kgH2 verbruik en steenkoolproduksie 14,7 kgH2O/kgH2. Waterverbruik van fotovoltaïese en windenergie sal na verwagting ook mettertyd afneem namate vervaardigingsprosesse meer doeltreffend word en energie-uitset per eenheid geïnstalleerde kapasiteit verbeter.

 

Totale waterverbruik in 2050

Daar word verwag dat die wêreld in die toekoms baie keer meer waterstof sal gebruik as vandag. IRENA se World Energy Transitions Outlook skat byvoorbeeld dat die waterstofvraag in 2050 ongeveer 74 EJ sal wees, waarvan ongeveer twee derdes van hernubare waterstof sal kom. Ter vergelyking is dit vandag (suiwer waterstof) 8.4 EJ.

 

Selfs al sou elektrolitiese waterstof in die waterstofvraag vir die hele 2050 kon voorsien, sou waterverbruik ongeveer 25 miljard kubieke meter wees. Die figuur hieronder vergelyk hierdie syfer met ander mensgemaakte waterverbruikstrome. Landbou gebruik die grootste hoeveelheid van 280 miljard kubieke meter water, terwyl die nywerheid byna 800 miljard kubieke meter gebruik en stede 470 miljard kubieke meter. Die huidige waterverbruik van aardgashervorming en steenkoolvergassing vir waterstofproduksie is ongeveer 1,5 miljard kubieke meter.

Dus, hoewel daar verwag word dat groot hoeveelhede water verbruik sal word as gevolg van veranderinge in elektrolitiese bane en groeiende vraag, sal die waterverbruik van waterstofproduksie steeds baie kleiner wees as ander vloeie wat deur mense gebruik word. Nog 'n verwysingspunt is dat die waterverbruik per capita tussen 75 (Luxemburg) en 1 200 (VS) kubieke meter per jaar is. Teen 'n gemiddelde van 400 m3 / (per capita * jaar) is die totale waterstofproduksie in 2050 gelykstaande aan dié van 'n land van 62 miljoen mense.

 

Hoeveel water kos en hoeveel energie word gebruik

 

koste

Elektrolitiese selle benodig hoë kwaliteit water en benodig waterbehandeling. Water van laer kwaliteit lei tot vinniger afbraak en korter lewensduur. Baie elemente, insluitend diafragma's en katalisators wat in alkaliese stowwe gebruik word, sowel as die membrane en poreuse transportlae van PEM, kan nadelig beïnvloed word deur wateronsuiwerhede soos yster, chroom, koper, ens. Watergeleidingsvermoë moet minder as 1 μS/cm wees en totale organiese koolstof minder as 50 μg/L.

 

Water maak 'n relatief klein deel van energieverbruik en -koste uit. Die ergste scenario vir beide parameters is ontsouting. Omgekeerde osmose is die hooftegnologie vir ontsouting, wat byna 70 persent van die wêreldkapasiteit uitmaak. Die tegnologie kos $1900-$2000 / m³/d en het 'n leerkurwe-tempo van 15%. Teen hierdie beleggingskoste is die behandelingskoste ongeveer $1 /m³, en kan laer wees in gebiede waar elektrisiteitskoste laag is.

 

Daarbenewens sal verskepingskoste met ongeveer $1-2 per m³ styg. Selfs in hierdie geval is waterbehandelingskoste ongeveer $0.05 /kgH2. Om dit in perspektief te plaas, kan die koste van hernubare waterstof $2-3 /kgH2 wees as goeie hernubare hulpbronne beskikbaar is, terwyl die koste van die gemiddelde hulpbron $4-5 /kgH2 is.

 

So in hierdie konserwatiewe scenario sal water minder as 2 persent van die totaal kos. Die gebruik van seewater kan die hoeveelheid water wat herwin word met 2,5 tot 5 keer verhoog (in terme van herwinningsfaktor).

 

Energieverbruik

As ons na die energieverbruik van ontsouting kyk, is dit ook baie klein in vergelyking met die hoeveelheid elektrisiteit wat benodig word om die elektrolitiese sel in te voer. Die huidige werkende omgekeerde osmose-eenheid verbruik ongeveer 3.0 kW/m3. In teenstelling hiermee het termiese ontsoutingsaanlegte 'n baie hoër energieverbruik, wat wissel van 40 tot 80 kWH/m3, met bykomende kragvereistes wat wissel van 2.5 tot 5 kWH/m3, afhangende van die ontsoutingstegnologie. As ons die konserwatiewe geval (d.w.s. hoër energievraag) van 'n kragopwekkingsaanleg as voorbeeld neem, en die gebruik van 'n hittepomp aanvaar, sal die energievraag omgeskakel word na ongeveer 0.7 kWh/kg waterstof. Om dit in perspektief te plaas, is die elektrisiteitsvraag van die elektrolitiese sel ongeveer 50-55 kWh/kg, so selfs in die ergste geval is die energievraag vir ontsouting ongeveer 1% van die totale energie-inset na die stelsel.

 

Een uitdaging van ontsouting is die wegdoening van soutwater, wat 'n impak op plaaslike mariene ekosisteme kan hê. Hierdie pekelwater kan verder behandel word om die omgewingsimpak te verminder, wat nog $0.6-2.40 /m³ by die koste van water voeg. Boonop is elektrolitiese watergehalte strenger as drinkwater en kan dit lei tot hoër behandelingskoste, maar daar word steeds verwag dat dit klein sal wees in vergelyking met die kragtoevoer.

Die watervoetspoor van elektrolitiese water vir waterstofproduksie is 'n baie spesifieke liggingsparameter wat afhang van plaaslike waterbeskikbaarheid, verbruik, degradasie en besoedeling. Die balans van ekosisteme en die impak van langtermyn-klimaattendense moet in ag geneem word. Waterverbruik sal 'n groot struikelblok wees vir die opskaal van hernubare waterstof.