ما هي كمية المياه المستهلكة في عملية التحليل الكهربائي؟

كمية المياه المستهلكة بالتحليل الكهربائي

الخطوة الأولى: إنتاج الهيدروجين

يتم استهلاك المياه على مرحلتين: إنتاج الهيدروجين وإنتاج ناقلات الطاقة الأولية. في إنتاج الهيدروجين، يبلغ الحد الأدنى لاستهلاك المياه المُحللة كهربائيًا حوالي 9 كيلوغرامات من الماء لكل كيلوغرام من الهيدروجين. ومع ذلك، مع الأخذ في الاعتبار عملية نزع المعادن من الماء، يمكن أن تتراوح هذه النسبة بين 18 و24 كيلوغرامًا من الماء لكل كيلوغرام من الهيدروجين، أو قد تصل إلى 25.7 و30.2 كيلوغرامًا..

 

بالنسبة لعملية الإنتاج الحالية (إصلاح بخار الميثان)، فإن الحد الأدنى لاستهلاك المياه هو 4.5 كجم ماء/كجم ماء (مطلوب للتفاعل)، مع الأخذ في الاعتبار مياه العملية والتبريد، فإن الحد الأدنى لاستهلاك المياه هو 6.4-32.2 كجم ماء/كجم ماء.

 

الخطوة 2: مصادر الطاقة (الكهرباء المتجددة أو الغاز الطبيعي)

من العوامل الأخرى استهلاك المياه لإنتاج الكهرباء المتجددة والغاز الطبيعي. يتراوح استهلاك المياه للطاقة الكهروضوئية بين 50 و400 لتر/ميغاواط/ساعة (2.4-19 كجم ماء/كجم ماء)، بينما يتراوح استهلاك طاقة الرياح بين 5 و45 لتر/ميغاواط/ساعة (0.2-2.1 كجم ماء/كجم ...

 

في الختام، يبلغ متوسط ​​إجمالي استهلاك المياه للهيدروجين المُولَّد من الطاقة الكهروضوئية وطاقة الرياح حوالي 32 و22 كجم ماء/كجم ماء، على التوالي. وتنبع هذه الشكوك من الإشعاع الشمسي، وعمر البطارية، ومحتوى السيليكون. ويُقارب هذا الاستهلاك المائي حجم إنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي (7.6-37 كجم ماء/كجم ماء، بمتوسط ​​22 كجم ماء/كجم ماء).

 

البصمة المائية الإجمالية: أقل عند استخدام الطاقة المتجددة

على غرار انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، يُعدّ استخدام مصادر الطاقة المتجددة شرطًا أساسيًا لانخفاض البصمة المائية لعمليات التحليل الكهربائي. فإذا كان جزء صغير فقط من الكهرباء يُولّد باستخدام الوقود الأحفوري، فإن استهلاك المياه المرتبط بالكهرباء يكون أعلى بكثير من استهلاك المياه الفعلي أثناء التحليل الكهربائي.

 

على سبيل المثال، يمكن أن يستهلك توليد الطاقة بالغاز ما يصل إلى 2500 لتر/ميغاواط/ساعة من المياه. وهو أيضًا أفضل سيناريو للوقود الأحفوري (الغاز الطبيعي). إذا أُخذ في الاعتبار تغويز الفحم، يمكن أن يستهلك إنتاج الهيدروجين ما بين 31 و31.8 كجم/كجم، بينما يستهلك إنتاج الفحم 14.7 كجم/كجم. ومن المتوقع أيضًا أن ينخفض ​​استهلاك المياه من الطاقة الكهروضوئية وطاقة الرياح بمرور الوقت مع زيادة كفاءة عمليات التصنيع وتحسّن إنتاج الطاقة لكل وحدة من القدرة المركبة.

 

إجمالي استهلاك المياه في عام 2050

من المتوقع أن يستهلك العالم كمياتٍ من الهيدروجين مستقبلًا أكبر بكثير مما يستهلكه اليوم. على سبيل المثال، يُقدّر تقرير "آفاق تحولات الطاقة العالمية" الصادر عن الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) أن الطلب على الهيدروجين في عام 2050 سيبلغ حوالي 74 إكساجول، وسيُشكّل الهيدروجين المتجدد ثلثيه تقريبًا. وبالمقارنة، يبلغ الطلب الحالي (الهيدروجين النقي) 8.4 إكساجول.

 

حتى لو استطاع الهيدروجين التحليلي الكهربائي تلبية الطلب على الهيدروجين حتى عام ٢٠٥٠، فسيبلغ استهلاك المياه حوالي ٢٥ مليار متر مكعب. يُقارن الشكل أدناه هذا الرقم بمصادر استهلاك المياه الأخرى من صنع الإنسان. تستهلك الزراعة أكبر كمية من المياه، وهي ٢٨٠ مليار متر مكعب، بينما تستهلك الصناعة ما يقرب من ٨٠٠ مليار متر مكعب، وتستخدم المدن ٤٧٠ مليار متر مكعب. ويبلغ استهلاك المياه الحالي في تحويل الغاز الطبيعي وتغويز الفحم لإنتاج الهيدروجين حوالي ١.٥ مليار متر مكعب.

وهكذا، على الرغم من توقع استهلاك كميات كبيرة من المياه نتيجةً لتغيرات المسارات الكهروليتية وتزايد الطلب، سيظل استهلاك المياه من إنتاج الهيدروجين أقل بكثير من التدفقات الأخرى التي يستخدمها البشر. ومن المؤشرات الأخرى أن استهلاك الفرد من المياه يتراوح بين 75 (لوكسمبورغ) و1200 (الولايات المتحدة) متر مكعب سنويًا. وبمتوسط ​​400 متر مكعب / (للفرد * سنويًا)، فإن إجمالي إنتاج الهيدروجين في عام 2050 يعادل إنتاج دولة يبلغ عدد سكانها 62 مليون نسمة.

 

كم تكلفة المياه وكم الطاقة المستخدمة

 

يكلف

تتطلب الخلايا التحليلية الكهربائية مياهًا عالية الجودة وتتطلب معالجة. يؤدي انخفاض جودة المياه إلى تحلل أسرع وعمر افتراضي أقصر. يمكن أن تتأثر العديد من العناصر، بما في ذلك الأغشية والمحفزات المستخدمة في القلويات، بالإضافة إلى الأغشية وطبقات النقل المسامية في غشاء البوليمر التبادلي (PEM)، سلبًا بشوائب الماء مثل الحديد والكروم والنحاس وغيرها. يجب أن تكون موصلية الماء أقل من 1 ميكرو سيمنز/سم، وأن يكون إجمالي الكربون العضوي أقل من 50 ميكروغرام/لتر.

 

تُشكل المياه حصةً ضئيلةً نسبيًا من استهلاك الطاقة وتكاليفها. ويُعدّ تحلية المياه أسوأ سيناريو لكلا العاملين. وتُعدّ تقنية التناضح العكسي التقنية الرئيسية لتحلية المياه، حيث تُمثّل ما يقرب من 70% من الطاقة الإنتاجية العالمية. وتتراوح تكلفة هذه التقنية بين 1900 و2000 دولار أمريكي للمتر المكعب يوميًا، ويبلغ معدل تعلمها 15%. وبهذا الاستثمار، تبلغ تكلفة المعالجة حوالي دولار أمريكي واحد للمتر المكعب، وقد تكون أقل في المناطق التي تكون فيها تكاليف الكهرباء منخفضة.

 

بالإضافة إلى ذلك، سترتفع تكاليف الشحن بحوالي دولار إلى دولارين للمتر المكعب. وحتى في هذه الحالة، تبلغ تكاليف معالجة المياه حوالي 0.05 دولار/كجم من الهيدروجين. ولتوضيح ذلك، يمكن أن تتراوح تكلفة الهيدروجين المتجدد بين دولارين وثلاثة دولارات/كجم من الهيدروجين في حال توفر موارد متجددة جيدة، بينما تتراوح تكلفة المورد المتوسط ​​بين 4 و5 دولارات/كجم من الهيدروجين.

 

في هذا السيناريو المُحافظ، ستُكلِّف المياه أقل من ٢٪ من إجمالي التكلفة. ويمكن أن يُؤدِّي استخدام مياه البحر إلى زيادة كمية المياه المُستردة بمقدار ٢٫٥ إلى ٥ مرات (من حيث مُعامل الاسترداد).

 

استهلاك الطاقة

بالنظر إلى استهلاك الطاقة في تحلية المياه، فهو أيضًا صغير جدًا مقارنة بكمية الكهرباء اللازمة لإدخال الخلية الكهروليتية. تستهلك وحدة التناضح العكسي العاملة حاليًا حوالي 3.0 كيلو واط/م3. في المقابل، تتمتع محطات تحلية المياه الحرارية باستهلاك طاقة أعلى بكثير، يتراوح من 40 إلى 80 كيلو واط/م3، مع متطلبات طاقة إضافية تتراوح من 2.5 إلى 5 كيلو واط/م3، اعتمادًا على تقنية تحلية المياه. مع الأخذ في الاعتبار الحالة المحافظة (أي ارتفاع الطلب على الطاقة) لمحطة التوليد المشترك كمثال، وبافتراض استخدام مضخة حرارية، سيتم تحويل الطلب على الطاقة إلى حوالي 0.7 كيلو واط/كجم من الهيدروجين. لوضع هذا في المنظور، يبلغ الطلب على الكهرباء للخلية الكهروليتية حوالي 50-55 كيلو واط/كجم، لذلك حتى في أسوأ السيناريوهات، فإن الطلب على الطاقة لتحلية المياه هو حوالي 1٪ من إجمالي مدخلات الطاقة للنظام.

 

أحد تحديات تحلية المياه هو التخلص من المياه المالحة، مما قد يؤثر على النظم البيئية البحرية المحلية. يمكن معالجة هذا المحلول الملحي بشكل أكبر لتقليل أثره البيئي، مما يضيف ما بين 0.6 و2.40 دولار أمريكي/متر مكعب إلى تكلفة المياه. إضافةً إلى ذلك، تُعدّ جودة المياه المُحللة كهربائيًا أكثر صرامةً من مياه الشرب، وقد تؤدي إلى ارتفاع تكاليف المعالجة، ولكن من المتوقع أن تكون هذه التكاليف ضئيلة مقارنةً باستهلاك الطاقة.

تُعدّ البصمة المائية للمياه المُحللة كهربائيًا لإنتاج الهيدروجين معيارًا دقيقًا للغاية للموقع، ويعتمد على توفر المياه محليًا، واستهلاكها، وتدهورها، وتلوثها. ينبغي مراعاة توازن النظم البيئية وتأثير الاتجاهات المناخية طويلة المدى. سيُشكّل استهلاك المياه عائقًا رئيسيًا أمام توسيع نطاق الهيدروجين المتجدد.