ما مقدار الماء الذي تستهلكه عملية التحليل الكهربائي؟

كمية الماء المستهلكة في عملية التحليل الكهربائي

الخطوة الأولى: إنتاج الهيدروجين

ينشأ استهلاك الماء من خطوتين: إنتاج الهيدروجين وإنتاج ناقلات الطاقة الأولية. في إنتاج الهيدروجين، يبلغ الحد الأدنى لاستهلاك الماء المُحلل كهربائيًا حوالي 9 كيلوغرامات من الماء لكل كيلوغرام من الهيدروجين. ومع ذلك، مع الأخذ في الاعتبار عملية إزالة المعادن من الماء، يمكن أن تتراوح هذه النسبة بين 18 و24 كيلوغرامًا من الماء لكل كيلوغرام من الهيدروجين، أو حتى تصل إلى 25.7 إلى 30.2 كيلوغرامًا..

 

بالنسبة لعملية الإنتاج الحالية (إصلاح الميثان بالبخار)، فإن الحد الأدنى لاستهلاك المياه هو 4.5 كجم H2O/كجم H2 (المطلوب للتفاعل)، مع الأخذ في الاعتبار مياه العملية والتبريد، فإن الحد الأدنى لاستهلاك المياه هو 6.4-32.2 كجم H2O/كجم H2.

 

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

يُعد استهلاك المياه لإنتاج الكهرباء المتجددة والغاز الطبيعي عنصرًا آخر مهمًا. يتراوح استهلاك المياه في الطاقة الكهروضوئية بين 50 و400 لتر/ميغاواط ساعة (2.4-19 كجم ماء/كجم هيدروجين)، بينما يتراوح في طاقة الرياح بين 5 و45 لتر/ميغاواط ساعة (0.2-2.1 كجم ماء/كجم هيدروجين). وبالمثل، يمكن زيادة إنتاج الغاز من الغاز الصخري (استنادًا إلى بيانات أمريكية) من 1.14 كجم ماء/كجم هيدروجين إلى 4.9 كجم ماء/كجم هيدروجين.

 

في الختام، يبلغ متوسط ​​إجمالي استهلاك الماء لإنتاج الهيدروجين من الطاقة الكهروضوئية وطاقة الرياح حوالي 32 و22 كيلوغرامًا من الماء لكل كيلوغرام من الهيدروجين على التوالي. وتنشأ هذه التفاوتات من الإشعاع الشمسي، وعمر النظام، ومحتوى السيليكون. ويُعدّ هذا الاستهلاك المائي مماثلاً تقريبًا لاستهلاك الهيدروجين المُنتَج من الغاز الطبيعي (7.6-37 كيلوغرامًا من الماء لكل كيلوغرام من الهيدروجين، بمتوسط ​​22 كيلوغرامًا من الماء لكل كيلوغرام من الهيدروجين).

 

إجمالي البصمة المائية: أقل عند استخدام الطاقة المتجددة

على غرار انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، يُعدّ استخدام مصادر الطاقة المتجددة شرطًا أساسيًا لتقليل استهلاك المياه في عمليات التحليل الكهربائي. فإذا تم توليد جزء صغير فقط من الكهرباء باستخدام الوقود الأحفوري، فإن استهلاك المياه المرتبط بتوليد الكهرباء يكون أعلى بكثير من كمية المياه المستهلكة فعليًا أثناء عملية التحليل الكهربائي.

 

على سبيل المثال، قد يستهلك توليد الطاقة بالغاز ما يصل إلى 2500 لتر/ميغاواط ساعة من الماء. ويُعدّ هذا الخيار الأمثل للوقود الأحفوري (الغاز الطبيعي). أما عند الأخذ في الاعتبار تغويز الفحم، فقد يستهلك إنتاج الهيدروجين ما بين 31 و31.8 كيلوغرام من الماء لكل كيلوغرام من الهيدروجين، بينما يستهلك إنتاج الفحم 14.7 كيلوغرام من الماء لكل كيلوغرام من الهيدروجين. ومن المتوقع أيضًا انخفاض استهلاك المياه من الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح بمرور الوقت مع ازدياد كفاءة عمليات التصنيع وتحسّن إنتاج الطاقة لكل وحدة من القدرة المركبة.

 

إجمالي استهلاك المياه في عام 2050

من المتوقع أن يستهلك العالم في المستقبل كميات من الهيدروجين تفوق استهلاكه الحالي بأضعاف كثيرة. فعلى سبيل المثال، تشير تقديرات تقرير آفاق تحولات الطاقة العالمية الصادر عن الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) إلى أن الطلب على الهيدروجين في عام 2050 سيبلغ حوالي 74 إكساجول، سيأتي ثلثاها تقريبًا من الهيدروجين المتجدد. وبالمقارنة، يبلغ الطلب الحالي (للهيدروجين النقي) 8.4 إكساجول.

 

حتى لو استطاع الهيدروجين المُنتَج بالتحليل الكهربائي تلبية الطلب على الهيدروجين طوال عام 2050، فإن استهلاك المياه سيبلغ حوالي 25 مليار متر مكعب. يقارن الشكل أدناه هذا الرقم باستهلاك المياه في مصادر أخرى من صنع الإنسان. يستهلك القطاع الزراعي الكمية الأكبر من المياه، حيث يبلغ 280 مليار متر مكعب، بينما يستهلك القطاع الصناعي ما يقارب 800 مليار متر مكعب، وتستهلك المدن 470 مليار متر مكعب. أما الاستهلاك الحالي للمياه في عمليات إصلاح الغاز الطبيعي وتغويز الفحم لإنتاج الهيدروجين فيبلغ حوالي 1.5 مليار متر مكعب.

وبالتالي، فرغم توقع استهلاك كميات كبيرة من المياه نتيجةً للتغيرات في مسارات التحليل الكهربائي وتزايد الطلب، سيظل استهلاك المياه في إنتاج الهيدروجين أقل بكثير من استهلاك المياه في الاستخدامات البشرية الأخرى. ومن الجدير بالذكر أن متوسط ​​استهلاك الفرد من المياه يتراوح بين 75 مترًا مكعبًا سنويًا (في لوكسمبورغ) و1200 متر مكعب سنويًا (في الولايات المتحدة). وبمعدل 400 متر مكعب سنويًا للفرد، يُعادل إجمالي إنتاج الهيدروجين في عام 2050 إنتاج دولة يبلغ عدد سكانها 62 مليون نسمة.

 

كم تبلغ تكلفة المياه وكمية الطاقة المستخدمة

 

يكلف

تتطلب الخلايا الإلكتروليتية مياه عالية الجودة ومعالجةً خاصة. يؤدي انخفاض جودة المياه إلى تسارع التلف وتقصير عمرها. تتأثر العديد من العناصر، بما في ذلك الأغشية والمحفزات المستخدمة في الخلايا القلوية، بالإضافة إلى الأغشية وطبقات النقل المسامية في خلايا PEM، سلبًا بشوائب المياه مثل الحديد والكروم والنحاس وغيرها. يجب ألا تتجاوز موصلية الماء 1 ميكروسيمنز/سم، وأن يكون إجمالي الكربون العضوي أقل من 50 ميكروغرام/لتر.

 

يمثل الماء نسبة ضئيلة نسبيًا من استهلاك الطاقة وتكاليفها. ويُعدّ تحلية المياه أسوأ سيناريو ممكن لكلا العاملين. وتُعتبر تقنية التناضح العكسي التقنية الرئيسية لتحلية المياه، إذ تُغطي ما يقارب 70% من القدرة العالمية. وتتراوح تكلفة هذه التقنية بين 1900 و2000 دولار أمريكي للمتر المكعب يوميًا، وتتطلب فترة تدريب بنسبة 15%. وبهذا الاستثمار، تبلغ تكلفة المعالجة حوالي دولار واحد للمتر المكعب، وقد تكون أقل في المناطق ذات تكلفة الكهرباء المنخفضة.

 

بالإضافة إلى ذلك، سترتفع تكاليف الشحن بنحو دولار إلى دولارين لكل متر مكعب. وحتى في هذه الحالة، تبلغ تكاليف معالجة المياه حوالي 0.05 دولار لكل كيلوغرام من الهيدروجين. ولتوضيح ذلك، يمكن أن تصل تكلفة الهيدروجين المتجدد إلى 2-3 دولارات لكل كيلوغرام من الهيدروجين في حال توفر موارد متجددة جيدة، بينما تبلغ تكلفة الموارد العادية 4-5 دولارات لكل كيلوغرام من الهيدروجين.

 

في هذا السيناريو المتحفظ، ستكون تكلفة المياه أقل من 2% من الإجمالي. ويمكن أن يؤدي استخدام مياه البحر إلى زيادة كمية المياه المستردة من 2.5 إلى 5 أضعاف (من حيث عامل الاسترداد).

 

استهلاك الطاقة

عند النظر إلى استهلاك الطاقة في تحلية المياه، نجد أنه ضئيل للغاية مقارنةً بكمية الكهرباء اللازمة لتشغيل خلية التحليل الكهربائي. تستهلك وحدة التناضح العكسي العاملة حاليًا حوالي 3.0 كيلوواط/م³. في المقابل، تستهلك محطات التحلية الحرارية طاقةً أعلى بكثير، تتراوح بين 40 و80 كيلوواط/م³، مع متطلبات طاقة إضافية تتراوح بين 2.5 و5 كيلوواط/م³، وذلك حسب تقنية التحلية المستخدمة. لنأخذ مثالًا على الحالة المُتحفظة (أي الطلب الأعلى على الطاقة) لمحطة توليد الطاقة المشتركة، بافتراض استخدام مضخة حرارية، فإن الطلب على الطاقة سيُحوّل إلى حوالي 0.7 كيلوواط/كغ من الهيدروجين. ولتوضيح ذلك، يبلغ الطلب على الكهرباء لخلية التحليل الكهربائي حوالي 50-55 كيلوواط/كغ، لذا حتى في أسوأ السيناريوهات، فإن الطلب على الطاقة لتحلية المياه لا يتجاوز 1% من إجمالي الطاقة المُدخلة إلى النظام.

 

من تحديات تحلية المياه التخلص من المياه المالحة، مما قد يؤثر على النظم البيئية البحرية المحلية. يمكن معالجة هذا المحلول الملحي لتقليل أثره البيئي، ما يضيف ما بين 0.6 و2.40 دولارًا أمريكيًا للمتر المكعب إلى تكلفة المياه. إضافةً إلى ذلك، فإن جودة المياه المُحَلَّلة كهربائيًا أكثر صرامة من مياه الشرب، وقد ينتج عنها تكاليف معالجة أعلى، إلا أنه من المتوقع أن تظل هذه التكاليف ضئيلة مقارنةً باستهلاك الطاقة.

يُعدّ استهلاك المياه الناتج عن التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين عاملاً بالغ الأهمية، إذ يعتمد على الموقع الجغرافي، وعلى توافر المياه محلياً، واستهلاكها، وتدهورها، وتلوثها. وينبغي مراعاة توازن النظم البيئية وتأثيرات التغيرات المناخية طويلة الأجل. وسيمثل استهلاك المياه عائقاً رئيسياً أمام توسيع نطاق إنتاج الهيدروجين المتجدد.