Колькі вады спажываецца пры электролізе
Крок першы: вытворчасць вадароду
Спажыванне вады адбываецца з двух этапаў: вытворчасць вадароду і вытворчасць энерганосьбітаў. Для вытворчасці вадароду мінімальнае спажыванне электралізаванай вады складае прыблізна 9 кілаграмаў вады на кілаграм вадароду. Аднак, улічваючы працэс дэмінералізацыі вады, гэта суадносіны можа вагацца ад 18 да 24 кілаграмаў вады на кілаграм вадароду або нават дасягаць 25,7–30,2..
Для існуючага вытворчага працэсу (паравая рыформінга метану) мінімальнае спажыванне вады складае 4,5 кг H2O/кг H2 (неабходна для рэакцыі), з улікам тэхналагічнай вады і астуджэння мінімальнае спажыванне вады складае 6,4-32,2 кг H2O/кг H2.
Крок 2: Крыніцы энергіі (аднаўляльная электраэнергія або прыродны газ)
Яшчэ адзін кампанент — спажыванне вады для вытворчасці аднаўляльнай электраэнергіі і прыроднага газу. Спажыванне вады для фотаэлектрычных электрастанцый вагаецца ў межах 50-400 літраў/МВт·г (2,4-19 кгH2O/кгH2), а для ветраэнергетыкі — у межах 5-45 літраў/МВт·г (0,2-2,1 кгH2O/кгH2). Аналагічна, здабыча газу са сланцавага газу (паводле дадзеных ЗША) можа быць павялічана з 1,14 кгH2O/кгH2 да 4,9 кгH2O/кгH2.
У заключэнне, сярэдняе агульнае спажыванне вады для вытворчасці вадароду, які выпрацоўваецца пры вытворчасці фотаэлектрычнай энергіі і ветравой энергіі, складае каля 32 і 22 кг H2O/кг H2 адпаведна. Нявызначанасці звязаны з сонечнай радыяцыяй, тэрмінам службы і ўтрыманнем крэмнію. Гэта спажыванне вады знаходзіцца ў тым жа парадку велічыні, што і вытворчасць вадароду з прыроднага газу (7,6-37 кг H2O/кг H2, у сярэднім 22 кг H2O/кг H2).
Агульны водны след: меншы пры выкарыстанні аднаўляльных крыніц энергіі
Падобна да выкідаў CO2, неабходнай умовай для нізкага воднага следу для электралітычных працэсаў з'яўляецца выкарыстанне аднаўляльных крыніц энергіі. Калі толькі невялікая частка электраэнергіі выпрацоўваецца з выкарыстаннем выкапнёвага паліва, спажыванне вады, звязанае з электраэнергіяй, значна вышэйшае за фактычнае спажыванне вады падчас электролізу.
Напрыклад, для вытворчасці электраэнергіі з выкарыстаннем газу можа выкарыстоўвацца да 2500 літраў вады/МВт·г. Гэта таксама найлепшы выпадак для выкапнёвага паліва (прыроднага газу). Калі ўлічваць газіфікацыю вугалю, то вытворчасць вадароду можа спажываць 31-31,8 кгH2O/кгH2, а вытворчасць вугалю — 14,7 кгH2O/кгH2. Чакаецца, што спажыванне вады фотаэлектрычнымі і ветранымі батарэямі таксама з часам зменшыцца, паколькі вытворчыя працэсы стануць больш эфектыўнымі, а выпрацоўка энергіі на адзінку ўсталяванай магутнасці палепшыцца.
Агульнае спажыванне вады ў 2050 годзе
Чакаецца, што ў будучыні свет будзе выкарыстоўваць вадарод у значна больш разоў, чым сёння. Напрыклад, у дакладзе IRENA «Перспектывы сусветнага энергетычнага пераходу» прагназуецца, што попыт на вадарод у 2050 годзе складзе каля 74 ЭДж, з якіх каля дзвюх трацін будуць паступаць з аднаўляльных крыніц вадароду. Для параўнання, сёння попыт на чысты вадарод складае 8,4 ЭДж.
Нават калі б электралітычны вадарод мог задаволіць попыт на вадарод на працягу ўсяго 2050 года, спажыванне вады складзе каля 25 мільярдаў кубічных метраў. На малюнку ніжэй параўноўваецца гэты паказчык з іншымі антрапагеннымі патокамі спажывання вады. Сельская гаспадарка выкарыстоўвае найбольшую колькасць — 280 мільярдаў кубічных метраў вады, у той час як прамысловасць выкарыстоўвае амаль 800 мільярдаў кубічных метраў, а гарады — 470 мільярдаў кубічных метраў. Цяперашняе спажыванне вады пры рыформінгу прыроднага газу і газіфікацыі вугалю для вытворчасці вадароду складае каля 1,5 мільярда кубічных метраў.
Такім чынам, хоць чакаецца, што з-за змяненняў у электралітычных шляхах і росту попыту будзе спажывацца вялікая колькасць вады, спажыванне вады для вытворчасці вадароду ўсё роўна будзе значна меншым, чым для іншых патокаў, якія выкарыстоўваюцца чалавекам. Яшчэ адзін арыенцір заключаецца ў тым, што спажыванне вады на душу насельніцтва складае ад 75 (Люксембург) да 1200 (ЗША) кубічных метраў у год. Пры сярэднім аб'ёме 400 м3/(на душу насельніцтва* у год) агульная вытворчасць вадароду ў 2050 годзе будзе эквівалентная вытворчасці краіны з насельніцтвам 62 мільёны чалавек.
Колькі каштуе вада і колькі энергіі выкарыстоўваецца
кошт
Электралітычныя элементы патрабуюць высакаякаснай вады і патрабуюць яе ачысткі. Вада больш нізкай якасці прыводзіць да больш хуткай дэградацыі і скарачэння тэрміну службы. Многія элементы, у тым ліку дыяфрагмы і каталізатары, якія выкарыстоўваюцца ў шчолачах, а таксама мембраны і сітаватыя транспартныя пласты PEM, могуць негатыўна пацярпець ад прымешак вады, такіх як жалеза, хром, медзь і г.д. Патрабуецца, каб праводнасць вады была меншай за 1 мкСм/см, а агульная колькасць арганічнага вугляроду — меншай за 50 мкг/л.
На ваду прыпадае адносна невялікая доля спажывання энергіі і выдаткаў. Найгоршым сцэнарыем для абодвух параметраў з'яўляецца апрасненне. Зваротны осмас з'яўляецца асноўнай тэхналогіяй апраснення, на якую прыпадае амаль 70 працэнтаў сусветных магутнасцей. Тэхналогія каштуе 1900-2000 долараў ЗША/м³/сут і мае крывая навучання 15%. Пры такіх інвестыцыйных выдатках кошт ачысткі складае каля 1 долара ЗША/м³ і можа быць ніжэйшым у раёнах з нізкімі выдаткамі на электраэнергію.
Акрамя таго, кошт дастаўкі павялічыцца прыкладна на 1-2 долары за м³. Нават у гэтым выпадку выдаткі на ачыстку вады складаюць каля 0,05 долара/кгH2. Для параўнання, кошт аднаўляльнага вадароду можа складаць 2-3 долары/кгH2, калі даступныя добрыя аднаўляльныя рэсурсы, у той час як кошт сярэдняга рэсурсу складае 4-5 долараў/кгH2.
Такім чынам, пры такім кансерватыўным сцэнарыі выдаткі на ваду будуць меншымі за 2 працэнты ад агульнай сумы. Выкарыстанне марской вады можа павялічыць колькасць здабываемай вады ў 2,5–5 разоў (з пункту гледжання каэфіцыента здабычы).
Спажыванне энергіі
Калі паглядзець на спажыванне энергіі на апрасненне, яно таксама вельмі малое ў параўнанні з колькасцю электраэнергіі, неабходнай для падачы электралітычнай ячэйкі. Дзеючая ўстаноўка зваротнага осмасу спажывае каля 3,0 кВт/м3. Наадварот, тэрмічныя апрасняльныя ўстаноўкі маюць значна большае спажыванне энергіі — ад 40 да 80 кВт·г/м3, з дадатковымі патрабаваннямі да магутнасці ад 2,5 да 5 кВт·г/м3 у залежнасці ад тэхналогіі апраснення. У якасці прыкладу возьмем кансерватыўны выпадак (г.зн. больш высокае спажыванне энергіі) кагенерацыйнай устаноўкі, мяркуючы выкарыстанне цеплавога помпы, спажыванне энергіі будзе пераўтворана ў каля 0,7 кВт·г/кг вадароду. Для параўнання, спажыванне электралітычнай ячэйкі складае каля 50-55 кВт·г/кг, таму нават у горшым выпадку спажыванне энергіі на апрасненне складае каля 1% ад агульнага спажывання энергіі ў сістэму.
Адной з праблем апраснення з'яўляецца ўтылізацыя салёнай вады, якая можа паўплываць на мясцовыя марскія экасістэмы. Гэты расол можна дадаткова апрацоўваць, каб паменшыць яго ўздзеянне на навакольнае асяроддзе, што дадасць яшчэ 0,6–2,40 долараў ЗША/м³ да кошту вады. Акрамя таго, якасць электралітычнай вады больш строгая, чым у пітной вады, і можа прывесці да больш высокіх выдаткаў на ачыстку, але чакаецца, што гэта ўсё роўна будзе невяліка ў параўнанні з спажыванай энергіяй.
Водны след электралітычнай вады для вытворчасці вадароду — гэта вельмі спецыфічны параметр месцазнаходжання, які залежыць ад мясцовай даступнасці вады, спажывання, дэградацыі і забруджвання. Варта ўлічваць баланс экасістэм і ўплыў доўгатэрміновых кліматычных тэндэнцый. Спажыванне вады будзе асноўнай перашкодай для пашырэння выкарыстання аднаўляльнага вадароду.
Час публікацыі: 08 сакавіка 2023 г.