Колко вода се изразходва чрез електролиза
Първа стъпка: Производство на водород
Консумацията на вода се получава от два етапа: производство на водород и производство на енергоносител нагоре по веригата. За производството на водород минималната консумация на електролизирана вода е приблизително 9 килограма вода на килограм водород. Въпреки това, като се вземе предвид процесът на деминерализация на водата, това съотношение може да варира от 18 до 24 килограма вода на килограм водород или дори до 25,7 до 30,2..
За съществуващия производствен процес (парно реформиране на метан), минималният разход на вода е 4,5 kgH2O/kgH2 (необходим за реакцията), като се вземе предвид технологичната вода и охлаждането, минималният разход на вода е 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.
Стъпка 2: Енергийни източници (възобновяема електроенергия или природен газ)
Друг компонент е потреблението на вода за производство на електроенергия от възобновяеми източници и природен газ. Потреблението на вода от фотоволтаичната енергия варира между 50-400 литра/MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2), а това от вятърната енергия - между 5-45 литра/MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2). По подобен начин производството на шистов газ (според данни от САЩ) може да се увеличи от 1,14 kgH2O/kgH2 до 4,9 kgH2O/kgH2.
В заключение, средната обща консумация на вода от водород, генериран от фотоволтаично производство на енергия и производство на вятърна енергия, е съответно около 32 и 22 kgH2O/kgH2. Несигурностите идват от слънчевата радиация, живота и съдържанието на силиций. Тази консумация на вода е от същия порядък като производството на водород от природен газ (7,6-37 kgh2o/kgH2, със средна стойност 22 kgH2O/kgH2).
Общ воден отпечатък: По-нисък при използване на възобновяема енергия
Подобно на емисиите на CO2, предпоставка за нисък воден отпечатък при електролитните процеси е използването на възобновяеми енергийни източници. Ако само малка част от електроенергията се произвежда с помощта на изкопаеми горива, потреблението на вода, свързано с електроенергията, е много по-високо от действително консумираната вода по време на електролизата.
Например, производството на електроенергия от газ може да използва до 2500 литра/MWh вода. Това е и най-добрият случай за изкопаемите горива (природен газ). Ако се вземе предвид газификацията на въглища, производството на водород може да консумира 31-31,8 kgH2O/kgH2, а производството на въглища може да консумира 14,7 kgH2O/kgH2. Очаква се потреблението на вода от фотоволтаици и вятър също да намалее с течение на времето, тъй като производствените процеси стават по-ефективни и производството на енергия на единица инсталирана мощност се подобрява.
Общо потребление на вода през 2050 г.
Очаква се светът да използва многократно повече водород в бъдеще, отколкото днес. Например, в „Перспективи за световния енергиен преход“ на IRENA се прогнозира, че търсенето на водород през 2050 г. ще бъде около 74 EJ, от които около две трети ще дойдат от възобновяем водород. За сравнение, днес (чист водород) е 8,4 EJ.
Дори ако електролитният водород можеше да задоволи търсенето на водород за цялата 2050 г., потреблението на вода щеше да бъде около 25 милиарда кубически метра. Фигурата по-долу сравнява тази цифра с други потоци от потребление на вода, причинени от човека. Селското стопанство използва най-голямо количество - 280 милиарда кубически метра вода, докато промишлеността използва близо 800 милиарда кубически метра, а градовете - 470 милиарда кубически метра. Настоящото потребление на вода за реформинг на природен газ и газификация на въглища за производство на водород е около 1,5 милиарда кубически метра.
Следователно, въпреки че се очаква да се консумират големи количества вода поради промени в електролитните пътища и нарастващото търсене, потреблението на вода от производството на водород все още ще бъде много по-малко от другите потоци, използвани от хората. Друга отправна точка е, че потреблението на вода на глава от населението е между 75 (Люксембург) и 1200 (САЩ) кубически метра годишно. При средно 400 м3/(на глава от населението * година), общото производство на водород през 2050 г. е еквивалентно на това на страна с 62 милиона души.
Колко струва водата и колко енергия се използва
цена
Електролитните клетки изискват висококачествена вода и изискват пречистване на водата. Водата с по-ниско качество води до по-бързо разграждане и по-кратък живот. Много елементи, включително диафрагмите и катализаторите, използвани в основите, както и мембраните и порестите транспортни слоеве на PEM, могат да бъдат неблагоприятно засегнати от примеси във водата като желязо, хром, мед и др. Изисква се проводимостта на водата да бъде по-малка от 1μS/cm, а общият органичен въглерод - по-малък от 50μg/L.
Водата представлява сравнително малък дял от потреблението на енергия и разходите. Най-лошият сценарий и за двата параметъра е обезсоляването. Обратната осмоза е основната технология за обезсоляване, като представлява близо 70% от световния капацитет. Технологията струва $1900-$2000/м³/ден и има крива на обучение от 15%. При тази инвестиционна цена, цената на пречистването е около $1/м³ и може да е по-ниска в райони с ниски разходи за електроенергия.
Освен това, разходите за доставка ще се увеличат с около $1-2 на м³. Дори в този случай разходите за пречистване на водата са около $0,05/кгH2. За да се постави това в перспектива, цената на възобновяемия водород може да бъде $2-3/кгH2, ако са налични добри възобновяеми ресурси, докато цената на средния ресурс е $4-5/кгH2.
Така че при този консервативен сценарий водата би струвала по-малко от 2 процента от общата сума. Използването на морска вода може да увеличи количеството на добиваната вода с 2,5 до 5 пъти (по отношение на коефициента на възстановяване).
Консумация на енергия
Разглеждайки консумацията на енергия за обезсоляване, тя също е много малка в сравнение с количеството електроенергия, необходимо за подаване в електролитната клетка. Настоящо работещата система за обратна осмоза консумира около 3,0 kW/m3. За разлика от това, инсталациите за термично обезсоляване имат много по-висока консумация на енергия, варираща от 40 до 80 KWH/m3, с допълнителни изисквания за мощност от 2,5 до 5 KWH/m3, в зависимост от технологията за обезсоляване. Вземайки за пример консервативния случай (т.е. по-високо потребление на енергия) на когенерационна инсталация, приемайки използването на термопомпа, потреблението на енергия би се преобразувало в около 0,7 kWh/kg водород. За да се постави това в перспектива, потреблението на електроенергия на електролитната клетка е около 50-55 kWh/kg, така че дори в най-лошия случай, потреблението на енергия за обезсоляване е около 1% от общото количество енергия, вложена в системата.
Едно от предизвикателствата на обезсоляването е обезвреждането на солена вода, което може да окаже въздействие върху местните морски екосистеми. Тази саламура може да бъде допълнително пречистена, за да се намали въздействието ѝ върху околната среда, като по този начин се добавят още 0,6-2,40 долара/м³ към цената на водата. Освен това, качеството на електролитната вода е по-строго от това на питейната вода и може да доведе до по-високи разходи за пречистване, но все пак се очаква това да е малко в сравнение с вложената енергия.
Водният отпечатък на електролитната вода за производство на водород е много специфичен параметър на местоположението, който зависи от местната наличност на вода, потребление, разграждане и замърсяване. Трябва да се вземе предвид балансът на екосистемите и въздействието на дългосрочните климатични тенденции. Потреблението на вода ще бъде основна пречка за увеличаването на производството на възобновяем водород.
Време на публикуване: 08 март 2023 г.