Koliko vode se troši elektrolizom
Prvi korak: Proizvodnja vodika
Potrošnja vode dolazi iz dva koraka: proizvodnje vodika i uzvodne proizvodnje nosioca energije. Za proizvodnju vodika, minimalna potrošnja elektrolizirane vode je približno 9 kilograma vode po kilogramu vodika. Međutim, uzimajući u obzir proces demineralizacije vode, ovaj omjer može varirati od 18 do 24 kilograma vode po kilogramu vodika, ili čak i do 25,7 do 30,2..
Za postojeći proizvodni proces (reformiranje metana parom), minimalna potrošnja vode je 4,5 kgH2O/kgH2 (potrebno za reakciju), uzimajući u obzir procesnu vodu i hlađenje, minimalna potrošnja vode je 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.
Korak 2: Izvori energije (obnovljiva električna energija ili prirodni plin)
Druga komponenta je potrošnja vode za proizvodnju obnovljive električne energije i prirodnog plina. Potrošnja vode za fotonaponsku energiju varira između 50-400 litara/MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2), a za energiju vjetra između 5-45 litara/MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2). Slično tome, proizvodnja plina iz škriljastog plina (na osnovu podataka iz SAD-a) može se povećati sa 1,14 kgH2O/kgH2 na 4,9 kgH2O/kgH2.
Zaključno, prosječna ukupna potrošnja vode za proizvodnju vodika iz fotonaponske energije i energije vjetra iznosi oko 32 kgH2O/kgH2, respektivno. Nesigurnosti proizlaze iz sunčevog zračenja, životnog vijeka i sadržaja silicija. Ova potrošnja vode je istog reda veličine kao i proizvodnja vodika iz prirodnog plina (7,6-37 kgh2o/kgH2, sa prosjekom od 22 kgH2O/kgH2).
Ukupni vodni otisak: Manji pri korištenju obnovljive energije
Slično emisijama CO2, preduslov za nizak vodni otisak elektrolitičkih procesa je upotreba obnovljivih izvora energije. Ako se samo mali dio električne energije proizvodi korištenjem fosilnih goriva, potrošnja vode povezana s električnom energijom je mnogo veća od stvarne potrošnje vode tokom elektrolize.
Na primjer, proizvodnja električne energije iz plina može potrošiti do 2.500 litara/MWh vode. To je ujedno i najbolji slučaj za fosilna goriva (prirodni plin). Ako se uzme u obzir gasifikacija uglja, proizvodnja vodika može potrošiti 31-31,8 kgH2O/kgH2, a proizvodnja uglja može potrošiti 14,7 kgH2O/kgH2. Očekuje se da će se potrošnja vode iz fotonaponskih sistema i energije vjetra također smanjiti tokom vremena, kako proizvodni procesi postaju efikasniji, a proizvodnja energije po jedinici instaliranog kapaciteta se poboljšava.
Ukupna potrošnja vode u 2050. godini
Očekuje se da će svijet u budućnosti koristiti mnogo više vodika nego danas. Na primjer, IRENA-in Izgled svjetske energetske tranzicije procjenjuje da će potražnja za vodikom 2050. godine iznositi oko 74EJ, od čega će oko dvije trećine dolaziti iz obnovljivih izvora vodika. Poređenja radi, danas je potražnja (čisti vodik) 8,4EJ.
Čak i kada bi elektrolitički vodik mogao zadovoljiti potražnju za vodikom tokom cijele 2050. godine, potrošnja vode bi iznosila oko 25 milijardi kubnih metara. Donja slika upoređuje ovu brojku s drugim tokovima potrošnje vode uzrokovanim ljudskim djelovanjem. Poljoprivreda koristi najveću količinu od 280 milijardi kubnih metara vode, dok industrija koristi gotovo 800 milijardi kubnih metara, a gradovi 470 milijardi kubnih metara. Trenutna potrošnja vode za reformiranje prirodnog plina i gasifikaciju uglja za proizvodnju vodika iznosi oko 1,5 milijardi kubnih metara.
Dakle, iako se očekuje da će se potrošiti velike količine vode zbog promjena u elektrolitskim putevima i rastuće potražnje, potrošnja vode iz proizvodnje vodika i dalje će biti mnogo manja od ostalih tokova koje koriste ljudi. Druga referentna tačka je da je potrošnja vode po glavi stanovnika između 75 (Luksemburg) i 1.200 (SAD) kubnih metara godišnje. Sa prosjekom od 400 m3/(po glavi stanovnika * godišnje), ukupna proizvodnja vodika u 2050. godini ekvivalentna je proizvodnji zemlje od 62 miliona stanovnika.
Koliko košta voda i koliko se energije troši
cijena
Elektrolitičke ćelije zahtijevaju vodu visokog kvaliteta i zahtijevaju tretman vode. Voda nižeg kvaliteta dovodi do brže degradacije i kraćeg vijeka trajanja. Mnogi elementi, uključujući dijafragme i katalizatore koji se koriste u alkalijama, kao i membrane i porozne transportne slojeve PEM-a, mogu biti negativno pogođeni nečistoćama u vodi poput željeza, hroma, bakra itd. Provodljivost vode mora biti manja od 1μS/cm, a ukupni organski ugljik manji od 50μg/L.
Voda čini relativno mali udio potrošnje energije i troškova. Najgori scenario za oba parametra je desalinizacija. Reverzna osmoza je glavna tehnologija za desalinizaciju, koja čini gotovo 70 posto globalnog kapaciteta. Tehnologija košta 1900-2000 dolara / m³/d i ima stopu krivulje učenja od 15%. Pri ovim investicijskim troškovima, trošak tretmana iznosi oko 1 dolar / m³ i može biti niži u područjima gdje su troškovi električne energije niski.
Osim toga, troškovi dostave će se povećati za oko 1-2 dolara po m³. Čak i u ovom slučaju, troškovi prečišćavanja vode iznose oko 0,05 dolara/kgH2. Da bismo ovo stavili u perspektivu, cijena obnovljivog vodonika može biti 2-3 dolara/kgH2 ako su dostupni dobri obnovljivi resursi, dok je cijena prosječnog resursa 4-5 dolara/kgH2.
Dakle, u ovom konzervativnom scenariju, voda bi koštala manje od 2 posto ukupne cijene. Korištenje morske vode može povećati količinu prikupljene vode za 2,5 do 5 puta (u smislu faktora iskorištavanja).
Potrošnja energije
Posmatrajući potrošnju energije za desalinizaciju, ona je također vrlo mala u poređenju s količinom električne energije potrebne za unos u elektrolitičku ćeliju. Trenutno operativna jedinica za reverznu osmozu troši oko 3,0 kW/m3. Nasuprot tome, postrojenja za termičku desalinizaciju imaju mnogo veću potrošnju energije, u rasponu od 40 do 80 KWH/m3, s dodatnim zahtjevima za energijom u rasponu od 2,5 do 5 KWH/m3, ovisno o tehnologiji desalinizacije. Uzimajući konzervativni slučaj (tj. veću potražnju za energijom) kogeneracijskog postrojenja kao primjer, pod pretpostavkom korištenja toplinske pumpe, potražnja za energijom bi se pretvorila u oko 0,7 kWh/kg vodika. Da bismo ovo stavili u perspektivu, potražnja za električnom energijom elektrolitičke ćelije iznosi oko 50-55 kWh/kg, tako da čak i u najgorem scenariju, potražnja za energijom za desalinizaciju iznosi oko 1% ukupnog unosa energije u sistem.
Jedan od izazova desalinizacije je odlaganje slane vode, što može imati utjecaj na lokalne morske ekosisteme. Ova slana voda može se dalje tretirati kako bi se smanjio njen utjecaj na okoliš, čime se troškovima vode dodaje dodatnih 0,6-2,40 USD/m³. Osim toga, kvalitet elektrolitičke vode je stroži od kvalitete vode za piće i može rezultirati većim troškovima tretmana, ali se i dalje očekuje da će to biti malo u usporedbi s utrošenom energijom.
Vodni otisak elektrolitičke vode za proizvodnju vodika je vrlo specifičan parametar lokacije koji ovisi o lokalnoj dostupnosti vode, potrošnji, degradaciji i zagađenju. Treba uzeti u obzir ravnotežu ekosistema i utjecaj dugoročnih klimatskih trendova. Potrošnja vode bit će glavna prepreka povećanju korištenja obnovljivog vodika.
Vrijeme objave: 08.03.2023.