Kolik vody se spotřebuje elektrolýzou
Krok jedna: Výroba vodíku
Spotřeba vody pochází ze dvou kroků: výroby vodíku a výroby nosičů energie před ním. Pro výrobu vodíku je minimální spotřeba elektrolyzované vody přibližně 9 kilogramů vody na kilogram vodíku. S přihlédnutím k procesu demineralizace vody se však tento poměr může pohybovat od 18 do 24 kilogramů vody na kilogram vodíku, nebo dokonce až 25,7 až 30,2..
Pro stávající výrobní proces (reformování metanu parou) je minimální spotřeba vody 4,5 kgH2O/kgH2 (potřebné pro reakci), s přihlédnutím k procesní vodě a chlazení je minimální spotřeba vody 6,4–32,2 kgH2O/kgH2.
Krok 2: Zdroje energie (obnovitelná elektřina nebo zemní plyn)
Další složkou je spotřeba vody k výrobě elektřiny z obnovitelných zdrojů a zemního plynu. Spotřeba vody u fotovoltaiky se pohybuje mezi 50–400 litry/MWh (2,4–19 kgH2O/kgH2) a u větrné energie mezi 5–45 litry/MWh (0,2–2,1 kgH2O/kgH2). Podobně lze produkci břidlicového plynu (na základě údajů z USA) zvýšit z 1,14 kgH2O/kgH2 na 4,9 kgH2O/kgH2.
Závěrem lze říci, že průměrná celková spotřeba vody u vodíku generovaného fotovoltaickou výrobou energie a větrnou výrobou energie je přibližně 32 kgH2O/kgH2, respektive 22 kgH2O/kgH2. Nejistoty pramení ze slunečního záření, životnosti a obsahu křemíku. Tato spotřeba vody je řádově stejného řádu jako u výroby vodíku ze zemního plynu (7,6–37 kgh2o/kgH2, s průměrem 22 kgH2O/kgH2).
Celková vodní stopa: Nižší při využití obnovitelné energie
Podobně jako u emisí CO2 je předpokladem pro nízkou vodní stopu elektrolytických procesů využití obnovitelných zdrojů energie. Pokud se z fosilních paliv vyrábí pouze malá část elektřiny, je spotřeba vody spojená s elektřinou mnohem vyšší než skutečná spotřeba vody během elektrolýzy.
Například výroba energie z plynu může spotřebovat až 2 500 litrů vody/MWh. Nejlepší je to také u fosilních paliv (zemního plynu). Pokud se vezme v úvahu zplyňování uhlí, může výroba vodíku spotřebovat 31–31,8 kgH2O/kgH2 a výroba uhlí 14,7 kgH2O/kgH2. Očekává se také, že spotřeba vody z fotovoltaiky a větrných elektráren se časem sníží, protože se výrobní procesy stanou efektivnějšími a energetický výkon na jednotku instalovaného výkonu se zlepší.
Celková spotřeba vody v roce 2050
Očekává se, že svět bude v budoucnu spotřebovávat mnohonásobně více vodíku než dnes. Například zpráva IRENA o světové energetické transformaci odhaduje, že poptávka po vodíku v roce 2050 bude činit přibližně 74 EJ, z čehož asi dvě třetiny budou pocházet z obnovitelného vodíku. Pro srovnání, dnes (čistý vodík) je to 8,4 EJ.
I kdyby elektrolytický vodík dokázal pokrýt poptávku po vodíku po celý rok 2050, spotřeba vody by činila přibližně 25 miliard metrů krychlových. Níže uvedený obrázek porovnává toto číslo s dalšími toky spotřeby vody způsobené člověkem. Zemědělství spotřebuje největší množství 280 miliard metrů krychlových vody, zatímco průmysl spotřebuje téměř 800 miliard metrů krychlových a města 470 miliard metrů krychlových. Současná spotřeba vody při reformování zemního plynu a zplyňování uhlí pro výrobu vodíku je přibližně 1,5 miliardy metrů krychlových.
Ačkoli se tedy očekává velká spotřeba vody v důsledku změn v elektrolytických drahách a rostoucí poptávky, spotřeba vody z výroby vodíku bude stále mnohem menší než u jiných toků využívaných lidmi. Dalším referenčním bodem je, že spotřeba vody na obyvatele se pohybuje mezi 75 (Lucembursko) a 1 200 (USA) metry krychlovými za rok. Při průměrné produkci 400 m3/(na obyvatele*rok) odpovídá celková produkce vodíku v roce 2050 produkci země s 62 miliony obyvatel.
Kolik stojí voda a kolik se spotřebuje energie
náklady
Elektrolytické články vyžadují vysoce kvalitní vodu a vyžadují její úpravu. Voda nižší kvality vede k rychlejší degradaci a kratší životnosti. Mnoho prvků, včetně membrán a katalyzátorů používaných v alkáliích, stejně jako membrán a porézních transportních vrstev PEM, může být nepříznivě ovlivněno nečistotami ve vodě, jako je železo, chrom, měď atd. Vodivost vody musí být menší než 1 μS/cm a celkový organický uhlík menší než 50 μg/l.
Voda se na spotřebě energie a nákladech podílí relativně malým způsobem. Nejhorším scénářem pro oba parametry je odsolování. Reverzní osmóza je hlavní technologií pro odsolování a představuje téměř 70 procent celosvětové kapacity. Technologie stojí 1 900–2 000 USD/m³/den a má míru učení 15 %. Při těchto investičních nákladech činí náklady na úpravu přibližně 1 USD/m³ a mohou být nižší v oblastech s nízkými náklady na elektřinu.
Kromě toho se náklady na dopravu zvýší přibližně o 1–2 dolary na m³. I v tomto případě činí náklady na úpravu vody přibližně 0,05 dolaru/kgH2. Pro srovnání, cena obnovitelného vodíku může být 2–3 dolary/kgH2, pokud jsou k dispozici kvalitní obnovitelné zdroje, zatímco cena průměrného zdroje je 4–5 dolarů/kgH2.
Takže v tomto konzervativním scénáři by voda stála méně než 2 procenta z celkové částky. Využití mořské vody může zvýšit množství získané vody 2,5 až 5krát (z hlediska faktoru výtěžnosti).
Spotřeba energie
Pokud se podíváme na spotřebu energie při odsolování, je i tato velmi malá ve srovnání s množstvím elektřiny potřebné pro vstup elektrolytické cely. Současně běžící reverzní osmóza spotřebovává přibližně 3,0 kW/m3. Naproti tomu termické odsolovací stanice mají mnohem vyšší spotřebu energie, která se pohybuje od 40 do 80 kWh/m3, s dodatečnými požadavky na energii v rozmezí od 2,5 do 5 kWh/m3 v závislosti na technologii odsolování. V konzervativním případě (tj. vyšší spotřeba energie) kogenerační stanice za předpokladu použití tepelného čerpadla by se spotřeba energie převedla na přibližně 0,7 kWh/kg vodíku. Pro srovnání, spotřeba elektřiny elektrolytické cely je přibližně 50–55 kWh/kg, takže i v nejhorším případě představuje spotřeba energie na odsolování přibližně 1 % celkového energetického vstupu do systému.
Jednou z výzev odsolování je likvidace slané vody, která může mít dopad na místní mořské ekosystémy. Tuto solanku lze dále upravovat, aby se snížil její dopad na životní prostředí, což zvyšuje náklady na vodu o dalších 0,6–2,40 USD/m³. Kromě toho je kvalita elektrolytické vody přísnější než u pitné vody, což může vést k vyšším nákladům na úpravu, ale stále se očekává, že tyto náklady budou nízké ve srovnání s příkonem energie.
Vodní stopa elektrolytické vody pro výrobu vodíku je velmi specifický parametr lokality, který závisí na místní dostupnosti vody, její spotřebě, degradaci a znečištění. Je třeba zohlednit rovnováhu ekosystémů a dopad dlouhodobých klimatických trendů. Spotřeba vody bude hlavní překážkou pro rozšíření obnovitelného vodíku.
Čas zveřejnění: 8. března 2023