Πόσο νερό καταναλώνεται με ηλεκτρόλυση
Βήμα πρώτο: Παραγωγή υδρογόνου
Η κατανάλωση νερού προέρχεται από δύο στάδια: την παραγωγή υδρογόνου και την παραγωγή ενεργειακού φορέα ανάντη. Για την παραγωγή υδρογόνου, η ελάχιστη κατανάλωση ηλεκτρολυμένου νερού είναι περίπου 9 κιλά νερού ανά κιλό υδρογόνου. Ωστόσο, λαμβάνοντας υπόψη τη διαδικασία αφαλάτωσης του νερού, αυτή η αναλογία μπορεί να κυμαίνεται από 18 έως 24 κιλά νερού ανά κιλό υδρογόνου ή ακόμη και έως 25,7 έως 30,2..
Για την υπάρχουσα παραγωγική διαδικασία (αναμόρφωση μεθανίου με ατμό), η ελάχιστη κατανάλωση νερού είναι 4,5kgH2O/kgH2 (απαιτείται για την αντίδραση), ενώ λαμβάνοντας υπόψη το νερό διεργασίας και την ψύξη, η ελάχιστη κατανάλωση νερού είναι 6,4-32,2kgH2O/kgH2.
Βήμα 2: Πηγές ενέργειας (ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια ή φυσικό αέριο)
Ένα άλλο στοιχείο είναι η κατανάλωση νερού για την παραγωγή ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας και φυσικού αερίου. Η κατανάλωση νερού από φωτοβολταϊκά συστήματα κυμαίνεται μεταξύ 50-400 λίτρων/MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) και από αιολική ενέργεια μεταξύ 5-45 λίτρων/MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Ομοίως, η παραγωγή φυσικού αερίου από σχιστολιθικό αέριο (βάσει δεδομένων των ΗΠΑ) μπορεί να αυξηθεί από 1,14kgH2O/kgH2 σε 4,9kgH2O/kgH2.
Συμπερασματικά, η μέση συνολική κατανάλωση νερού σε υδρογόνο που παράγεται από φωτοβολταϊκή και αιολική ενέργεια είναι περίπου 32 και 22 kgH2O/kgH2, αντίστοιχα. Οι αβεβαιότητες προέρχονται από την ηλιακή ακτινοβολία, τη διάρκεια ζωής και την περιεκτικότητα σε πυρίτιο. Αυτή η κατανάλωση νερού είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με την παραγωγή υδρογόνου από φυσικό αέριο (7,6-37 kgh2o/kgH2, με μέσο όρο 22 kgH2O/kgH2).
Συνολικό υδατικό αποτύπωμα: Χαμηλότερο όταν χρησιμοποιείται ανανεώσιμη ενέργεια
Όπως και με τις εκπομπές CO2, προϋπόθεση για χαμηλό υδατικό αποτύπωμα για τις ηλεκτρολυτικές οδούς είναι η χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Εάν μόνο ένα μικρό κλάσμα της ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται με χρήση ορυκτών καυσίμων, η κατανάλωση νερού που σχετίζεται με την ηλεκτρική ενέργεια είναι πολύ υψηλότερη από το πραγματικό νερό που καταναλώνεται κατά την ηλεκτρόλυση.
Για παράδειγμα, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από φυσικό αέριο μπορεί να χρησιμοποιήσει έως και 2.500 λίτρα/MWh νερού. Αυτή είναι επίσης η καλύτερη περίπτωση για τα ορυκτά καύσιμα (φυσικό αέριο). Εάν ληφθεί υπόψη η αεριοποίηση του άνθρακα, η παραγωγή υδρογόνου μπορεί να καταναλώσει 31-31,8 kgH2O/kgH2 και η παραγωγή άνθρακα μπορεί να καταναλώσει 14,7 kgH2O/kgH2. Η κατανάλωση νερού από φωτοβολταϊκά και αιολικά αναμένεται επίσης να μειωθεί με την πάροδο του χρόνου, καθώς οι διαδικασίες παραγωγής γίνονται πιο αποδοτικές και η παραγωγή ενέργειας ανά μονάδα εγκατεστημένης ισχύος βελτιώνεται.
Συνολική κατανάλωση νερού το 2050
Ο κόσμος αναμένεται να χρησιμοποιεί πολλές φορές περισσότερο υδρογόνο στο μέλλον από ό,τι σήμερα. Για παράδειγμα, η έκθεση World Energy Transitions Outlook του IRENA εκτιμά ότι η ζήτηση υδρογόνου το 2050 θα είναι περίπου 74EJ, εκ των οποίων περίπου τα δύο τρίτα θα προέρχονται από ανανεώσιμο υδρογόνο. Συγκριτικά, σήμερα (καθαρό υδρογόνο) είναι 8,4EJ.
Ακόμα κι αν το ηλεκτρολυτικό υδρογόνο μπορούσε να καλύψει τη ζήτηση υδρογόνου για ολόκληρο το 2050, η κατανάλωση νερού θα ήταν περίπου 25 δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα. Το παρακάτω σχήμα συγκρίνει αυτό το ποσοστό με άλλα ανθρωπογενή ρεύματα κατανάλωσης νερού. Η γεωργία χρησιμοποιεί τη μεγαλύτερη ποσότητα 280 δισεκατομμυρίων κυβικών μέτρων νερού, ενώ η βιομηχανία χρησιμοποιεί σχεδόν 800 δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα και οι πόλεις χρησιμοποιούν 470 δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα. Η τρέχουσα κατανάλωση νερού για την αναμόρφωση φυσικού αερίου και την αεριοποίηση άνθρακα για την παραγωγή υδρογόνου είναι περίπου 1,5 δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα.
Έτσι, παρόλο που αναμένεται να καταναλωθούν μεγάλες ποσότητες νερού λόγω αλλαγών στις ηλεκτρολυτικές οδούς και της αυξανόμενης ζήτησης, η κατανάλωση νερού από την παραγωγή υδρογόνου θα εξακολουθεί να είναι πολύ μικρότερη από άλλες ροές που χρησιμοποιούνται από τον άνθρωπο. Ένα άλλο σημείο αναφοράς είναι ότι η κατά κεφαλήν κατανάλωση νερού κυμαίνεται μεταξύ 75 (Λουξεμβούργο) και 1.200 (ΗΠΑ) κυβικών μέτρων ετησίως. Με μέσο όρο 400 m3 / (κατά κεφαλήν * έτος), η συνολική παραγωγή υδρογόνου το 2050 ισοδυναμεί με αυτή μιας χώρας 62 εκατομμυρίων κατοίκων.
Πόσο κοστίζει το νερό και πόση ενέργεια καταναλώνεται
κόστος
Τα ηλεκτρολυτικά στοιχεία απαιτούν νερό υψηλής ποιότητας και απαιτούν επεξεργασία νερού. Το νερό χαμηλότερης ποιότητας οδηγεί σε ταχύτερη υποβάθμιση και μικρότερη διάρκεια ζωής. Πολλά στοιχεία, συμπεριλαμβανομένων των διαφραγμάτων και των καταλυτών που χρησιμοποιούνται σε αλκαλικά, καθώς και οι μεμβράνες και τα πορώδη στρώματα μεταφοράς του PEM, μπορούν να επηρεαστούν αρνητικά από ακαθαρσίες νερού όπως σίδηρος, χρώμιο, χαλκός κ.λπ. Η αγωγιμότητα του νερού πρέπει να είναι μικρότερη από 1μS/cm και ο συνολικός οργανικός άνθρακας μικρότερος από 50μg/L.
Το νερό αντιπροσωπεύει ένα σχετικά μικρό μερίδιο της κατανάλωσης ενέργειας και του κόστους. Το χειρότερο σενάριο και για τις δύο παραμέτρους είναι η αφαλάτωση. Η αντίστροφη όσμωση είναι η κύρια τεχνολογία για την αφαλάτωση, αντιπροσωπεύοντας σχεδόν το 70% της παγκόσμιας δυναμικότητας. Η τεχνολογία κοστίζει 1900-2000 δολάρια / m³/ημέρα και έχει ποσοστό καμπύλης μάθησης 15%. Με αυτό το κόστος επένδυσης, το κόστος επεξεργασίας είναι περίπου 1 δολάριο /m³ και μπορεί να είναι χαμηλότερο σε περιοχές όπου το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας είναι χαμηλό.
Επιπλέον, το κόστος αποστολής θα αυξηθεί κατά περίπου 1-2 δολάρια ανά m³. Ακόμα και σε αυτήν την περίπτωση, το κόστος επεξεργασίας νερού είναι περίπου 0,05 δολάρια/kgH2. Για να το θέσουμε σε προοπτική, το κόστος του ανανεώσιμου υδρογόνου μπορεί να είναι 2-3 δολάρια/kgH2 εάν υπάρχουν διαθέσιμοι καλοί ανανεώσιμοι πόροι, ενώ το κόστος του μέσου πόρου είναι 4-5 δολάρια/kgH2.
Έτσι, σε αυτό το συντηρητικό σενάριο, το νερό θα κόστιζε λιγότερο από το 2% του συνόλου. Η χρήση θαλασσινού νερού μπορεί να αυξήσει την ποσότητα του ανακτημένου νερού κατά 2,5 έως 5 φορές (όσον αφορά τον συντελεστή ανάκτησης).
Κατανάλωση ενέργειας
Εξετάζοντας την κατανάλωση ενέργειας της αφαλάτωσης, είναι επίσης πολύ μικρή σε σύγκριση με την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτείται για την είσοδο του ηλεκτρολυτικού κελιού. Η τρέχουσα μονάδα αντίστροφης όσμωσης που λειτουργεί καταναλώνει περίπου 3,0 kW/m3. Αντίθετα, οι θερμικές μονάδες αφαλάτωσης έχουν πολύ υψηλότερη κατανάλωση ενέργειας, που κυμαίνεται από 40 έως 80 KWH/m3, με πρόσθετες απαιτήσεις ισχύος που κυμαίνονται από 2,5 έως 5 KWH/m3, ανάλογα με την τεχνολογία αφαλάτωσης. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα τη συντηρητική περίπτωση (δηλαδή την υψηλότερη ενεργειακή ζήτηση) μιας μονάδας συμπαραγωγής, υποθέτοντας τη χρήση αντλίας θερμότητας, η ενεργειακή ζήτηση θα μετατρεπόταν σε περίπου 0,7kWh/kg υδρογόνου. Για να το θέσουμε σε προοπτική, η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας του ηλεκτρολυτικού κελιού είναι περίπου 50-55kWh/kg, επομένως ακόμη και στο χειρότερο σενάριο, η ενεργειακή ζήτηση για αφαλάτωση είναι περίπου 1% της συνολικής ενέργειας που εισέρχεται στο σύστημα.
Μία πρόκληση της αφαλάτωσης είναι η διάθεση του αλμυρού νερού, η οποία μπορεί να έχει αντίκτυπο στα τοπικά θαλάσσια οικοσυστήματα. Αυτή η άλμη μπορεί να υποστεί περαιτέρω επεξεργασία για τη μείωση των περιβαλλοντικών της επιπτώσεων, προσθέτοντας έτσι επιπλέον 0,6-2,40 $ /m³ στο κόστος του νερού. Επιπλέον, η ποιότητα του ηλεκτρολυτικού νερού είναι πιο αυστηρή από το πόσιμο νερό και μπορεί να οδηγήσει σε υψηλότερο κόστος επεξεργασίας, αλλά αυτό αναμένεται να είναι μικρό σε σύγκριση με την εισερχόμενη ισχύ.
Το υδατικό αποτύπωμα του ηλεκτρολυτικού νερού για την παραγωγή υδρογόνου είναι μια πολύ συγκεκριμένη παράμετρος τοποθεσίας που εξαρτάται από την τοπική διαθεσιμότητα νερού, την κατανάλωση, την υποβάθμιση και τη ρύπανση. Θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η ισορροπία των οικοσυστημάτων και ο αντίκτυπος των μακροπρόθεσμων κλιματικών τάσεων. Η κατανάλωση νερού θα αποτελέσει σημαντικό εμπόδιο στην κλιμάκωση της χρήσης ανανεώσιμου υδρογόνου.
Ώρα δημοσίευσης: 8 Μαρτίου 2023