Kui palju vett elektrolüüsil kulub?

Kui palju vett elektrolüüsil kulub

Esimene samm: vesiniku tootmine

Vee tarbimine toimub kahes etapis: vesiniku tootmises ja energiakandjate tootmises ülesvoolu. Vesiniku tootmiseks on elektrolüüsitud vee minimaalne tarbimine ligikaudu 9 kilogrammi vett vesiniku kilogrammi kohta. Võttes aga arvesse vee demineraliseerimisprotsessi, võib see suhe olla vahemikus 18–24 kilogrammi vett vesiniku kilogrammi kohta või isegi 25,7–30,2..

 

Olemasoleva tootmisprotsessi (metaani auruga reformimine) puhul on minimaalne veetarve 4,5 kgH2O/kgH2 (reaktsiooniks vajalik), arvestades protsessivett ja jahutust, on minimaalne veetarve 6,4–32,2 kgH2O/kgH2.

 

2. samm: Energiaallikad (taastuv elekter või maagaas)

Teine komponent on veetarbimine taastuvenergia ja maagaasi tootmiseks. Fotogalvaanilise energia veetarbimine varieerub vahemikus 50–400 liitrit/MWh (2,4–19 kgH2O/kgH2) ja tuuleenergia veetarbimine vahemikus 5–45 liitrit/MWh (0,2–2,1 kgH2O/kgH2). Samamoodi saab gaasi tootmist põlevkivigaasist (USA andmete põhjal) suurendada 1,14 kgH2O/kgH2-lt 4,9 kgH2O/kgH2-ni.

 

Kokkuvõtteks võib öelda, et fotogalvaanilise ja tuuleenergia abil toodetud vesiniku keskmine veetarve on vastavalt umbes 32 ja 22 kgH2O/kgH2. Ebakindlus tuleneb päikesekiirgusest, elueast ja ränisisaldusest. See veetarve on samas suurusjärgus kui maagaasist toodetud vesinik (7,6–37 kgh2o/kgH2, keskmiselt 22 kgH2O/kgH2).

 

Kogu vee jalajälg: väiksem taastuvenergia kasutamisel

Sarnaselt CO2-heitmetega on elektrolüüsiprotsesside väikese vee jalajälje eeltingimuseks taastuvate energiaallikate kasutamine. Kui fossiilkütustest toodetakse vaid väike osa elektrist, on elektrienergiaga seotud veetarve palju suurem kui elektrolüüsi käigus tegelikult tarbitav vesi.

 

Näiteks gaasienergia tootmiseks võib kuluda kuni 2500 liitrit/MWh vett. See on parim näide ka fossiilkütuste (maagaasi) puhul. Kui arvestada söe gaasistamist, võib vesiniku tootmine tarbida 31–31,8 kgH2O/kgH2 ja söe tootmine 14,7 kgH2O/kgH2. Samuti eeldatakse, et fotogalvaanika ja tuuleenergia veetarbimine väheneb aja jooksul, kuna tootmisprotsessid muutuvad tõhusamaks ja energiatoodang paigaldatud võimsusühiku kohta suureneb.

 

Vee kogutarbimine aastal 2050

Eeldatakse, et maailm kasutab tulevikus mitu korda rohkem vesinikku kui praegu. Näiteks IRENA maailma energiasiirde väljavaates hinnatakse, et vesinikunõudlus on 2050. aastal umbes 74 EJ, millest umbes kaks kolmandikku tuleb taastuvast vesinikust. Võrdluseks, täna on (puhas vesinik) see 8,4 EJ.

 

Isegi kui elektrolüütiline vesinik suudaks rahuldada vesinikuvajaduse kogu 2050. aastaks, oleks veetarbimine umbes 25 miljardit kuupmeetrit. Allolev joonis võrdleb seda arvu teiste inimtekkeliste veetarbimise voogudega. Põllumajandus kasutab suurimat kogust vett, 280 miljardit kuupmeetrit, tööstus ligi 800 miljardit kuupmeetrit ja linnad 470 miljardit kuupmeetrit. Praegune maagaasi reformimise ja kivisöe gaasistamise veetarbimine vesiniku tootmiseks on umbes 1,5 miljardit kuupmeetrit.

Seega, kuigi elektrolüüsiprotsesside muutuste ja kasvava nõudluse tõttu eeldatakse suures koguses vee tarbimist, on vesiniku tootmiseks vajaliku vee tarbimine siiski palju väiksem kui muude inimeste poolt kasutatavate voogude puhul. Teine võrdluspunkt on see, et vee tarbimine inimese kohta on 75 (Luksemburg) kuni 1200 (USA) kuupmeetrit aastas. Keskmiselt 400 m3 / (inimese kohta * aastas) on vesiniku kogutoodang 2050. aastal samaväärne 62 miljoni elanikuga riigi toodanguga.

 

Kui palju vesi maksab ja kui palju energiat kulub

 

maksumus

Elektrolüüselemendid vajavad kvaliteetset vett ja veetöötlust. Madalama kvaliteediga vesi viib kiirema lagunemiseni ja lühema elueani. Paljud elemendid, sealhulgas leeliselises keskkonnas kasutatavad diafragmad ja katalüsaatorid, samuti PEM-i membraanid ja poorsed transpordikihid, võivad olla vee lisandite, näiteks raua, kroomi, vase jne poolt negatiivselt mõjutatud. Vee juhtivus peab olema alla 1 μS/cm ja orgaanilise süsiniku kogusisaldus alla 50 μg/l.

 

Vesi moodustab energiatarbimisest ja -kuludest suhteliselt väikese osa. Mõlema parameetri puhul on halvim stsenaarium magestamine. Pöördosmoos on peamine magestamise tehnoloogia, mis moodustab ligi 70 protsenti ülemaailmsest võimsusest. Tehnoloogia maksab 1900–2000 dollarit/m³/p ja selle õppimiskõver on 15%. Selle investeeringuhinna juures on töötlemise maksumus umbes 1 dollar/m³ ja see võib olla madalam piirkondades, kus elektrienergia hinnad on madalad.

 

Lisaks suurenevad transpordikulud umbes 1–2 dollarit kuupmeetri kohta. Isegi sel juhul on veepuhastuskulud umbes 0,05 dollarit/kgH2. Perspektiivi mõttes võib taastuva vesiniku hind olla 2–3 dollarit/kgH2, kui on saadaval head taastuvad ressursid, samas kui keskmise ressursi hind on 4–5 dollarit/kgH2.

 

Seega selle konservatiivse stsenaariumi korral maksaks vesi vähem kui 2 protsenti kogukulust. Merevee kasutamine võib suurendada taaskasutatud vee hulka 2,5–5 korda (taaskasutusteguri osas).

 

Energiatarbimine

Magestamise energiatarbimist vaadates on see samuti väga väike võrreldes elektrolüüsielemendi sisendiks vajaliku elektrienergia hulgaga. Praegu töötav pöördosmoosiseade tarbib umbes 3,0 kW/m3. Seevastu termiliste magestamisjaamade energiatarve on palju suurem, jäädes vahemikku 40–80 kWh/m3, kusjuures täiendav energiavajadus on vahemikus 2,5–5 kWh/m3, olenevalt magestamistehnoloogiast. Koostootmisjaama konservatiivsel juhul (st suurema energiavajadusega) ja soojuspumba kasutamisel teisendataks energiavajadus umbes 0,7 kWh/kg vesinikuks. Perspektiivi mõttes on elektrolüüsielemendi elektrivajadus umbes 50–55 kWh/kg, seega isegi halvimal juhul on magestamise energiavajadus umbes 1% süsteemi koguenergia sisendist.

 

Üks magestamise väljakutse on soolase vee ärajuhtimine, mis võib mõjutada kohalikke mereökosüsteeme. Seda soolvett saab edasi töödelda, et vähendada selle keskkonnamõju, lisades vee hinnale veel 0,6–2,40 dollarit/m³. Lisaks on elektrolüütilise vee kvaliteet rangem kui joogiveel ja see võib kaasa tuua suuremad töötlemiskulud, kuid eeldatavasti on see siiski väike võrreldes energiatarbimisega.

Vesiniku tootmiseks kasutatava elektrolüüdivee vee jalajälg on väga spetsiifiline asukohaparameeter, mis sõltub kohalikust vee kättesaadavusest, tarbimisest, halvenemisest ja reostusest. Arvesse tuleks võtta ökosüsteemide tasakaalu ja pikaajaliste kliimasuundumuste mõju. Veetarbimine on taastuvvesiniku kasutamise laiendamise peamine takistus.