چقدر آب توسط الکترولیز مصرف می‌شود؟

میزان مصرف آب در الکترولیز

مرحله اول: تولید هیدروژن

مصرف آب از دو مرحله حاصل می‌شود: تولید هیدروژن و تولید حامل انرژی در بالادست. برای تولید هیدروژن، حداقل مصرف آب الکترولیز شده تقریباً ۹ کیلوگرم آب به ازای هر کیلوگرم هیدروژن است. با این حال، با در نظر گرفتن فرآیند معدنی‌زدایی آب، این نسبت می‌تواند از ۱۸ تا ۲۴ کیلوگرم آب به ازای هر کیلوگرم هیدروژن یا حتی تا ۲۵.۷ تا ۳۰.۲ کیلوگرم باشد..

 

برای فرآیند تولید موجود (ریفرمینگ بخار متان)، حداقل مصرف آب ۴.۵ کیلوگرم آب بر کیلوگرم آب (مورد نیاز برای واکنش) است، با در نظر گرفتن آب فرآیند و خنک‌کننده، حداقل مصرف آب ۶.۴-۳۲.۲ کیلوگرم آب بر کیلوگرم آب است.

 

مرحله ۲: منابع انرژی (برق تجدیدپذیر یا گاز طبیعی)

یکی دیگر از مؤلفه‌ها، مصرف آب برای تولید برق تجدیدپذیر و گاز طبیعی است. مصرف آب انرژی فتوولتائیک بین ۵۰ تا ۴۰۰ لیتر بر مگاوات ساعت (۲.۴ تا ۱۹ کیلوگرم آب بر کیلوگرم آب) و مصرف آب انرژی بادی بین ۵ تا ۴۵ لیتر بر مگاوات ساعت (۰.۲ تا ۲.۱ کیلوگرم آب بر کیلوگرم آب) متغیر است. به طور مشابه، تولید گاز از گاز شیل (بر اساس داده‌های ایالات متحده) می‌تواند از ۱.۱۴ کیلوگرم آب بر کیلوگرم آب به ۴.۹ کیلوگرم آب بر کیلوگرم آب افزایش یابد.

 

در نتیجه، میانگین کل مصرف آب هیدروژن تولید شده توسط تولید برق فتوولتائیک و تولید برق بادی به ترتیب حدود ۳۲ و ۲۲ کیلوگرم آب به ازای هر کیلوگرم آب است. عدم قطعیت‌ها ناشی از تابش خورشیدی، طول عمر و محتوای سیلیکون است. این میزان مصرف آب در همان مرتبه بزرگی تولید هیدروژن از گاز طبیعی است (۷.۶-۳۷ کیلوگرم آب به ازای هر کیلوگرم آب، با میانگین ۲۲ کیلوگرم آب به ازای هر کیلوگرم آب).

 

کل ردپای آب: هنگام استفاده از انرژی تجدیدپذیر کمتر است

مشابه انتشار CO2، پیش‌نیاز برای ردپای کم آب برای مسیرهای الکترولیتی، استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر است. اگر تنها بخش کوچکی از برق با استفاده از سوخت‌های فسیلی تولید شود، مصرف آب مرتبط با برق بسیار بیشتر از آب واقعی مصرف شده در طول الکترولیز است.

 

برای مثال، تولید برق با گاز می‌تواند تا ۲۵۰۰ لیتر بر مگاوات ساعت آب مصرف کند. همچنین بهترین حالت برای سوخت‌های فسیلی (گاز طبیعی) است. اگر گازی‌سازی زغال‌سنگ در نظر گرفته شود، تولید هیدروژن می‌تواند ۳۱ تا ۳۱.۸ کیلوگرم آب بر کیلوگرم آب و تولید زغال‌سنگ می‌تواند ۱۴.۷ کیلوگرم آب بر کیلوگرم آب مصرف کند. همچنین انتظار می‌رود مصرف آب از فتوولتائیک‌ها و باد با افزایش بهره‌وری فرآیندهای تولید و بهبود خروجی انرژی به ازای هر واحد ظرفیت نصب‌شده، به مرور زمان کاهش یابد.

 

کل مصرف آب در سال ۲۰۵۰

انتظار می‌رود جهان در آینده چندین برابر بیشتر از امروز هیدروژن مصرف کند. به عنوان مثال، چشم‌انداز انتقال انرژی جهانی IRENA تخمین می‌زند که تقاضای هیدروژن در سال ۲۰۵۰ حدود ۷۴EJ خواهد بود که حدود دو سوم آن از هیدروژن تجدیدپذیر تأمین می‌شود. در مقام مقایسه، امروزه (هیدروژن خالص) ۸.۴EJ است.

 

حتی اگر هیدروژن الکترولیتی بتواند تقاضای هیدروژن را برای کل سال ۲۰۵۰ برآورده کند، مصرف آب حدود ۲۵ میلیارد متر مکعب خواهد بود. شکل زیر این رقم را با سایر جریان‌های مصرف آب ساخته دست بشر مقایسه می‌کند. کشاورزی بیشترین مقدار یعنی ۲۸۰ میلیارد متر مکعب آب را مصرف می‌کند، در حالی که صنعت نزدیک به ۸۰۰ میلیارد متر مکعب و شهرها ۴۷۰ میلیارد متر مکعب آب مصرف می‌کنند. مصرف فعلی آب برای اصلاح گاز طبیعی و گازی‌سازی زغال سنگ برای تولید هیدروژن حدود ۱.۵ میلیارد متر مکعب است.

بنابراین، اگرچه انتظار می‌رود به دلیل تغییرات در مسیرهای الکترولیتی و افزایش تقاضا، مقادیر زیادی آب مصرف شود، اما مصرف آب حاصل از تولید هیدروژن همچنان بسیار کمتر از سایر جریان‌های مورد استفاده انسان خواهد بود. نکته مرجع دیگر این است که سرانه مصرف آب بین 75 (لوکزامبورگ) و 1200 (ایالات متحده) متر مکعب در سال است. با میانگین 400 متر مکعب در سال (سرانه * سال)، کل تولید هیدروژن در سال 2050 معادل تولید هیدروژن در کشوری با 62 میلیون نفر جمعیت است.

 

هزینه آب چقدر است و چقدر انرژی مصرف می‌شود؟

 

هزینه

سلول‌های الکترولیتی به آب با کیفیت بالا نیاز دارند و نیاز به تصفیه آب دارند. آب با کیفیت پایین‌تر منجر به تخریب سریع‌تر و عمر کوتاه‌تر می‌شود. بسیاری از عناصر، از جمله دیافراگم‌ها و کاتالیزورهای مورد استفاده در مواد قلیایی، و همچنین غشاها و لایه‌های انتقال متخلخل PEM، می‌توانند تحت تأثیر ناخالصی‌های آب مانند آهن، کروم، مس و غیره قرار گیرند. رسانایی آب باید کمتر از 1μS/cm و کل کربن آلی کمتر از 50μg/L باشد.

 

آب سهم نسبتاً کمی از مصرف انرژی و هزینه‌ها را تشکیل می‌دهد. بدترین سناریو برای هر دو پارامتر، نمک‌زدایی است. اسمز معکوس فناوری اصلی نمک‌زدایی است که تقریباً 70 درصد از ظرفیت جهانی را تشکیل می‌دهد. هزینه این فناوری 1900 تا 2000 دلار به ازای هر متر مکعب در روز است و نرخ منحنی یادگیری آن 15٪ است. با این هزینه سرمایه‌گذاری، هزینه تصفیه حدود 1 دلار به ازای هر متر مکعب است و ممکن است در مناطقی که هزینه برق پایین است، کمتر باشد.

 

علاوه بر این، هزینه‌های حمل و نقل حدود ۱ تا ۲ دلار به ازای هر متر مکعب افزایش می‌یابد. حتی در این حالت، هزینه‌های تصفیه آب حدود ۰.۰۵ دلار به ازای هر کیلوگرم آب است. برای روشن شدن این موضوع، اگر منابع تجدیدپذیر خوبی در دسترس باشند، هزینه هیدروژن تجدیدپذیر می‌تواند ۲ تا ۳ دلار به ازای هر کیلوگرم آب باشد، در حالی که هزینه متوسط ​​منابع ۴ تا ۵ دلار به ازای هر کیلوگرم آب است.

 

بنابراین در این سناریوی محافظه‌کارانه، هزینه آب کمتر از ۲ درصد از کل هزینه خواهد بود. استفاده از آب دریا می‌تواند میزان آب بازیابی شده را ۲.۵ تا ۵ برابر (از نظر ضریب بازیابی) افزایش دهد.

 

مصرف انرژی

با نگاهی به مصرف انرژی نمک‌زدایی، این مقدار در مقایسه با مقدار برق مورد نیاز برای ورودی به سلول الکترولیتی نیز بسیار ناچیز است. واحد اسمز معکوس فعلی حدود ۳.۰ کیلووات بر متر مکعب مصرف می‌کند. در مقابل، کارخانه‌های نمک‌زدایی حرارتی مصرف انرژی بسیار بالاتری دارند، از ۴۰ تا ۸۰ کیلووات ساعت بر متر مکعب، و بسته به فناوری نمک‌زدایی، نیاز به برق اضافی از ۲.۵ تا ۵ کیلووات ساعت بر متر مکعب متغیر است. به عنوان مثال، با در نظر گرفتن حالت محافظه‌کارانه (یعنی تقاضای انرژی بالاتر) یک کارخانه تولید همزمان، با فرض استفاده از پمپ حرارتی، تقاضای انرژی به حدود ۰.۷ کیلووات ساعت بر کیلوگرم هیدروژن تبدیل می‌شود. برای روشن شدن این موضوع، تقاضای برق سلول الکترولیتی حدود ۵۰ تا ۵۵ کیلووات ساعت بر کیلوگرم است، بنابراین حتی در بدترین حالت، تقاضای انرژی برای نمک‌زدایی حدود ۱٪ از کل انرژی ورودی به سیستم است.

 

یکی از چالش‌های نمک‌زدایی، دفع آب شور است که می‌تواند بر اکوسیستم‌های دریایی محلی تأثیر بگذارد. این آب نمک را می‌توان بیشتر تصفیه کرد تا تأثیر زیست‌محیطی آن کاهش یابد، بنابراین 0.6 تا 2.40 دلار دیگر به ازای هر متر مکعب به هزینه آب اضافه می‌شود. علاوه بر این، کیفیت آب الکترولیتی سختگیرانه‌تر از آب آشامیدنی است و ممکن است منجر به هزینه‌های تصفیه بالاتر شود، اما انتظار می‌رود که این هزینه در مقایسه با انرژی ورودی ناچیز باشد.

ردپای آب الکترولیتی برای تولید هیدروژن یک پارامتر مکانی بسیار خاص است که به میزان دسترسی به آب محلی، مصرف، تخریب و آلودگی آن بستگی دارد. تعادل اکوسیستم‌ها و تأثیر روندهای اقلیمی بلندمدت باید در نظر گرفته شود. مصرف آب مانع اصلی افزایش تولید هیدروژن تجدیدپذیر خواهد بود.