Kuinka paljon vettä kuluu elektrolyysissä
Vaihe yksi: Vedyn tuotanto
Vedenkulutus tapahtuu kahdessa vaiheessa: vedyn tuotannossa ja energiankuljettajien tuotannossa alkupäässä. Vedyn tuotannossa elektrolysoidun veden vähimmäiskulutus on noin 9 kilogrammaa vettä kilogrammaa vetyä kohden. Ottaen huomioon veden demineralisaatioprosessin, tämä suhde voi kuitenkin vaihdella 18–24 kilogrammasta vettä kilogrammaa vetyä kohden tai jopa 25,7–30,2..
Nykyisessä tuotantoprosessissa (metaanin höyryreformointi) vedenkulutus on vähintään 4,5 kgH2O/kgH2 (reaktioon vaaditaan), ja ottaen huomioon prosessiveden ja jäähdytyksen, vedenkulutus on vähintään 6,4–32,2 kgH2O/kgH2.
Vaihe 2: Energialähteet (uusiutuva sähkö tai maakaasu)
Toinen osatekijä on vedenkulutus uusiutuvan sähkön ja maakaasun tuotannossa. Aurinkosähkön vedenkulutus vaihtelee 50–400 litran/MWh välillä (2,4–19 kgH2O/kgH2) ja tuulivoiman välillä 5–45 litran/MWh välillä (0,2–2,1 kgH2O/kgH2). Vastaavasti liuskekaasun tuotantoa (Yhdysvaltain tietojen perusteella) voidaan lisätä 1,14 kgH2O/kgH2:sta 4,9 kgH2O/kgH2:een.
Yhteenvetona voidaan todeta, että aurinkosähkön ja tuulivoiman tuottaman vedyn keskimääräinen kokonaiskulutus on noin 32 ja 22 kgH2O/kgH2. Epävarmuustekijät johtuvat auringonsäteilystä, käyttöiästä ja piipitoisuudesta. Tämä vedenkulutus on samaa suuruusluokkaa kuin maakaasusta tuotetun vedyn kulutus (7,6–37 kgh2o/kgH2, keskimäärin 22 kgH2O/kgH2).
Kokonaisvesijalanjälki: Pienempi käytettäessä uusiutuvaa energiaa
Samoin kuin hiilidioksidipäästöjen kohdalla, elektrolyysimenetelmien pienen vesijalanjäljen edellytyksenä on uusiutuvien energialähteiden käyttö. Jos vain pieni osa sähköstä tuotetaan fossiilisilla polttoaineilla, sähkön tuotantoon liittyvä vedenkulutus on paljon suurempi kuin elektrolyysin aikana tosiasiallisesti kulutettu vesi.
Esimerkiksi kaasulla tuotettava sähkö voi käyttää jopa 2 500 litraa vettä/MWh. Tämä on myös paras tapaus fossiilisille polttoaineille (maakaasu). Jos otetaan huomioon hiilen kaasuttaminen, vedyn tuotanto voi kuluttaa 31–31,8 kgH2O/kgH2 ja hiilen tuotanto 14,7 kgH2O/kgH2. Myös aurinkosähkön ja tuulivoiman vedenkulutuksen odotetaan vähenevän ajan myötä, kun valmistusprosessit tehostuvat ja energiantuotanto asennettua kapasiteettia kohti paranee.
Kokonaisvedenkulutus vuonna 2050
Maailman odotetaan käyttävän tulevaisuudessa moninkertaisesti enemmän vetyä kuin nykyään. Esimerkiksi IRENA:n World Energy Transitions Outlookissa arvioidaan, että vedyn kysyntä vuonna 2050 on noin 74 EJ, josta noin kaksi kolmasosaa on peräisin uusiutuvasta vedystä. Vertailun vuoksi nykyään (puhtaan vedyn) kysyntä on 8,4 EJ.
Vaikka elektrolyyttinen vety pystyisi tyydyttämään vedyn kysynnän koko vuonna 2050, vedenkulutus olisi noin 25 miljardia kuutiometriä. Alla oleva kuva vertaa tätä lukua muihin ihmisen aiheuttamiin vedenkulutusvirtoihin. Maatalous käyttää eniten vettä, 280 miljardia kuutiometriä, kun taas teollisuus käyttää lähes 800 miljardia kuutiometriä ja kaupungit 470 miljardia kuutiometriä. Maakaasun reformoinnin ja hiilen kaasutuksen nykyinen vedenkulutus vedyn tuotannossa on noin 1,5 miljardia kuutiometriä.
Vaikka elektrolyyttisten prosessien muutosten ja kasvavan kysynnän vuoksi odotetaan kulutettavan suuria määriä vettä, vedyntuotannon vedenkulutus on silti paljon pienempi kuin muiden ihmisten käyttämien virtojen. Toinen vertailukohta on, että vedenkulutus henkeä kohti on 75 (Luxemburg) ja 1 200 (USA) kuutiometrin välillä vuodessa. Keskimäärin 400 m3 / (asukasta kohti * vuosi) vedyn kokonaistuotanto vuonna 2050 vastaa 62 miljoonan asukkaan maan tuotantoa.
Paljonko vesi maksaa ja kuinka paljon energiaa kuluu
maksaa
Elektrolyysikennot vaativat korkealaatuista vettä ja vedenkäsittelyä. Huonompilaatuinen vesi johtaa nopeampaan hajoamiseen ja lyhyempään käyttöikään. Monet alkuaineet, mukaan lukien emäksisissä liuoksissa käytettävät kalvot ja katalyytit sekä PEM:n kalvot ja huokoiset kuljetuskerrokset, voivat kärsiä veden epäpuhtauksista, kuten raudasta, kromista, kuparista jne. Veden johtavuuden on oltava alle 1 μS/cm ja orgaanisen hiilen kokonaismäärän alle 50 μg/l.
Veden osuus energiankulutuksesta ja -kustannuksista on suhteellisen pieni. Molempien parametrien osalta pahin mahdollinen skenaario on suolanpoisto. Käänteisosmoosi on tärkein suolanpoistoteknologia, ja se kattaa lähes 70 prosenttia maailmanlaajuisesta kapasiteetista. Teknologia maksaa 1 900–2 000 dollaria/m³/d ja sen oppimiskäyrä on 15 %. Näillä investointikustannuksilla käsittelykustannukset ovat noin 1 dollari/m³, ja ne voivat olla alhaisemmat alueilla, joilla sähkön kustannukset ovat alhaiset.
Lisäksi toimituskustannukset nousevat noin 1–2 dollaria kuutiometriltä. Tässäkin tapauksessa vedenkäsittelykustannukset ovat noin 0,05 dollaria /kgH2. Vertailun vuoksi uusiutuvan vedyn hinta voi olla 2–3 dollaria /kgH2, jos saatavilla on hyviä uusiutuvia luonnonvaroja, kun taas keskimääräisen luonnonvaran hinta on 4–5 dollaria /kgH2.
Tässä konservatiivisessa skenaariossa vesi maksaisi siis alle 2 prosenttia kokonaiskustannuksista. Meriveden käyttö voi lisätä talteenotetun veden määrää 2,5–5-kertaisesti (talteenottokertoimen suhteen).
Energiankulutus
Suolanpoiston energiankulutus on myös hyvin pieni verrattuna elektrolyysikennon tarvitsemaan sähkön määrään. Nykyinen käänteisosmoosiyksikkö kuluttaa noin 3,0 kW/m3. Sitä vastoin termisten suolanpoistolaitosten energiankulutus on paljon suurempi, vaihdellen 40–80 kWh/m3, ja lisätehon tarve vaihtelee 2,5–5 kWh/m3 suolanpoistotekniikasta riippuen. Esimerkiksi yhteistuotantolaitoksen konservatiivisessa tapauksessa (eli suuremmassa energiantarpeessa) olettaen, että käytetään lämpöpumppua, energiankulutus muunnetaan noin 0,7 kWh:ksi/kg vetyä. Havainnollistamiseksi elektrolyysikennon sähkönkulutus on noin 50–55 kWh/kg, joten jopa pahimmassa tapauksessa suolanpoiston energiankulutus on noin 1 % järjestelmän kokonaisenergiankulutuksesta.
Yksi suolanpoiston haasteista on suolaveden hävittäminen, jolla voi olla vaikutusta paikallisiin meriekosysteemeihin. Tätä suolavettä voidaan käsitellä edelleen sen ympäristövaikutusten vähentämiseksi, mikä lisää veden hintaa 0,6–2,40 dollaria/m³. Lisäksi elektrolyyttisen veden laatu on tiukempi kuin juomaveden, mikä voi johtaa korkeampiin käsittelykustannuksiin, mutta tämän odotetaan silti olevan pieni verrattuna energiankulutukseen.
Elektrolyysiveden vesijalanjälki vedyn tuotannossa on hyvin spesifinen sijaintiparametri, joka riippuu paikallisesta veden saatavuudesta, kulutuksesta, tilan heikkenemisestä ja saastumisesta. Ekosysteemien tasapaino ja pitkän aikavälin ilmastotrendien vaikutus olisi otettava huomioon. Vedenkulutus on merkittävä este uusiutuvan vedyn käytön laajentamiselle.
Julkaisun aika: 08.03.2023