विद्युत अपघटन में कितना पानी खर्च होता है?

विद्युत अपघटन में कितना पानी खर्च होता है?

पहला चरण: हाइड्रोजन उत्पादन

पानी की खपत दो चरणों में होती है: हाइड्रोजन उत्पादन और ऊर्जा वाहक उत्पादन। हाइड्रोजन उत्पादन के लिए, विद्युतीकृत पानी की न्यूनतम खपत लगभग 9 किलोग्राम पानी प्रति किलोग्राम हाइड्रोजन है। हालांकि, पानी के विखनिजीकरण की प्रक्रिया को ध्यान में रखते हुए, यह अनुपात 18 से 24 किलोग्राम पानी प्रति किलोग्राम हाइड्रोजन तक या 25.7 से 30.2 किलोग्राम तक भी हो सकता है।.

 

मौजूदा उत्पादन प्रक्रिया (मीथेन स्टीम रिफॉर्मिंग) के लिए, न्यूनतम जल खपत 4.5 किलोग्राम H2O/किलोग्राम H2 (प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक) है, प्रक्रिया जल और शीतलन को ध्यान में रखते हुए, न्यूनतम जल खपत 6.4-32.2 किलोग्राम H2O/किलोग्राम H2 है।

 

चरण 2: ऊर्जा स्रोत (नवीकरणीय बिजली या प्राकृतिक गैस)

नवीकरणीय बिजली और प्राकृतिक गैस के उत्पादन में जल की खपत एक अन्य महत्वपूर्ण घटक है। फोटोवोल्टिक बिजली उत्पादन में जल की खपत 50-400 लीटर/मेगावाट घंटा (2.4-19 किलोग्राम जल डाइऑक्साइड/किलोग्राम जल डाइऑक्साइड) और पवन ऊर्जा में 5-45 लीटर/मेगावाट घंटा (0.2-2.1 किलोग्राम जल डाइऑक्साइड/किलोग्राम जल डाइऑक्साइड) के बीच होती है। इसी प्रकार, शेल गैस से गैस उत्पादन (अमेरिकी आंकड़ों के आधार पर) 1.14 किलोग्राम जल डाइऑक्साइड/किलोग्राम जल डाइऑक्साइड से बढ़ाकर 4.9 किलोग्राम जल डाइऑक्साइड/किलोग्राम जल डाइऑक्साइड किया जा सकता है।

 

निष्कर्षतः, सौर विद्युत और पवन ऊर्जा उत्पादन द्वारा उत्पादित हाइड्रोजन की औसत कुल जल खपत क्रमशः लगभग 32 और 22 kgH2O/kgH2 है। अनिश्चितताएं सौर विकिरण, जीवनकाल और सिलिकॉन की मात्रा से उत्पन्न होती हैं। यह जल खपत प्राकृतिक गैस से हाइड्रोजन उत्पादन के लगभग बराबर है (7.6-37 kgH2O/kgH2, औसत 22 kgH2O/kgH2)।

 

कुल जल पदचिह्न: नवीकरणीय ऊर्जा का उपयोग करने पर कम होता है

कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन की तरह ही, इलेक्ट्रोलाइटिक प्रक्रियाओं में कम जल उपयोग के लिए नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों का उपयोग एक आवश्यक शर्त है। यदि बिजली का केवल एक छोटा सा हिस्सा जीवाश्म ईंधन से उत्पन्न किया जाता है, तो बिजली से संबंधित जल की खपत, इलेक्ट्रोलाइसिस के दौरान वास्तव में उपयोग किए गए पानी की तुलना में कहीं अधिक होती है।

 

उदाहरण के लिए, गैस से बिजली उत्पादन में 2,500 लीटर प्रति मेगावाट घंटे तक पानी की खपत हो सकती है। जीवाश्म ईंधन (प्राकृतिक गैस) के मामले में भी यही सबसे अच्छा उदाहरण है। कोयले के गैसीकरण को ध्यान में रखते हुए, हाइड्रोजन उत्पादन में 31-31.8 किलोग्राम H2O/किलोग्राम H2 और कोयले के उत्पादन में 14.7 किलोग्राम H2O/किलोग्राम H2 की खपत हो सकती है। फोटोवोल्टिक्स और पवन ऊर्जा से पानी की खपत में भी समय के साथ कमी आने की उम्मीद है क्योंकि उत्पादन प्रक्रियाएं अधिक कुशल हो रही हैं और स्थापित क्षमता की प्रति इकाई ऊर्जा उत्पादन में सुधार हो रहा है।

 

वर्ष 2050 में कुल जल खपत

भविष्य में दुनिया में हाइड्रोजन का उपयोग आज की तुलना में कई गुना अधिक होने की उम्मीद है। उदाहरण के लिए, IRENA के विश्व ऊर्जा संक्रमण आउटलुक के अनुसार, 2050 में हाइड्रोजन की मांग लगभग 74 ऊर्जा जूल (EJ) होगी, जिसमें से लगभग दो-तिहाई नवीकरणीय ऊर्जा (नवीकरणीय हाइड्रोजन) से आएगी। तुलनात्मक रूप से, आज (शुद्ध हाइड्रोजन) की मांग 8.4 ऊर्जा जूल (EJ) है।

 

यदि इलेक्ट्रोलाइटिक हाइड्रोजन 2050 तक हाइड्रोजन की पूरी मांग को पूरा कर भी ले, तो भी पानी की खपत लगभग 25 अरब घन मीटर होगी। नीचे दिया गया चित्र इस आंकड़े की तुलना अन्य मानव निर्मित जल खपत स्रोतों से करता है। कृषि में सबसे अधिक 280 अरब घन मीटर पानी का उपयोग होता है, जबकि उद्योग में लगभग 800 अरब घन मीटर और शहरों में 470 अरब घन मीटर पानी का उपयोग होता है। हाइड्रोजन उत्पादन के लिए प्राकृतिक गैस रिफॉर्मिंग और कोयला गैसीकरण में वर्तमान जल खपत लगभग 1.5 अरब घन मीटर है।

इस प्रकार, यद्यपि इलेक्ट्रोलाइटिक प्रक्रियाओं में परिवर्तन और बढ़ती मांग के कारण बड़ी मात्रा में पानी की खपत होने की उम्मीद है, फिर भी हाइड्रोजन उत्पादन से होने वाली जल खपत मनुष्यों द्वारा उपयोग किए जाने वाले अन्य जल स्रोतों की तुलना में बहुत कम होगी। एक अन्य संदर्भ बिंदु यह है कि प्रति व्यक्ति जल खपत 75 घन मीटर (लक्ज़मबर्ग) और 1,200 घन मीटर (अमेरिका) प्रति वर्ष के बीच है। औसतन 400 घन मीटर प्रति वर्ष (प्रति व्यक्ति * वर्ष) की दर से, 2050 में कुल हाइड्रोजन उत्पादन 62 मिलियन लोगों वाले देश के उत्पादन के बराबर होगा।

 

पानी की कीमत कितनी है और कितनी ऊर्जा का उपयोग होता है?

 

लागत

इलेक्ट्रोलाइटिक सेल के लिए उच्च गुणवत्ता वाले पानी की आवश्यकता होती है और जल उपचार अनिवार्य है। निम्न गुणवत्ता वाला पानी तेजी से क्षरण और कम जीवनकाल का कारण बनता है। क्षार में प्रयुक्त डायाफ्राम और उत्प्रेरक, साथ ही पीईएम की झिल्लियाँ और छिद्रित परिवहन परतें सहित कई तत्व, लौह, क्रोमियम, तांबा आदि जैसी जल अशुद्धियों से प्रतिकूल रूप से प्रभावित हो सकते हैं। जल की चालकता 1 μS/cm से कम और कुल कार्बनिक कार्बन 50 μg/L से कम होना आवश्यक है।

 

ऊर्जा खपत और लागत में जल का हिस्सा अपेक्षाकृत कम है। इन दोनों मापदंडों के लिए सबसे खराब स्थिति विलवणीकरण है। रिवर्स ऑस्मोसिस विलवणीकरण की मुख्य तकनीक है, जो वैश्विक क्षमता का लगभग 70 प्रतिशत है। इस तकनीक की लागत $1900-$2000 प्रति घन मीटर/दिन है और इसे सीखने में 15% का समय लगता है। इस निवेश लागत पर, उपचार लागत लगभग $1 प्रति घन मीटर है, और उन क्षेत्रों में कम हो सकती है जहां बिजली की लागत कम है।

 

इसके अलावा, शिपिंग लागत में लगभग 1-2 डॉलर प्रति घन मीटर की वृद्धि होगी। फिर भी, जल उपचार की लागत लगभग 0.05 डॉलर प्रति किलोग्राम H2 है। इसे समझने के लिए, यदि अच्छे नवीकरणीय संसाधन उपलब्ध हों तो नवीकरणीय हाइड्रोजन की लागत 2-3 डॉलर प्रति किलोग्राम H2 हो सकती है, जबकि औसत संसाधन की लागत 4-5 डॉलर प्रति किलोग्राम H2 है।

 

अतः इस रूढ़िवादी परिदृश्य में, पानी की लागत कुल लागत के 2 प्रतिशत से भी कम होगी। समुद्री जल के उपयोग से पुनर्प्राप्त जल की मात्रा में 2.5 से 5 गुना तक वृद्धि हो सकती है (पुनर्प्राप्ति कारक के संदर्भ में)।

 

ऊर्जा की खपत

खारे पानी को मीठा बनाने की प्रक्रिया में ऊर्जा की खपत इलेक्ट्रोलाइटिक सेल में लगने वाली बिजली की तुलना में बहुत कम होती है। वर्तमान में चल रही रिवर्स ऑस्मोसिस इकाई लगभग 3.0 kW/m³ ऊर्जा की खपत करती है। इसके विपरीत, थर्मल विलवणीकरण संयंत्रों में ऊर्जा की खपत काफी अधिक होती है, जो 40 से 80 kWh/m³ तक होती है, और विलवणीकरण तकनीक के आधार पर अतिरिक्त बिजली की आवश्यकता 2.5 से 5 kWh/m³ तक होती है। सह-उत्पादन संयंत्र के उदाहरण के तौर पर, यदि हम हीट पंप का उपयोग मान लें, तो ऊर्जा की मांग लगभग 0.7 kWh/kg हाइड्रोजन में परिवर्तित हो जाएगी। इसे समझने के लिए, इलेक्ट्रोलाइटिक सेल की बिजली की मांग लगभग 50-55 kWh/kg है, इसलिए सबसे खराब स्थिति में भी, विलवणीकरण के लिए ऊर्जा की मांग सिस्टम में लगने वाली कुल ऊर्जा का लगभग 1% ही होती है।

 

खारे पानी को मीठा बनाने की प्रक्रिया में एक चुनौती खारे पानी का निपटान है, जिसका स्थानीय समुद्री पारिस्थितिकी तंत्र पर प्रभाव पड़ सकता है। इस खारे पानी को आगे उपचारित करके इसके पर्यावरणीय प्रभाव को कम किया जा सकता है, जिससे पानी की लागत में 0.6-2.40 डॉलर प्रति वर्ग मीटर की वृद्धि हो सकती है। इसके अलावा, इलेक्ट्रोलाइटिक जल की गुणवत्ता पीने के पानी की तुलना में अधिक सख्त होती है और इसके उपचार की लागत अधिक हो सकती है, लेकिन बिजली की खपत की तुलना में यह लागत कम रहने की उम्मीद है।

हाइड्रोजन उत्पादन के लिए इलेक्ट्रोलाइटिक जल का जल पदचिह्न एक विशिष्ट स्थानिक पैरामीटर है जो स्थानीय जल उपलब्धता, खपत, क्षरण और प्रदूषण पर निर्भर करता है। पारिस्थितिक तंत्र के संतुलन और दीर्घकालिक जलवायु रुझानों के प्रभाव को ध्यान में रखा जाना चाहिए। नवीकरणीय हाइड्रोजन के विस्तार में जल की खपत एक बड़ी बाधा होगी।