Koliko se vode troši elektrolizom
Prvi korak: Proizvodnja vodika
Potrošnja vode dolazi iz dva koraka: proizvodnje vodika i uzvodne proizvodnje nositelja energije. Za proizvodnju vodika, minimalna potrošnja elektrolizirane vode iznosi približno 9 kilograma vode po kilogramu vodika. Međutim, uzimajući u obzir proces demineralizacije vode, ovaj omjer može se kretati od 18 do 24 kilograma vode po kilogramu vodika, ili čak i do 25,7 do 30,2..
Za postojeći proizvodni proces (reformiranje metana parom), minimalna potrošnja vode je 4,5 kgH2O/kgH2 (potrebno za reakciju), uzimajući u obzir procesnu vodu i hlađenje, minimalna potrošnja vode je 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.
Korak 2: Izvori energije (obnovljiva električna energija ili prirodni plin)
Druga komponenta je potrošnja vode za proizvodnju obnovljive električne energije i prirodnog plina. Potrošnja vode za fotonaponsku energiju varira između 50-400 litara/MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2), a za energiju vjetra između 5-45 litara/MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2). Slično tome, proizvodnja plina iz škriljevca (na temelju podataka iz SAD-a) može se povećati s 1,14 kgH2O/kgH2 na 4,9 kgH2O/kgH2.
Zaključno, prosječna ukupna potrošnja vode za vodik generiran fotonaponskom proizvodnjom energije i proizvodnjom energije vjetra iznosi oko 32 odnosno 22 kgH2O/kgH2. Nesigurnosti proizlaze iz sunčevog zračenja, životnog vijeka i sadržaja silicija. Ova potrošnja vode je istog reda veličine kao i proizvodnja vodika iz prirodnog plina (7,6-37 kgh2o/kgH2, s prosjekom od 22 kgH2O/kgH2).
Ukupni vodni otisak: Manji pri korištenju obnovljive energije
Slično emisijama CO2, preduvjet za nizak vodni otisak elektrolitičkih postupaka je korištenje obnovljivih izvora energije. Ako se samo mali dio električne energije proizvodi korištenjem fosilnih goriva, potrošnja vode povezana s električnom energijom mnogo je veća od stvarne potrošnje vode tijekom elektrolize.
Na primjer, proizvodnja plinske energije može potrošiti do 2500 litara/MWh vode. To je ujedno i najbolji slučaj za fosilna goriva (prirodni plin). Ako se uzme u obzir uplinjavanje ugljena, proizvodnja vodika može potrošiti 31-31,8 kgH2O/kgH2, a proizvodnja ugljena 14,7 kgH2O/kgH2. Očekuje se da će se potrošnja vode iz fotonaponskih sustava i vjetra također smanjiti s vremenom kako proizvodni procesi postaju učinkovitiji, a proizvodnja energije po jedinici instaliranog kapaciteta se poboljšava.
Ukupna potrošnja vode u 2050. godini
Očekuje se da će svijet u budućnosti koristiti mnogo više vodika nego danas. Na primjer, IRENA-in Izgled svjetske energetske tranzicije procjenjuje da će potražnja za vodikom 2050. godine biti oko 74 EJ, od čega će oko dvije trećine dolaziti iz obnovljivog vodika. Za usporedbu, danas (čisti vodik) iznosi 8,4 EJ.
Čak i kad bi elektrolitički vodik mogao zadovoljiti potražnju za vodikom tijekom cijele 2050. godine, potrošnja vode iznosila bi oko 25 milijardi kubičnih metara. Donja slika uspoređuje ovu brojku s drugim tokovima potrošnje vode uzrokovanim ljudskim djelovanjem. Poljoprivreda koristi najveću količinu od 280 milijardi kubičnih metara vode, dok industrija koristi gotovo 800 milijardi kubičnih metara, a gradovi 470 milijardi kubičnih metara. Trenutna potrošnja vode za reformiranje prirodnog plina i uplinjavanje ugljena za proizvodnju vodika iznosi oko 1,5 milijardi kubičnih metara.
Dakle, iako se očekuje da će se zbog promjena u elektrolitskim putovima i rastuće potražnje potrošiti velike količine vode, potrošnja vode iz proizvodnje vodika i dalje će biti mnogo manja od ostalih tokova koje ljudi koriste. Druga referentna točka je da je potrošnja vode po stanovniku između 75 (Luksemburg) i 1200 (SAD) kubičnih metara godišnje. S prosjekom od 400 m3/(po stanovniku * godišnje), ukupna proizvodnja vodika u 2050. godini ekvivalentna je onoj u zemlji od 62 milijuna ljudi.
Koliko košta voda i koliko se energije troši
trošak
Elektrolitičke ćelije zahtijevaju vodu visoke kvalitete i zahtijevaju obradu vode. Voda niže kvalitete dovodi do brže degradacije i kraćeg vijeka trajanja. Mnogi elementi, uključujući dijafragme i katalizatore koji se koriste u lužinama, kao i membrane i porozne transportne slojeve PEM-a, mogu biti negativno pogođeni nečistoćama vode poput željeza, kroma, bakra itd. Provodljivost vode mora biti manja od 1μS/cm, a ukupni organski ugljik manji od 50μg/L.
Voda čini relativno mali udio potrošnje energije i troškova. Najgori scenarij za oba parametra je desalinizacija. Reverzna osmoza je glavna tehnologija za desalinizaciju, koja čini gotovo 70 posto globalnog kapaciteta. Tehnologija košta 1900-2000 USD/m³/d i ima stopu krivulje učenja od 15%. Uz ovaj investicijski trošak, trošak obrade iznosi oko 1 USD/m³ i može biti niži u područjima gdje su troškovi električne energije niski.
Osim toga, troškovi dostave povećat će se za oko 1-2 USD po m³. Čak i u tom slučaju, troškovi obrade vode iznose oko 0,05 USD/kgH2. Da bismo to stavili u perspektivu, trošak obnovljivog vodika može biti 2-3 USD/kgH2 ako su dostupni dobri obnovljivi resursi, dok je trošak prosječnog resursa 4-5 USD/kgH2.
Dakle, u ovom konzervativnom scenariju, voda bi koštala manje od 2 posto ukupnog iznosa. Korištenje morske vode može povećati količinu dobivene vode za 2,5 do 5 puta (u smislu faktora iskorištenja).
Potrošnja energije
Promatrajući potrošnju energije za desalinizaciju, ona je također vrlo mala u usporedbi s količinom električne energije potrebne za unos u elektrolitičku ćeliju. Trenutno operativna jedinica za reverznu osmozu troši oko 3,0 kW/m3. Nasuprot tome, postrojenja za termičku desalinizaciju imaju puno veću potrošnju energije, u rasponu od 40 do 80 kWh/m3, s dodatnim zahtjevima za energijom u rasponu od 2,5 do 5 kWh/m3, ovisno o tehnologiji desalinizacije. Uzimajući konzervativni slučaj (tj. veću potražnju za energijom) kogeneracijskog postrojenja kao primjer, pretpostavljajući korištenje toplinske pumpe, potražnja za energijom pretvorila bi se u oko 0,7 kWh/kg vodika. Da bismo to stavili u perspektivu, potražnja za električnom energijom elektrolitičke ćelije iznosi oko 50-55 kWh/kg, tako da čak i u najgorem slučaju, potražnja za energijom za desalinizaciju iznosi oko 1% ukupnog unosa energije u sustav.
Jedan od izazova desalinizacije je zbrinjavanje slane vode, što može utjecati na lokalne morske ekosustave. Ova slana voda može se dodatno obraditi kako bi se smanjio njezin utjecaj na okoliš, čime se troškovima vode dodaje dodatnih 0,6-2,40 USD/m³. Osim toga, kvaliteta elektrolitičke vode je stroža od vode za piće i može rezultirati većim troškovima obrade, ali se i dalje očekuje da će to biti malo u usporedbi s ulaznom energijom.
Vodni otisak elektrolitičke vode za proizvodnju vodika vrlo je specifičan parametar lokacije koji ovisi o lokalnoj dostupnosti vode, potrošnji, degradaciji i onečišćenju. Treba uzeti u obzir ravnotežu ekosustava i utjecaj dugoročnih klimatskih trendova. Potrošnja vode bit će glavna prepreka povećanju obnovljivog vodika.
Vrijeme objave: 08.03.2023.