Mennyi vizet fogyaszt az elektrolízis
Első lépés: Hidrogéntermelés
A vízfogyasztás két lépésből áll: a hidrogéntermelésből és az energiahordozó-termelésből. A hidrogéntermeléshez az elektrolizált víz minimális fogyasztása körülbelül 9 kilogramm víz kilogrammonként hidrogénként. Figyelembe véve azonban a víz ásványianyag-mentesítési folyamatát, ez az arány 18-24 kilogramm víz kilogrammonként hidrogénként, vagy akár 25,7-30,2 is lehet..
A meglévő termelési folyamat (metángőzös reformálás) esetében a minimális vízfogyasztás 4,5 kgH2O/kgH2 (a reakcióhoz szükséges), a technológiai vizet és a hűtést figyelembe véve a minimális vízfogyasztás 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.
2. lépés: Energiaforrások (megújuló villamos energia vagy földgáz)
További összetevő a megújuló villamos energia és földgáz előállításához szükséges vízfogyasztás. A fotovoltaikus energia vízfogyasztása 50-400 liter/MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2), a szélenergia vízfogyasztása pedig 5-45 liter/MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2) között változik. Hasonlóképpen, a palagázból történő gáztermelés (amerikai adatok alapján) 1,14 kgH2O/kgH2-ről 4,9 kgH2O/kgH2-re növelhető.
Összefoglalva, a fotovoltaikus és a szélenergia-termelés során előállított hidrogén átlagos teljes vízfogyasztása körülbelül 32, illetve 22 kgH2O/kgH2. A bizonytalanságok a napsugárzásból, az élettartamból és a szilíciumtartalomból adódnak. Ez a vízfogyasztás nagyságrendileg megegyezik a földgázból előállított hidrogénével (7,6-37 kgh2o/kgH2, átlagosan 22 kgH2O/kgH2).
Teljes vízlábnyom: Alacsonyabb megújuló energia használata esetén
A CO2-kibocsátáshoz hasonlóan az elektrolízises eljárások alacsony vízlábnyomának előfeltétele a megújuló energiaforrások használata. Ha a villamos energia csak kis részét termelik fosszilis tüzelőanyagokkal, az árammal kapcsolatos vízfogyasztás jóval magasabb, mint az elektrolízis során ténylegesen felhasznált vízmennyiség.
Például a gázzal történő energiatermelés akár 2500 liter/MWh vizet is felhasználhat. Ez a legjobb eset a fosszilis tüzelőanyagok (földgáz) esetében is. Ha a szén elgázosítását vesszük figyelembe, a hidrogéntermelés 31-31,8 kgH2O/kgH2-t, a széntermelés pedig 14,7 kgH2O/kgH2-t fogyaszthat. A fotovoltaikus és szélenergia-termelésből származó vízfogyasztás várhatóan idővel szintén csökkenni fog, mivel a gyártási folyamatok hatékonyabbá válnak, és a beépített kapacitásegységre jutó energiatermelés javul.
Teljes vízfogyasztás 2050-ben
A világ várhatóan a jövőben sokszor annyi hidrogént fog felhasználni, mint ma. Például az IRENA World Energy Transitions Outlook című kiadványa becslése szerint a hidrogén iránti kereslet 2050-ben körülbelül 74 EJ lesz, amelynek körülbelül kétharmada megújuló hidrogénből fog származni. Összehasonlításképpen, ma (tiszta hidrogén) ez az érték 8,4 EJ.
Még ha az elektrolitikus hidrogén képes lenne is kielégíteni a hidrogénigényt 2050 egészében, a vízfogyasztás akkor is körülbelül 25 milliárd köbméter lenne. Az alábbi ábra ezt az adatot más ember alkotta vízfogyasztási áramokkal hasonlítja össze. A mezőgazdaság használja fel a legnagyobb mennyiségű, 280 milliárd köbméter vizet, míg az ipar közel 800 milliárd köbmétert, a városok pedig 470 milliárd köbmétert. A földgázreformálás és a szénelgázosítás jelenlegi vízfogyasztása hidrogéntermeléshez körülbelül 1,5 milliárd köbméter.
Így, bár az elektrolízis folyamatainak változásai és a növekvő kereslet miatt várhatóan nagy mennyiségű víz fogyasztására kerül sor, a hidrogéntermelésből származó vízfogyasztás továbbra is jóval kisebb lesz, mint az emberek által felhasznált egyéb vízáramoké. További viszonyítási alap, hogy az egy főre jutó vízfogyasztás évi 75 (Luxemburg) és 1200 (USA) köbméter között van. Átlagosan 400 m3 / (főnként * év) mennyiséggel a teljes hidrogéntermelés 2050-ben egy 62 millió lakosú országéval egyenértékű.
Mennyibe kerül a víz és mennyi energiát használunk
költség
Az elektrolizáló cellák kiváló minőségű vizet igényelnek, és vízkezelést igényelnek. Az alacsonyabb minőségű víz gyorsabb lebomláshoz és rövidebb élettartamhoz vezet. Számos elemet, beleértve az alkáliákban használt membránokat és katalizátorokat, valamint a PEM membránjait és porózus transzportrétegeit, hátrányosan befolyásolhatnak a vízszennyeződések, például a vas, a króm, a réz stb. A víz vezetőképességének 1 μS/cm-nél kisebbnek, a teljes szerves széntartalomnak pedig 50 μg/l-nél kisebbnek kell lennie.
A víz viszonylag kis részét teszi ki az energiafogyasztásnak és a költségeknek. Mindkét paraméter esetében a legrosszabb forgatókönyv a sótalanítás. A fordított ozmózis a sótalanítás fő technológiája, amely a globális kapacitás közel 70 százalékát teszi ki. A technológia költsége 1900-2000 dollár/m³/nap, és a tanulási görbe aránya 15%. Ezzel a beruházási költséggel a kezelési költség körülbelül 1 dollár/m³, és alacsonyabb lehet azokon a területeken, ahol az áramköltségek alacsonyak.
Ezenkívül a szállítási költségek körülbelül 1-2 dollárral emelkednek köbméterenként. Még ebben az esetben is a vízkezelési költségek körülbelül 0,05 dollár/kgH2. Összehasonlításképpen: a megújuló hidrogén ára 2-3 dollár/kgH2 is lehet, ha jó minőségű megújuló erőforrások állnak rendelkezésre, míg az átlagos erőforrás költsége 4-5 dollár/kgH2.
Tehát ebben a konzervatív forgatókönyvben a víz a teljes költség kevesebb mint 2 százalékába kerülne. A tengervíz használata 2,5-5-szörösére növelheti a kinyerhető víz mennyiségét (a kinyerési tényező tekintetében).
Energiafogyasztás
A sótalanítás energiafogyasztását tekintve az is nagyon kicsi az elektrolizáló cella betáplálásához szükséges villamos energia mennyiségéhez képest. A jelenleg működő fordított ozmózisos egység körülbelül 3,0 kW/m3-t fogyaszt. Ezzel szemben a termikus sótalanító üzemek energiafogyasztása sokkal magasabb, 40-80 KWH/m3 között mozog, a további energiaigény pedig a sótalanítási technológiától függően 2,5-5 KWH/m3 között mozog. Ha egy kapcsolt energiatermelő erőmű konzervatív esetét (azaz a nagyobb energiaigényt) vesszük példaként, feltételezve egy hőszivattyú használatát, az energiaigény körülbelül 0,7 kWh/kg hidrogénre alakulna át. Összehasonlításképpen, az elektrolizáló cella villamosenergia-igénye körülbelül 50-55 kWh/kg, így még a legrosszabb esetben is a sótalanítás energiaigénye a rendszer teljes energiabevitelének körülbelül 1%-a.
A sótalanítás egyik kihívása a sós víz elhelyezése, ami hatással lehet a helyi tengeri ökoszisztémákra. Ez a sóoldat tovább kezelhető a környezeti hatások csökkentése érdekében, ami további 0,6-2,40 dollár/m³-rel növeli a víz költségét. Ezenkívül az elektrolitikus vízminőség szigorúbb, mint az ivóvízé, és magasabb kezelési költségeket eredményezhet, de ez várhatóan még mindig csekély lesz az energiafelhasználáshoz képest.
Az elektrolitikus víz hidrogéntermeléshez való vízlábnyoma egy nagyon specifikus helyszíni paraméter, amely a helyi vízellátástól, -fogyasztástól, -minőségtől és -szennyezéstől függ. Figyelembe kell venni az ökoszisztémák egyensúlyát és a hosszú távú éghajlati trendek hatását. A vízfogyasztás lesz a megújuló hidrogén elterjedésének fő akadálya.
Közzététel ideje: 2023. márc. 8.