כמה מים נצרכת באלקטרוליזה?

כמה מים נצרכת על ידי אלקטרוליזה

שלב ראשון: ייצור מימן

צריכת המים מגיעה משני שלבים: ייצור מימן וייצור נשא אנרגיה במעלה הזרם. לייצור מימן, הצריכה המינימלית של מים שעברו אלקטרוליזה היא כ-9 קילוגרמים של מים לקילוגרם של מימן. עם זאת, בהתחשב בתהליך הדה-מינרליזציה של מים, יחס זה יכול לנוע בין 18 ל-24 קילוגרמים של מים לקילוגרם של מימן, או אפילו גבוה עד 25.7 עד 30.2..

 

עבור תהליך הייצור הקיים (רפורמינג בקיטור מתאן), צריכת המים המינימלית היא 4.5 ק"ג H2O/ק"ג H2 (נדרש לתגובה). בהתחשב במי התהליך והקירור, צריכת המים המינימלית היא 6.4-32.2 ק"ג H2O/ק"ג H2.

 

שלב 2: מקורות אנרגיה (חשמל מתחדש או גז טבעי)

מרכיב נוסף הוא צריכת מים לייצור חשמל מתחדש וגז טבעי. צריכת המים של אנרגיה פוטו-וולטאית משתנה בין 50-400 ליטר/MWh (2.4-19 ק"ג H2O/ק"ג H2) ושל אנרגיית רוח נעה בין 5-45 ליטר/MWh (0.2-2.1 ק"ג H2O/ק"ג H2). באופן דומה, ניתן להגדיל את ייצור הגז מגז פצלי (בהתבסס על נתונים אמריקאיים) מ-1.14 ק"ג H2O/ק"ג H2 ל-4.9 ק"ג H2O/ק"ג H2.

 

לסיכום, צריכת המים הממוצעת הכוללת של מימן המופק על ידי ייצור חשמל פוטו-וולטאי ואנרגיית רוח היא כ-32 ו-22 ק"ג-H2O/ק"ג-H2, בהתאמה. אי-הוודאויות נובעות מקרינת השמש, משך החיים ותכולת הסיליקון. צריכת מים זו היא באותו סדר גודל כמו ייצור מימן מגז טבעי (7.6-37 ק"ג-H2O/ק"ג-H2, עם ממוצע של 22 ק"ג-H2O/ק"ג-H2).

 

טביעת רגל מים כוללת: נמוכה יותר בעת שימוש באנרגיה מתחדשת

בדומה לפליטות CO2, תנאי הכרחי לפליטת מים נמוכה עבור מסלולי אלקטרוליזה הוא שימוש במקורות אנרגיה מתחדשים. אם רק חלק קטן מהחשמל מופק באמצעות דלקים מאובנים, צריכת המים הקשורה לחשמל גבוהה בהרבה מהמים הנצרכים בפועל במהלך האלקטרוליזה.

 

לדוגמה, ייצור חשמל בגז יכול להשתמש בעד 2,500 ליטר מים/מגה-וואט-שעה. זהו גם המקרה הטוב ביותר עבור דלקים מאובנים (גז טבעי). אם לוקחים בחשבון גיזוז פחם, ייצור מימן יכול לצרוך 31-31.8 ק"ג-H2O/ק"ג-H2 וייצור פחם יכול לצרוך 14.7 ק"ג-H2O/ק"ג-H2. צריכת המים מאנרגיה פוטו-וולטאית ואנרגיית רוח צפויה גם היא לרדת עם הזמן ככל שתהליכי הייצור יהפכו יעילים יותר ותפוקת האנרגיה ליחידת כושר הייצור המותקנת תשתפר.

 

צריכת מים כוללת בשנת 2050

העולם צפוי להשתמש במימן פי כמה יותר בעתיד מאשר כיום. לדוגמה, תחזית המעברים האנרגטיים העולמית של IRENA מעריכה כי הביקוש למימן בשנת 2050 יהיה כ-74EJ, מתוכם כשני שלישים יגיעו ממימן מתחדש. לשם השוואה, כיום (מימן טהור) עומד על 8.4EJ.

 

אפילו אם מימן אלקטרוליטי יוכל לענות על הביקוש למימן לכל שנת 2050, צריכת המים תהיה כ-25 מיליארד מטרים מעוקבים. האיור שלהלן משווה נתון זה לזרמי צריכת מים אחרים מעשה ידי אדם. החקלאות משתמשת בכמות הגדולה ביותר, 280 מיליארד מטרים מעוקבים של מים, בעוד שהתעשייה משתמשת בכמעט 800 מיליארד מטרים מעוקבים והערים משתמשות ב-470 מיליארד מטרים מעוקבים. צריכת המים הנוכחית לרפורמציה של גז טבעי וגיזוז פחם לייצור מימן היא כ-1.5 מיליארד מטרים מעוקבים.

לפיכך, למרות שצפויות כמויות גדולות של מים להיצרך עקב שינויים במסלולים האלקטרוליטיים וביקוש גובר, צריכת המים מייצור מימן עדיין תהיה קטנה בהרבה מזרימות אחרות המשמשות את בני האדם. נקודת ייחוס נוספת היא שצריכת המים לנפש היא בין 75 (לוקסמבורג) ל-1,200 (ארה"ב) מטר מעוקב לשנה. בממוצע של 400 מ"ק / (לנפש * שנה), סך ייצור המימן בשנת 2050 שווה ערך לזו של מדינה בת 62 מיליון איש.

 

כמה עולים מים וכמה אנרגיה צורכת

 

עֲלוּת

תאי אלקטרוליטיים דורשים מים באיכות גבוהה ודורשים טיפול במים. מים באיכות נמוכה יותר מובילים לפירוק מהיר יותר ולחיים קצרים יותר. יסודות רבים, כולל דיאפרגמות וזרזים המשמשים בחומרים בסיסיים, כמו גם ממברנות ושכבות הובלה נקבוביות של PEM, עלולים להיות מושפעים לרעה מזיהומי מים כגון ברזל, כרום, נחושת וכו'. מוליכות המים נדרשת להיות פחות מ-1μS/cm ופחמן אורגני כולל פחות מ-50μg/L.

 

מים מהווים נתח קטן יחסית מצריכת האנרגיה והעלויות. התרחיש הגרוע ביותר עבור שני הפרמטרים הוא התפלה. אוסמוזה הפוכה היא הטכנולוגיה העיקרית להתפלה, המהווה כמעט 70 אחוז מהקיבולת העולמית. הטכנולוגיה עולה 1900-2000 דולר למטר מעוקב ליום ויש לה עקומת למידה של 15%. בעלות השקעה זו, עלות הטיפול היא כ-1 דולר למטר מעוקב, ועשויה להיות נמוכה יותר באזורים שבהם עלויות החשמל נמוכות.

 

בנוסף, עלויות המשלוח יעלו בכ-1-2 דולר למטר מעוקב. גם במקרה זה, עלויות טיפול במים הן כ-0.05 דולר לק"ג-H2. לשם השוואה, עלות המימן המתחדש יכולה להיות 2-3 דולר לק"ג-H2 אם קיימים משאבים מתחדשים טובים, בעוד שעלות המשאב הממוצע היא 4-5 דולר לק"ג-H2.

 

אז בתרחיש שמרני זה, עלות המים תהיה פחות מ-2 אחוזים מהסכום הכולל. השימוש במי ים יכול להגדיל את כמות המים המופקת פי 2.5 עד 5 (מבחינת גורם ההפקה).

 

צריכת אנרגיה

במבט על צריכת האנרגיה של התפלה, היא גם קטנה מאוד בהשוואה לכמות החשמל הדרושה להזנת התא האלקטרוליטי. יחידת האוסמוזה ההפוכה הפועלת כיום צורכת כ-3.0 קילוואט/מ"ק. לעומת זאת, למתקני התפלה תרמיים צריכת אנרגיה גבוהה בהרבה, הנעה בין 40 ל-80 קילוואט/מ"ק, עם דרישות חשמל נוספות הנעות בין 2.5 ל-5 קילוואט/מ"ק, תלוי בטכנולוגיית ההתפלה. אם ניקח לדוגמה את המקרה השמרני (כלומר, ביקוש אנרגיה גבוה יותר) של תחנת קוגנרציה, בהנחה של שימוש במשאבת חום, ביקוש האנרגיה יומר לכ-0.7 קילוואט/ק"ג מימן. לשם השוואה, ביקוש החשמל של התא האלקטרוליטי הוא כ-50-55 קילוואט/ק"ג, כך שגם בתרחיש הגרוע ביותר, ביקוש האנרגיה להתפלה הוא כ-1% מכלל קלט האנרגיה למערכת.

 

אחד האתגרים של התפלת מי מלח הוא סילוק מי מלח, אשר יכולים להשפיע על מערכות אקולוגיות ימיות מקומיות. ניתן לטפל במי מלח אלו עוד יותר כדי להפחית את השפעתם הסביבתית, ובכך להוסיף עוד 0.6-2.40 דולר/מ"ק לעלות המים. בנוסף, איכות המים האלקטרוליטיים מחמירה יותר ממי השתייה ועשויה לגרום לעלויות טיפול גבוהות יותר, אך עדיין צפוי כי עלויות אלו יהיו קטנות בהשוואה לצריכת החשמל.

טביעת הרגל המים של מים אלקטרוליטיים לייצור מימן היא פרמטר מיקום ספציפי מאוד התלוי בזמינות המים המקומית, בצריכה, בפירוק ובזיהום. יש לקחת בחשבון את איזון המערכות האקולוגיות ואת השפעת מגמות האקלים ארוכות הטווח. צריכת מים תהיה מכשול עיקרי להרחבת מימן מתחדש.