電気分解で消費される水の量
ステップ1：水素製造
水の消費は、水素製造と上流のエネルギーキャリア製造の2つの段階で発生します。水素製造の場合、電解水の最小消費量は水素1キログラムあたり約9キログラムです。しかし、水の脱塩プロセスを考慮すると、この比率は水素1キログラムあたり18～24キログラム、あるいは25.7～30.2キログラムにも達する可能性があります。.
既存の生産プロセス（メタン水蒸気改質）の場合、最小水消費量は4.5kgH2O/kgH2（反応に必要な量）であり、プロセス水と冷却を考慮すると、最小水消費量は6.4～32.2kgH2O/kgH2となります。
ステップ2：エネルギー源（再生可能電力または天然ガス）
もう一つの要素は、再生可能電力と天然ガスの生産における水の消費量です。太陽光発電の水消費量は50～400リットル/MWh（2.4～19kgH2O/kgH2）、風力発電の水消費量は5～45リットル/MWh（0.2～2.1kgH2O/kgH2）です。同様に、シェールガスからのガス生産（米国データに基づく）では、1.14kgH2O/kgH2から4.9kgH2O/kgH2まで増加させることができます。
結論として、太陽光発電と風力発電によって生成される水素の平均総水消費量は、それぞれ約32kgH2O/kgH2と22kgH2O/kgH2である。不確実性は、日射量、寿命、シリコン含有量に起因する。この水消費量は、天然ガスからの水素製造（7.6～37kgH2O/kgH2、平均22kgH2O/kgH2）と同程度の規模である。
総水使用量：再生可能エネルギーを使用すると少なくなる
二酸化炭素排出量と同様に、電解プロセスにおける水使用量を削減するための前提条件は、再生可能エネルギー源の利用である。発電に用いられる電力のごく一部しか化石燃料で賄われていない場合、発電に伴う水消費量は、電解プロセスで実際に消費される水量よりもはるかに多くなる。
例えば、ガス火力発電では最大で1MWhあたり2,500リットルの水が消費される可能性があります。これは化石燃料（天然ガス）の場合にも最も効率の良いケースです。石炭ガス化を考慮すると、水素製造には31～31.8kgH2O/kgH2、石炭製造には14.7kgH2O/kgH2の消費量となります。太陽光発電や風力発電における水の消費量も、製造工程の効率化や設備容量あたりのエネルギー出力の向上に伴い、時間とともに減少していくと予想されます。
2050年の総水消費量
将来、世界の水素消費量は現在よりもはるかに増加すると予想されている。例えば、IRENA（国際再生可能エネルギー機関）の「世界エネルギー移行展望」では、2050年の水素需要は約74EJとなり、そのうち約3分の2が再生可能水素になると推定されている。これに対し、現在の（純粋な水素の）水素需要は8.4EJである。
たとえ電解水素が2050年までの水素需要をすべて満たせたとしても、水の消費量は約250億立方メートルになるだろう。下の図は、この数値を他の人為的な水消費量と比較したものである。農業が2800億立方メートルと最も多く、次いで工業が約8000億立方メートル、都市が4700億立方メートルとなっている。水素製造のための天然ガス改質および石炭ガス化における現在の水消費量は約15億立方メートルである。
したがって、電解経路の変化や需要の増加により大量の水が消費されると予想されるものの、水素製造における水の消費量は、人間が利用する他の水の流れに比べればはるかに少ないでしょう。もう一つの参考として、一人当たりの年間水消費量は75立方メートル（ルクセンブルク）から1,200立方メートル（米国）の間です。平均400立方メートル/（一人当たり年間）とすると、2050年の水素総生産量は、人口6,200万人の国の生産量に相当します。
水の費用とエネルギー使用量はどれくらいか
料金
電解セルには高品質の水が必要であり、水処理が不可欠です。水質が低いと劣化が早まり、寿命が短くなります。アルカリ電解セルで使用される隔膜や触媒、PEMの膜や多孔質輸送層など、多くの構成要素は、鉄、クロム、銅などの水中の不純物によって悪影響を受ける可能性があります。水の導電率は1μS/cm未満、全有機炭素量は50μg/L未満であることが求められます。
水はエネルギー消費量とコストに占める割合が比較的小さい。これらの両方の指標において最悪のシナリオとなるのが海水淡水化である。逆浸透膜法は海水淡水化の主要技術であり、世界の処理能力の約70%を占めている。この技術のコストは1立方メートルあたり1900～2000ドル/日で、習熟曲線は15%である。この投資コストで、処理コストは約1立方メートルあたり1ドルとなり、電気料金が安い地域ではさらに低くなる可能性がある。
さらに、輸送コストは1立方メートルあたり約1～2ドル増加します。この場合でも、水処理コストは約0.05ドル/kgH2です。比較のために述べると、良質な再生可能資源が利用可能な場合、再生可能水素のコストは2～3ドル/kgH2となる可能性がありますが、平均的な資源のコストは4～5ドル/kgH2です。
したがって、この控えめなシナリオでは、水にかかる費用は総費用の2％未満となる。海水を使用することで、回収できる水の量を（回収率の観点から）2.5倍から5倍に増やすことができる。
エネルギー消費量
脱塩のエネルギー消費量を見ると、電解槽に投入する電力量に比べて非常に小さいことがわかります。現在稼働中の逆浸透膜式脱塩装置の消費量は約3.0 kW/m3です。一方、熱式脱塩プラントのエネルギー消費量ははるかに高く、40～80 kWh/m3に及び、脱塩技術によっては2.5～5 kWh/m3の追加電力が必要となります。コージェネレーションプラントの保守的なケース（つまり、エネルギー需要が高い場合）を例にとると、ヒートポンプの使用を前提とした場合、エネルギー需要は約0.7 kWh/kgの水素に相当します。これを分かりやすく説明すると、電解槽の電力需要は約50～55 kWh/kgなので、最悪のシナリオでも、脱塩のエネルギー需要はシステムへの総エネルギー投入量の約1%に過ぎません。
淡水化における課題の一つは、海水処理です。海水処理は地域の海洋生態系に影響を与える可能性があります。この塩水は、環境への影響を軽減するためにさらに処理される必要があり、その結果、水コストに1立方メートルあたり0.6～2.40ドルが加算されます。また、電解水の水質基準は飲料水よりも厳しく、処理コストが高くなる可能性がありますが、それでも電力投入量に比べれば小さいと予想されます。
水素製造のための電解水のウォーターフットプリントは、地域の水資源の利用可能性、消費量、劣化、汚染状況によって左右される、非常に特殊な場所固有のパラメータです。生態系のバランスや長期的な気候変動の影響も考慮する必要があります。水の消費量は、再生可能水素の普及拡大における大きな障害となるでしょう。
投稿日時：2023年3月8日