რამდენ წყალს მოიხმარს ელექტროლიზი?

რამდენ წყალს მოიხმარს ელექტროლიზი

ნაბიჯი პირველი: წყალბადის წარმოება

წყლის მოხმარება ორი საფეხურით ხორციელდება: წყალბადის წარმოება და ენერგიის გადამტანის წარმოება. წყალბადის წარმოებისთვის, ელექტროლიზებული წყლის მინიმალური მოხმარება დაახლოებით 9 კილოგრამი წყალია წყალბადის ყოველ კილოგრამზე. თუმცა, წყლის დემინერალიზაციის პროცესის გათვალისწინებით, ეს თანაფარდობა შეიძლება მერყეობდეს 18-დან 24 კილოგრამამდე წყალბადის ყოველ კილოგრამზე, ან თუნდაც 25.7-დან 30.2-მდე..

 

არსებული წარმოების პროცესისთვის (მეთანის ორთქლის რეფორმირება) წყლის მინიმალური მოხმარებაა 4.5 კგH2O/კგH2 (რეაქციისთვის საჭირო), ტექნოლოგიური წყლისა და გაგრილების გათვალისწინებით, წყლის მინიმალური მოხმარებაა 6.4-32.2 კგH2O/კგH2.

 

ნაბიჯი 2: ენერგიის წყაროები (განახლებადი ელექტროენერგია ან ბუნებრივი აირი)

კიდევ ერთი კომპონენტია წყლის მოხმარება განახლებადი ელექტროენერგიისა და ბუნებრივი აირის წარმოებისთვის. ფოტოელექტრული ენერგიის წყლის მოხმარება მერყეობს 50-400 ლიტრ/მვტ.სთ-ს (2.4-19 კგH2O/კგH2) ფარგლებში, ხოლო ქარის ენერგიის - 5-45 ლიტრ/მვტ.სთ-ს (0.2-2.1 კგH2O/კგH2) ფარგლებში. ანალოგიურად, ფიქლის გაზიდან გაზის წარმოება (აშშ-ს მონაცემების საფუძველზე) შეიძლება გაიზარდოს 1.14 კგH2O/კგH2-დან 4.9 კგH2O/კგH2-მდე.

 

დასკვნის სახით, ფოტოელექტრული და ქარის ენერგიის გენერაციით გამომუშავებული წყალბადის საშუალო წყლის მოხმარება, შესაბამისად, დაახლოებით 32 და 22 კგH2O/კგH2-ია. გაურკვევლობები მზის რადიაციის, სიცოცხლის ხანგრძლივობისა და სილიციუმის შემცველობის მიხედვით მოდის. წყლის ეს მოხმარება ბუნებრივი აირისგან წყალბადის წარმოების მსგავსია (7.6-37 კგH2O/კგH2, საშუალოდ 22 კგH2O/კგH2).

 

წყლის საერთო კვალი: უფრო დაბალია განახლებადი ენერგიის გამოყენებისას

CO2-ის ემისიების მსგავსად, ელექტროლიტური მარშრუტებისთვის წყლის დაბალი კვალის წინაპირობაა განახლებადი ენერგიის წყაროების გამოყენება. თუ ელექტროენერგიის მხოლოდ მცირე ნაწილი წარმოიქმნება წიაღისეული საწვავის გამოყენებით, ელექტროენერგიასთან დაკავშირებული წყლის მოხმარება გაცილებით მაღალია, ვიდრე ელექტროლიზის დროს რეალურად მოხმარებული წყალი.

 

მაგალითად, გაზით ელექტროენერგიის წარმოებას შეუძლია 2500 ლიტრამდე/მვტ.სთ წყლის გამოყენება. ეს ასევე საუკეთესო შემთხვევაა წიაღისეული საწვავისთვის (ბუნებრივი აირი). თუ გავითვალისწინებთ ქვანახშირის გაზიფიკაციას, წყალბადის წარმოებას შეუძლია მოიხმაროს 31-31.8 კგH2O/კგH2, ხოლო ქვანახშირის წარმოებას - 14.7 კგH2O/კგH2. ასევე მოსალოდნელია, რომ ფოტოელექტრული და ქარის ენერგიის წყლის მოხმარება დროთა განმავლობაში შემცირდება, რადგან წარმოების პროცესები უფრო ეფექტური გახდება და დამონტაჟებული სიმძლავრის ერთეულზე ენერგიის გამომუშავება გაუმჯობესდება.

 

წყლის საერთო მოხმარება 2050 წელს

მოსალოდნელია, რომ მომავალში მსოფლიო წყალბადს დღესთან შედარებით გაცილებით მეტს გამოიყენებს. მაგალითად, IRENA-ს „მსოფლიო ენერგეტიკული გარდამავალი პერსპექტივების“ შეფასებით, 2050 წელს წყალბადზე მოთხოვნა დაახლოებით 74 EJ იქნება, საიდანაც დაახლოებით ორი მესამედი განახლებადი წყალბადიდან იქნება. შედარებისთვის, დღეს (სუფთა წყალბადი) 8.4 EJ-ია.

 

მაშინაც კი, თუ ელექტროლიტური წყალბადი შეძლებდა წყალბადზე მოთხოვნის დაკმაყოფილებას მთელი 2050 წლის განმავლობაში, წყლის მოხმარება დაახლოებით 25 მილიარდი კუბური მეტრი იქნებოდა. ქვემოთ მოცემული ფიგურა ადარებს ამ მაჩვენებელს სხვა ხელოვნურ წყლის მოხმარების ნაკადებს. სოფლის მეურნეობა ყველაზე დიდ რაოდენობას - 280 მილიარდ კუბურ მეტრ წყალს იყენებს, ხოლო ინდუსტრია - თითქმის 800 მილიარდ კუბურ მეტრს, ხოლო ქალაქები - 470 მილიარდ კუბურ მეტრს. წყალბადის წარმოებისთვის ბუნებრივი აირის რეფორმირებისა და ქვანახშირის გაზიფიკაციაში წყლის ამჟამინდელი მოხმარება დაახლოებით 1.5 მილიარდ კუბურ მეტრს შეადგენს.

ამგვარად, მიუხედავად იმისა, რომ ელექტროლიტური გზების ცვლილებებისა და მზარდი მოთხოვნის გამო წყლის დიდი რაოდენობით მოხმარებაა მოსალოდნელი, წყალბადის წარმოებიდან წყლის მოხმარება მაინც გაცილებით მცირე იქნება, ვიდრე ადამიანების მიერ გამოყენებული სხვა ნაკადების. კიდევ ერთი საცნობარო წერტილია ის, რომ ერთ სულ მოსახლეზე წყლის მოხმარება წელიწადში 75 (ლუქსემბურგი) და 1200 (აშშ) კუბურ მეტრს შორისაა. საშუალოდ 400 მ3 / (ერთ სულ მოსახლეზე * წელიწადში), 2050 წელს წყალბადის მთლიანი წარმოება 62 მილიონიანი ქვეყნის წარმოების ეკვივალენტურია.

 

რა ღირს წყალი და რა ენერგიას მოიხმარს

 

ღირებულება

ელექტროლიტური ელემენტები საჭიროებენ მაღალი ხარისხის წყალს და წყლის დამუშავებას. დაბალი ხარისხის წყალი იწვევს სწრაფ დეგრადაციას და გამოყენების ვადის შემცირებას. წყლის მინარევები, როგორიცაა რკინა, ქრომი, სპილენძი და ა.შ., შეიძლება უარყოფითად იმოქმედოს ბევრ ელემენტზე, მათ შორის ტუტეებში გამოყენებულ დიაფრაგმებსა და კატალიზატორებზე, ასევე პოლიმერული ელექტროლიტური დანამატების მემბრანებსა და ფოროვან სატრანსპორტო ფენებზე. წყლის გამტარობა უნდა იყოს 1μS/cm-ზე ნაკლები, ხოლო ორგანული ნახშირბადის საერთო რაოდენობა - 50μg/L-ზე ნაკლები.

 

წყალი ენერგიის მოხმარებისა და ხარჯების შედარებით მცირე წილს შეადგენს. ორივე პარამეტრისთვის ყველაზე უარესი სცენარი გაუმარილებაა. უკუოსმოსი გაუმარილების მთავარი ტექნოლოგიაა, რომელიც გლობალური სიმძლავრის თითქმის 70 პროცენტს შეადგენს. ტექნოლოგიის ღირებულება 1900-2000 აშშ დოლარი/მ³/დღეში და მისი სწავლის მრუდის მაჩვენებელი 15%-ია. ამ ინვესტიციის ფასად, დამუშავების ღირებულება დაახლოებით 1 აშშ დოლარი/მ³-ია და შესაძლოა უფრო დაბალი იყოს იმ ადგილებში, სადაც ელექტროენერგიის ხარჯები დაბალია.

 

გარდა ამისა, ტრანსპორტირების ხარჯები გაიზრდება დაახლოებით 1-2 დოლარით კუბურ მეტრზე. ამ შემთხვევაშიც კი, წყლის დამუშავების ღირებულება დაახლოებით 0.05 დოლარია/კგH2. ამის პერსპექტივაში წარმოსაჩენად, განახლებადი წყალბადის ღირებულება შეიძლება იყოს 2-3 დოლარი/კგH2, თუ ხელმისაწვდომია კარგი განახლებადი რესურსები, მაშინ როდესაც საშუალო რესურსის ღირებულება 4-5 დოლარი/კგH2-ია.

 

ამგვარად, ამ კონსერვატიულ სცენარში წყლის ღირებულება მთლიანი ღირებულების 2 პროცენტზე ნაკლები იქნება. ზღვის წყლის გამოყენებას შეუძლია აღდგენილი წყლის რაოდენობა 2.5-დან 5-ჯერ გაზარდოს (აღდგენის კოეფიციენტის თვალსაზრისით).

 

ენერგიის მოხმარება

თუ გადავხედავთ გამტკნარების ენერგიის მოხმარებას, ის ასევე ძალიან მცირეა ელექტროლიტური უჯრედის შესატანად საჭირო ელექტროენერგიის რაოდენობასთან შედარებით. ამჟამად მოქმედი უკუოსმოსის ბლოკი დაახლოებით 3.0 კვტ/მ3-ს მოიხმარს. ამის საპირისპიროდ, თერმული გამტკნარების ქარხნებს გაცილებით მაღალი ენერგიის მოხმარება აქვთ, 40-დან 80 კვტ/მ3-მდე, დამატებითი სიმძლავრის მოთხოვნები კი 2.5-დან 5 კვტ/მ3-მდე მერყეობს, გამტკნარების ტექნოლოგიიდან გამომდინარე. კოგენერაციის ქარხნის კონსერვატიული შემთხვევის (ანუ უფრო მაღალი ენერგიის მოთხოვნილების) მაგალითის სახით, თბოტუმბოს გამოყენების დაშვებით, ენერგიის მოთხოვნა გარდაიქმნება დაახლოებით 0.7 კვტ.სთ/კგ წყალბადად. ამის პერსპექტივაში წარმოსაჩენად, ელექტროლიტური უჯრედის ელექტროენერგიის მოთხოვნა დაახლოებით 50-55 კვტ.სთ/კგ-ია, ამიტომ ყველაზე ცუდ სცენარშიც კი, გამტკნარების ენერგიის მოთხოვნა სისტემაში შემავალი მთლიანი ენერგიის დაახლოებით 1%-ს შეადგენს.

 

მარილიანი წყლის გაუმარილების ერთ-ერთი გამოწვევა მარილიანი წყლის გატანაა, რამაც შეიძლება გავლენა მოახდინოს ადგილობრივ საზღვაო ეკოსისტემებზე. ამ მარილწყლის შემდგომი დამუშავება შესაძლებელია მისი გარემოზე ზემოქმედების შესამცირებლად, რაც წყლის ღირებულებას დამატებით 0.6-2.40 აშშ დოლარს/მ³-ს უმატებს. გარდა ამისა, ელექტროლიტური წყლის ხარისხი უფრო მკაცრია, ვიდრე სასმელი წყლის და შეიძლება გამოიწვიოს დამუშავების უფრო მაღალი ხარჯები, თუმცა, მოსალოდნელია, რომ ეს მაინც მცირე იქნება ენერგიის მოხმარებასთან შედარებით.

წყალბადის წარმოებისთვის ელექტროლიტური წყლის წყლის კვალი ძალიან სპეციფიკური ადგილმდებარეობის პარამეტრია, რომელიც დამოკიდებულია ადგილობრივ წყლის ხელმისაწვდომობაზე, მოხმარებაზე, დეგრადაციასა და დაბინძურებაზე. გასათვალისწინებელია ეკოსისტემების ბალანსი და გრძელვადიანი კლიმატური ტენდენციების გავლენა. წყლის მოხმარება განახლებადი წყალბადის მასშტაბირების მთავარ დაბრკოლებას წარმოადგენს.