Электролиз кезінде қанша су жұмсалады
Бірінші қадам: Сутегі өндірісі
Суды тұтыну екі кезеңнен тұрады: сутегі өндірісі және жоғары ағынды энергия тасымалдаушыларын өндіру. Сутегі өндірісі үшін электролизденген судың ең аз шығыны бір килограмм сутегіге шамамен 9 килограмм суды құрайды. Дегенмен, судың деминерализация процесін ескере отырып, бұл қатынас бір килограмм сутегіге 18-ден 24 килограммға дейін немесе тіпті 25,7-ден 30,2-ге дейін жетуі мүмкін..
Қолданыстағы өндіріс процесі үшін (метан буымен риформинг) ең аз су шығыны 4,5 кгH2O/кгH2 (реакция үшін қажет), технологиялық су мен салқындатуды ескере отырып, ең аз су шығыны 6,4-32,2 кгH2O/кгH2 құрайды.
2-қадам: Энергия көздері (жаңартылатын электр энергиясы немесе табиғи газ)
Тағы бір құрамдас бөлік - жаңартылатын электр энергиясы мен табиғи газ өндіруге арналған су шығыны. Фотоэлектрлік қуаттың су шығыны 50-400 литр/МВт/сағ (2,4-19 кгH2O/кгH2) аралығында, ал жел қуатының су шығыны 5-45 литр/МВт/сағ (0,2-2,1 кгH2O/кгH2) аралығында болады. Сол сияқты, тақтатас газынан газ өндіруді (АҚШ деректеріне негізделген) 1,14 кгH2O/кгH2-ден 4,9 кгH2O/кгH2-ге дейін арттыруға болады.
Қорытындылай келе, фотоэлектрлік және жел энергиясын өндіру арқылы өндірілетін сутегінің орташа жалпы су тұтынуы сәйкесінше шамамен 32 және 22 кгH2O/кгH2 құрайды. Белгісіздіктер күн радиациясына, өмір сүру ұзақтығына және кремний құрамына байланысты. Бұл су тұтынуы табиғи газдан сутегі өндірумен бірдей (7,6-37 кгh2o/кгH2, орташа есеппен 22 кгH2O/кгH2).
Жалпы су ізі: жаңартылатын энергия көздерін пайдаланған кезде төменірек
СО2 шығарындыларына ұқсас, электролиттік жолдар үшін су ізінің аз болуының алғышарты жаңартылатын энергия көздерін пайдалану болып табылады. Егер электр энергиясының аз ғана бөлігі қазба отындарын пайдалану арқылы өндірілсе, электр энергиясымен байланысты су тұтыну электролиз кезінде тұтынылатын нақты судан әлдеқайда жоғары.
Мысалы, газбен жұмыс істейтін электр энергиясын өндіру 2500 литр/МВт/сағ суды пайдалана алады. Бұл сондай-ақ қазба отындары (табиғи газ) үшін ең жақсы жағдай. Егер көмірді газдандыруды қарастырсақ, сутегі өндірісі 31-31,8 кг H2O/кг H2, ал көмір өндірісі 14,7 кг H2O/кг H2 тұтына алады. Өндіріс процестері тиімдірек болып, орнатылған қуат бірлігіне шаққандағы энергия шығыны жақсарған сайын фотоэлектрлік және жел энергиясынан алынатын су шығыны уақыт өте келе азаяды деп күтілуде.
2050 жылы жалпы су тұтыну
Әлем болашақта бүгінгіден әлдеқайда көп сутегін пайдаланады деп күтілуде. Мысалы, IRENA-ның Әлемдік энергетикалық ауысулардың болжамы бойынша, 2050 жылы сутегіге деген сұраныс шамамен 74 ЭДж болады, оның шамамен үштен екісі жаңартылатын сутегіден келеді. Салыстыру үшін, бүгінде (таза сутегі) 8,4 ЭДж құрайды.
Электролиттік сутегі 2050 жылға дейін сутегіге деген сұранысты қанағаттандыра алса да, су тұтыну шамамен 25 миллиард текше метрді құрайды. Төмендегі суретте бұл көрсеткіш басқа жасанды су тұтыну ағындарымен салыстырылады. Ауыл шаруашылығы ең көп мөлшерде - 280 миллиард текше метр суды пайдаланады, ал өнеркәсіп шамамен 800 миллиард текше метрді, ал қалалар 470 миллиард текше метрді пайдаланады. Сутегі өндірісі үшін табиғи газды реформалау және көмірді газдандырудың қазіргі су тұтынуы шамамен 1,5 миллиард текше метрді құрайды.
Осылайша, электролиттік жолдардың өзгеруіне және сұраныстың артуына байланысты көп мөлшерде су тұтынылады деп күтілсе де, сутегі өндірісінен алынатын су тұтыну адамдар пайдаланатын басқа ағындарға қарағанда әлдеқайда аз болады. Тағы бір анықтамалық мәселе - жан басына шаққандағы су тұтыну жылына 75 (Люксембург) мен 1200 (АҚШ) текше метр аралығында. Орташа есеппен 400 м3 / (жан басына * жылына) сутегі өндірісінің жалпы көлемі 2050 жылы 62 миллион халқы бар елдің көлеміне тең.
Су қанша тұрады және қанша энергия жұмсалады
құны
Электролиттік жасушалар жоғары сапалы суды қажет етеді және суды өңдеуді қажет етеді. Сапасының төмендеуі судың тез ыдырауына және қызмет ету мерзімінің қысқаруына әкеледі. Сілтілерде қолданылатын диафрагмалар мен катализаторларды қоса алғанда, көптеген элементтерге, сондай-ақ ПЭМ мембраналары мен кеуекті тасымалдау қабаттарына темір, хром, мыс және т.б. сияқты су қоспалары кері әсер етуі мүмкін. Су өткізгіштігі 1 мкС/см-ден аз, ал жалпы органикалық көміртек 50 мкг/л-ден аз болуы керек.
Су энергия тұтыну мен шығындардың салыстырмалы түрде аз үлесін құрайды. Екі параметр үшін де ең нашар сценарий - тұщыландыру. Кері осмос - тұщыландырудың негізгі технологиясы, ол әлемдік қуаттың шамамен 70 пайызын құрайды. Технологияның құны тәулігіне 1900-2000 АҚШ доллары/м³ және оқу қисығының деңгейі 15% құрайды. Бұл инвестициялық құны бойынша өңдеу құны шамамен 1 АҚШ доллары/м³ құрайды және электр энергиясының құны төмен аймақтарда төмен болуы мүмкін.
Сонымен қатар, жеткізу құны м³ үшін шамамен 1-2 долларға артады. Тіпті бұл жағдайда да суды тазарту құны шамамен 0,05 доллар/кгС2 құрайды. Мұны түсінікті түрде түсіндіру үшін, егер жақсы жаңартылатын ресурстар болса, жаңартылатын сутегінің құны 2-3 доллар/кгС2 болуы мүмкін, ал орташа ресурстың құны 4-5 доллар/кгС2 құрайды.
Осылайша, бұл консервативті сценарийде судың құны жалпы шығынның 2 пайызынан аз болады. Теңіз суын пайдалану қалпына келтірілетін су мөлшерін 2,5-тен 5 есеге дейін арттыра алады (қалпына келтіру коэффициенті тұрғысынан).
Энергия тұтыну
Тұзсыздандырудың энергия тұтынуын қарастыратын болсақ, ол электролиттік ұяшықты енгізу үшін қажетті электр энергиясының мөлшерімен салыстырғанда өте аз. Қазіргі уақытта жұмыс істеп тұрған кері осмос қондырғысы шамамен 3,0 кВт/м3 тұтынады. Керісінше, термиялық тұзсыздандыру қондырғыларының энергия тұтынуы әлдеқайда жоғары, 40-тан 80 кВт/м3-ке дейін, ал қосымша қуат қажеттіліктері тұзсыздандыру технологиясына байланысты 2,5-тен 5 кВт/м3-ке дейін. Мысал ретінде когенерациялық қондырғының консервативті жағдайын (яғни энергияға деген жоғары сұранысты) алсақ, жылу сорғысын пайдалануды ескерсек, энергияға деген сұраныс шамамен 0,7 кВт/кг сутегіге айналады. Мұны түсінікті түрде түсіндіру үшін электролиттік ұяшықты электр энергиясына деген сұраныс шамамен 50-55 кВт/кг құрайды, сондықтан ең нашар жағдайда да тұзсыздандыруға арналған энергияға деген сұраныс жүйеге түсетін жалпы энергияның шамамен 1%-ын құрайды.
Тұзсыздандырудың бір қиындығы - жергілікті теңіз экожүйелеріне әсер етуі мүмкін тұзды суды жою. Бұл тұзды суды қоршаған ортаға әсерін азайту үшін одан әрі өңдеуге болады, осылайша судың құнына тағы 0,6-2,40 доллар/м³ қосылады. Сонымен қатар, электролиттік судың сапасы ауыз суға қарағанда қатаңырақ және тазарту шығындарының жоғарылауына әкелуі мүмкін, бірақ бұл тұтынылатын қуатпен салыстырғанда аз болады деп күтілуде.
Сутегі өндірісіне арналған электролиттік судың су ізі - жергілікті судың қолжетімділігіне, тұтынуына, тозуына және ластануына байланысты өте нақты орналасу параметрі. Экожүйелердің тепе-теңдігі мен ұзақ мерзімді климаттық үрдістердің әсерін ескеру қажет. Суды тұтыну жаңартылатын сутегіні кеңейтуде үлкен кедергі болады.
Жарияланған уақыты: 2023 жылғы 8 наурыз