전기분해로 얼마나 많은 물이 소모되나요?

전기분해로 얼마나 많은 물이 소모되나요?

1단계: 수소 생산

물 소비는 수소 생산과 상류 에너지 운반체 생산, 두 단계로 이루어집니다. 수소 생산 시 전해수의 최소 소비량은 수소 1kg당 약 9kg입니다. 그러나 물의 탈염 과정을 고려하면, 이 비율은 수소 1kg당 18~24kg, 심지어 25.7~30.2kg까지 다양합니다..

 

기존 생산 공정(메탄 증기 개질)의 경우 최소 물 소비량은 반응에 필요한 양인 4.5kgH2O/kgH2이며, 공정수와 냉각수를 고려하면 최소 물 소비량은 6.4-32.2kgH2O/kgH2입니다.

 

2단계: 에너지원(재생 가능 전기 또는 천연 가스)

또 다른 요소는 재생에너지 전기와 천연가스를 생산하는 데 필요한 물 소비량입니다. 태양광 발전의 물 소비량은 50~400리터/MWh(2.4~19kgH₂O/kgH₂)이며, 풍력 발전의 물 소비량은 5~45리터/MWh(0.2~2.1kgH₂O/kgH₂)입니다. 마찬가지로, 셰일가스 생산(미국 데이터 기준)은 1.14kgH₂O/kgH₂에서 4.9kgH₂O/kgH₂로 증가할 수 있습니다.

 

결론적으로, 태양광 발전과 풍력 발전으로 생산된 수소의 평균 총 물 소비량은 각각 약 32kgH₂O/kgH₂와 22kgH₂O/kgH₂입니다. 이러한 불확실성은 태양 복사량, 수명, 그리고 실리콘 함량에 기인합니다. 이 물 소비량은 천연가스에서 생산된 수소의 양(7.6-37kgH₂O/kgH₂, 평균 22kgH₂O/kgH₂)과 거의 같은 수준입니다.

 

총 물 발자국: 재생 에너지를 사용하면 더 낮아집니다.

이산화탄소 배출량과 마찬가지로, 전기분해 과정에서 물 사용량을 줄이기 위한 전제 조건은 재생 에너지원을 사용하는 것입니다. 전기 생산에 화석 연료를 사용하는 비율이 매우 낮다면, 전기 생산에 필요한 물 소비량은 전기분해 과정에서 소비되는 물의 양보다 훨씬 많아집니다.

 

예를 들어, 가스 발전은 최대 2,500리터/MWh의 물을 사용할 수 있습니다. 이는 화석 연료(천연가스)의 경우에도 마찬가지입니다. 석탄 가스화를 고려할 경우, 수소 생산에는 31~31.8kgH₂O/kgH₂, 석탄 생산에는 14.7kgH₂O/kgH₂의 물이 소비됩니다. 태양광 및 풍력 발전의 물 소비량 또한 제조 공정의 효율성이 향상되고 설비 용량당 에너지 생산량이 증가함에 따라 시간이 지남에 따라 감소할 것으로 예상됩니다.

 

2050년 총 물 소비량

세계는 미래에 현재보다 몇 배 더 많은 수소를 사용할 것으로 예상됩니다. 예를 들어, IRENA의 세계 에너지 전환 전망에 따르면 2050년 수소 수요는 약 74EJ에 달할 것으로 예상되며, 그중 약 3분의 2는 재생 가능 수소에서 발생할 것입니다. 이에 비해 현재 순수 수소의 사용량은 8.4EJ입니다.

 

전기분해 수소가 2050년 전체 수소 수요를 충족할 수 있다고 하더라도, 물 소비량은 약 250억 세제곱미터에 달할 것입니다. 아래 그림은 이 수치를 다른 인공적인 물 소비량과 비교한 것입니다. 농업에서 가장 많은 2,800억 세제곱미터의 물을 사용하는 반면, 산업에서는 약 8,000억 세제곱미터, 도시에서는 4,700억 세제곱미터를 사용합니다. 현재 수소 생산을 위한 천연가스 개질 및 석탄 가스화에 사용되는 물 소비량은 약 15억 세제곱미터입니다.

따라서 전기분해 경로의 변화와 수요 증가로 인해 많은 양의 물이 소비될 것으로 예상되지만, 수소 생산에 사용되는 물 소비량은 인간이 사용하는 다른 흐름에 비해 여전히 훨씬 적을 것입니다. 또 다른 기준점은 1인당 연간 물 소비량이 75세제곱미터(룩셈부르크)에서 1,200세제곱미터(미국)라는 점입니다. 2050년 평균 수소 생산량은 400m³/(1인당 * 연)으로, 인구 6,200만 명의 국가와 맞먹는 수준입니다.

 

물값은 얼마이고 에너지 사용량은 얼마인가

 

비용

전해셀에는 고품질의 물과 수처리가 필요합니다. 수질이 낮으면 성능 저하가 빠르고 수명이 단축됩니다. 알칼리 전해액에 사용되는 격막과 촉매, 그리고 PEM의 멤브레인과 다공성 수송층을 포함한 여러 구성 요소가 철, 크롬, 구리 등과 같은 물의 불순물에 의해 악영향을 받을 수 있습니다. 물의 전도도는 1μS/cm 미만, 총 유기탄소는 50μg/L 미만이어야 합니다.

 

물은 에너지 소비와 비용에서 상대적으로 적은 비중을 차지합니다. 두 가지 모두에 있어 최악의 시나리오는 해수담수화입니다. 역삼투압은 해수담수화의 주요 기술로, 전 세계 담수화 용량의 거의 70%를 차지합니다. 이 기술의 비용은 m³/일당 1,900~2,000달러이며, 학습 곡선률은 15%입니다. 이러한 투자 비용으로 처리 비용은 m³당 약 1달러이며, 전기 요금이 저렴한 지역에서는 더 낮을 수 있습니다.

 

또한 운송비는 m³당 약 1~2달러가 추가됩니다. 이 경우에도 수처리 비용은 약 0.05달러/kgH²입니다. 참고로, 재생 가능한 수소의 경우, 우수한 재생 가능 자원을 확보할 경우 kgH²당 2~3달러가 소요될 수 있지만, 일반적인 수소 자원의 가격은 kgH²당 4~5달러입니다.

 

따라서 이 보수적인 시나리오에서 물 비용은 전체 비용의 2% 미만이 됩니다. 해수를 사용하면 회수되는 물의 양을 (회수율 측면에서) 2.5배에서 5배까지 늘릴 수 있습니다.

 

에너지 소비

담수화의 에너지 소비를 살펴보면 전해조에 입력하는 데 필요한 전기량에 비해 매우 적습니다. 현재 운영 중인 역삼투 장치는 약 3.0kW/m3를 소비합니다. 이와 대조적으로 열 담수화 플랜트는 40~80KWH/m3의 훨씬 높은 에너지 소비량을 가지며, 담수화 기술에 따라 추가 전력 요구량은 2.5~5KWH/m3입니다. 열병합 발전소의 보수적인 사례(즉, 더 높은 에너지 수요)를 예로 들어 열 펌프를 사용한다고 가정하면 에너지 수요는 수소 1kg당 약 0.7kWh로 환산됩니다. 이를 이해하기 쉽게 설명하면 전해조의 전기 수요는 약 50~55kWh/kg이므로 최악의 시나리오에서도 담수화에 필요한 에너지 수요는 시스템에 입력되는 총 에너지의 약 1%입니다.

 

해수담수화의 한 가지 과제는 염수 처리로, 지역 해양 생태계에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 염수는 환경 영향을 줄이기 위해 추가 처리가 가능하므로, 물값에 0.6~2.40달러/m³가 추가됩니다. 또한, 전해수는 음용수보다 수질이 엄격하여 처리 비용이 더 많이 들 수 있지만, 전력 투입량에 비하면 여전히 적은 비용으로 예상됩니다.

수소 생산을 위한 전해수의 물발자국은 지역 물의 가용성, 소비량, 분해 및 오염에 따라 달라지는 매우 구체적인 위치 매개변수입니다. 생태계 균형과 장기적인 기후 추세의 영향도 고려해야 합니다. 물 소비는 재생 수소 확대에 큰 걸림돌이 될 것입니다.