Kiek vandens sunaudojama elektrolizės metu
Pirmas žingsnis: vandenilio gamyba
Vandens suvartojimas vyksta dviem etapais: vandenilio gamyba ir energijos nešiklio gamyba prieš srovę. Vandeniui gaminti mažiausias elektrolizuoto vandens suvartojimas yra maždaug 9 kilogramai vandens kilogramui vandenilio. Tačiau atsižvelgiant į vandens demineralizacijos procesą, šis santykis gali svyruoti nuo 18 iki 24 kilogramų vandens kilogramui vandenilio arba net iki 25,7–30,2..
Esamam gamybos procesui (metano garų reformavimui) minimalus vandens suvartojimas yra 4,5 kgH2O/kgH2 (reikalingam reakcijai), atsižvelgiant į technologinį vandenį ir aušinimą, minimalus vandens suvartojimas yra 6,4–32,2 kgH2O/kgH2.
2 veiksmas: energijos šaltiniai (atsinaujinanti elektra arba gamtinės dujos)
Kitas komponentas yra vandens suvartojimas atsinaujinančios elektros energijos ir gamtinių dujų gamybai. Fotovoltinės energijos vandens suvartojimas svyruoja nuo 50 iki 400 litrų /MWh (2,4–19 kgH2O/kgH2), o vėjo energijos – nuo 5 iki 45 litrų /MWh (0,2–2,1 kgH2O/kgH2). Panašiai, dujų gamyba iš skalūnų dujų (remiantis JAV duomenimis) gali būti padidinta nuo 1,14 kgH2O/kgH2 iki 4,9 kgH2O/kgH2.
Apibendrinant, vidutinis bendras vandens suvartojimas vandeniliui gaminti iš fotovoltinės energijos ir vėjo energijos yra atitinkamai apie 32 ir 22 kgH2O/kgH2. Neapibrėžtumas kyla dėl saulės spinduliuotės, gyvavimo ciklo ir silicio kiekio. Šis vandens suvartojimas yra tokio pat dydžio kaip ir vandenilio gamybai iš gamtinių dujų (7,6–37 kgh2o/kgH2, vidutiniškai 22 kgH2O/kgH2).
Bendras vandens pėdsakas: mažesnis naudojant atsinaujinančiąją energiją
Panašiai kaip ir CO2 emisijos atveju, mažo vandens pėdsako elektrolizės būduose sąlyga yra atsinaujinančių energijos šaltinių naudojimas. Jei tik nedidelė dalis elektros energijos pagaminama naudojant iškastinį kurą, su elektros energija susijęs vandens suvartojimas yra daug didesnis nei faktinis vandens kiekis, suvartojamas elektrolizės metu.
Pavyzdžiui, dujų energijos gamybai galima sunaudoti iki 2 500 litrų / MWh vandens. Tai taip pat geriausias atvejis naudojant iškastinį kurą (gamtines dujas). Atsižvelgiant į anglies dujofikaciją, vandenilio gamybai gali būti sunaudojama 31–31,8 kg H2O/kg H2, o anglies gamybai – 14,7 kg H2O/kg H2. Tikimasi, kad laikui bėgant vandens suvartojimas iš fotovoltinių ir vėjo energijos taip pat mažės, nes gamybos procesai taps efektyvesni ir padidės energijos gamyba vienam įrengtos galios vienetui.
Bendras vandens suvartojimas 2050 m.
Tikimasi, kad ateityje pasaulis sunaudos daug kartų daugiau vandenilio nei šiandien. Pavyzdžiui, IRENA ataskaitoje „Pasaulio energetikos transformacijos perspektyvos“ apskaičiuota, kad 2050 m. vandenilio paklausa sieks apie 74 EJ, iš kurių apie du trečdalius sudarys atsinaujinantis vandenilis. Palyginimui, šiandien (gryno vandenilio) paklausa siekia 8,4 EJ.
Net jei elektrolitinis vandenilis galėtų patenkinti vandenilio poreikius visiems 2050 m., vandens suvartojimas būtų apie 25 milijardus kubinių metrų. Žemiau pateiktame paveikslėlyje šis skaičius palyginamas su kitais žmogaus sukurtais vandens suvartojimo srautais. Žemės ūkyje sunaudojama daugiausia – 280 milijardų kubinių metrų vandens, pramonėje – beveik 800 milijardų kubinių metrų, o miestuose – 470 milijardų kubinių metrų. Dabartinis gamtinių dujų reformavimo ir anglies dujofikavimo vandens sunaudojimas vandenilio gamybai yra apie 1,5 milijardo kubinių metrų.
Taigi, nors dėl elektrolizės procesų pokyčių ir augančios paklausos tikimasi sunaudoti didelius vandens kiekius, vandenilio gamybai sunaudojamas vanduo vis tiek bus daug mažesnis nei kitiems žmonių naudojamiems srautams. Kitas atskaitos taškas yra tas, kad vandens suvartojimas vienam gyventojui svyruoja nuo 75 (Liuksemburgas) iki 1200 (JAV) kubinių metrų per metus. Vidutiniškai 400 m3 / (vienam gyventojui * per metus) bendra vandenilio gamyba 2050 m. prilygsta 62 milijonų gyventojų turinčios šalies vandenilio gamybai.
Kiek kainuoja vanduo ir kiek energijos sunaudojama
kaina
Elektrolizės elementams reikalingas aukštos kokybės vanduo ir juos reikia apdoroti. Žemesnės kokybės vanduo lemia greitesnę degradaciją ir trumpesnį tarnavimo laiką. Daugeliui elementų, įskaitant šarmuose naudojamas diafragmas ir katalizatorius, taip pat PEM membranas ir porėtus transportavimo sluoksnius, gali neigiamai paveikti vandens priemaišos, tokios kaip geležis, chromas, varis ir kt. Vandens laidumas turi būti mažesnis nei 1 μS/cm, o bendras organinės anglies kiekis – mažesnis nei 50 μg/l.
Vanduo sudaro santykinai nedidelę energijos suvartojimo ir sąnaudų dalį. Blogiausias abiejų parametrų scenarijus yra gėlinimas. Atvirkštinis osmosas yra pagrindinė gėlinimo technologija, sudaranti beveik 70 procentų pasaulinių pajėgumų. Technologija kainuoja 1900–2000 USD/m³/d, o jos mokymosi kreivė yra 15 %. Esant tokioms investicijoms, valymo kaina yra apie 1 USD/m³ ir gali būti mažesnė tose vietovėse, kur elektros energijos kainos yra mažos.
Be to, transportavimo išlaidos padidės maždaug 1–2 USD už m³. Net ir tokiu atveju vandens valymo išlaidos yra apie 0,05 USD/kgH2. Kad būtų aiškiau, atsinaujinančio vandenilio kaina gali siekti 2–3 USD/kgH2, jei yra gerų atsinaujinančių išteklių, o vidutinės išteklių kainos yra 4–5 USD/kgH2.
Taigi, pagal šį konservatyvų scenarijų vanduo kainuotų mažiau nei 2 procentus visos sumos. Jūros vandens naudojimas gali padidinti išgaunamo vandens kiekį 2,5–5 kartus (kalbant apie išgaunamo vandens kiekį).
Energijos suvartojimas
Žvelgiant į gėlinimo energijos suvartojimą, jis taip pat yra labai mažas, palyginti su elektros energijos kiekiu, reikalingu elektrolizės elementui. Dabartinis atvirkštinio osmoso įrenginys sunaudoja apie 3,0 kW/m3. Tuo tarpu terminio gėlinimo įrenginiai sunaudoja daug daugiau energijos – nuo 40 iki 80 kWh/m3, o papildomi energijos poreikiai svyruoja nuo 2,5 iki 5 kWh/m3, priklausomai nuo gėlinimo technologijos. Remiantis konservatyviu kogeneracinės jėgainės pavyzdžiu (t. y. didesniu energijos poreikiu), darant prielaidą, kad naudojamas šilumos siurblys, energijos poreikis būtų paverstas maždaug 0,7 kWh/kg vandenilio. Kad būtų aiškiau, elektrolizės elemento elektros energijos poreikis yra apie 50–55 kWh/kg, todėl net ir blogiausiu atveju gėlinimui reikalingos energijos poreikis sudaro apie 1 % visos sistemos energijos sąnaudų.
Vienas iš gėlinimo iššūkių yra sūraus vandens šalinimas, kuris gali turėti įtakos vietos jūrų ekosistemoms. Šį sūrymą galima toliau apdoroti, siekiant sumažinti jo poveikį aplinkai, taip padidinant vandens kainą dar 0,6–2,40 USD/m³. Be to, elektrolitinis vandens kokybės standartas yra griežtesnis nei geriamojo vandens, todėl valymo išlaidos gali būti didesnės, tačiau tikimasi, kad jos vis tiek bus nedidelės, palyginti su sunaudojama energija.
Elektrolizės vandens, naudojamo vandenilio gamybai, vandens pėdsakas yra labai specifinis vietos parametras, priklausantis nuo vietos vandens prieinamumo, suvartojimo, degradacijos ir taršos. Reikėtų atsižvelgti į ekosistemų pusiausvyrą ir ilgalaikių klimato tendencijų poveikį. Vandens suvartojimas bus pagrindinė kliūtis atsinaujinančiojo vandenilio gamybos plėtrai.
Įrašo laikas: 2023 m. kovo 8 d.