Cik daudz ūdens tiek patērēts elektrolīzes procesā?

Cik daudz ūdens tiek patērēts elektrolīzes procesā

Pirmais solis: ūdeņraža ražošana

Ūdens patēriņš rodas divos posmos: ūdeņraža ražošanā un enerģijas nesēja ražošanā augšupējā posmā. Ūdeņraža ražošanā minimālais elektrolizētā ūdens patēriņš ir aptuveni 9 kilogrami ūdens uz kilogramu ūdeņraža. Tomēr, ņemot vērā ūdens demineralizācijas procesu, šī attiecība var svārstīties no 18 līdz 24 kilogramiem ūdens uz kilogramu ūdeņraža vai pat līdz 25,7 līdz 30,2..

 

Esošajam ražošanas procesam (metāna tvaika reformēšanai) minimālais ūdens patēriņš ir 4,5 kgH2O/kgH2 (nepieciešams reakcijai), ņemot vērā procesa ūdeni un dzesēšanu, minimālais ūdens patēriņš ir 6,4–32,2 kgH2O/kgH2.

 

2. solis: Enerģijas avoti (atjaunojamā elektroenerģija vai dabasgāze)

Vēl viena komponente ir ūdens patēriņš atjaunojamās elektroenerģijas un dabasgāzes ražošanai. Fotoelektriskās enerģijas ūdens patēriņš svārstās no 50 līdz 400 litriem/MWh (2,4–19 kgH2O/kgH2), bet vēja enerģijas ūdens patēriņš — no 5 līdz 45 litriem/MWh (0,2–2,1 kgH2O/kgH2). Līdzīgi gāzes ražošanu no slānekļa gāzes (pamatojoties uz ASV datiem) var palielināt no 1,14 kgH2O/kgH2 līdz 4,9 kgH2O/kgH2.

 

Noslēgumā jāsaka, ka vidējais kopējais ūdens patēriņš ūdeņraža ražošanai, ražojot fotoelektrisko enerģiju un vēja enerģiju, ir attiecīgi aptuveni 32 un 22 kgH2O/kgH2. Nenoteiktības rada saules starojums, kalpošanas laiks un silīcija saturs. Šis ūdens patēriņš ir tādā pašā apjomā kā ūdeņraža ražošanai no dabasgāzes (7,6–37 kgh2o/kgH2, vidēji 22 kgH2O/kgH2).

 

Kopējais ūdens pēda: mazāks, izmantojot atjaunojamo enerģiju

Līdzīgi kā CO2 emisiju gadījumā, elektrolīzes procesu zema ūdens patēriņa priekšnoteikums ir atjaunojamo energoresursu izmantošana. Ja tikai neliela daļa elektroenerģijas tiek saražota, izmantojot fosilo kurināmo, ar elektrību saistītais ūdens patēriņš ir daudz lielāks nekā faktiski elektrolīzes laikā patērētais ūdens daudzums.

 

Piemēram, gāzes enerģijas ražošanai var izmantot līdz 2500 litriem/MWh ūdens. Tas ir arī labākais gadījums fosilā kurināmā (dabasgāzes) gadījumā. Ja ņem vērā ogļu gazifikāciju, ūdeņraža ražošana var patērēt 31–31,8 kgH2O/kgH2, bet ogļu ražošana — 14,7 kgH2O/kgH2. Paredzams, ka arī ūdens patēriņš no fotoelektriskajām un vēja enerģijām laika gaitā samazināsies, jo ražošanas procesi kļūs efektīvāki un enerģijas ražošana uz vienu uzstādīto jaudas vienību uzlabosies.

 

Kopējais ūdens patēriņš 2050. gadā

Paredzams, ka nākotnē pasaulē ūdeņraža patēriņš būs daudz lielāks nekā šodien. Piemēram, IRENA Pasaules enerģijas pārejas perspektīvā lēsts, ka ūdeņraža pieprasījums 2050. gadā būs aptuveni 74 EJ, no kuriem aptuveni divas trešdaļas būs no atjaunojamā ūdeņraža. Salīdzinājumam, šodien (tīra ūdeņraža) pieprasījums ir 8,4 EJ.

 

Pat ja elektrolītiskais ūdeņradis varētu apmierināt ūdeņraža pieprasījumu visā 2050. gadā, ūdens patēriņš būtu aptuveni 25 miljardi kubikmetru. Zemāk redzamajā attēlā šis skaitlis tiek salīdzināts ar citām cilvēka radītām ūdens patēriņa plūsmām. Lauksaimniecība izmanto vislielāko ūdens daudzumu – 280 miljardus kubikmetru, savukārt rūpniecība izmanto gandrīz 800 miljardus kubikmetru, bet pilsētas – 470 miljardus kubikmetru. Pašreizējais dabasgāzes reformēšanas un ogļu gazifikācijas ūdens patēriņš ūdeņraža ražošanai ir aptuveni 1,5 miljardi kubikmetru.

Tādējādi, lai gan paredzams, ka elektrolīzes procesu izmaiņu un pieaugošā pieprasījuma dēļ tiks patērēts liels ūdens daudzums, ūdens patēriņš no ūdeņraža ražošanas joprojām būs daudz mazāks nekā citas cilvēku izmantotās plūsmas. Vēl viens atskaites punkts ir tas, ka ūdens patēriņš uz vienu iedzīvotāju ir no 75 (Luksemburga) līdz 1200 (ASV) kubikmetriem gadā. Ar vidēji 400 m3 / (uz vienu iedzīvotāju * gadā) kopējā ūdeņraža ražošana 2050. gadā ir līdzvērtīga 62 miljonu iedzīvotāju valsts ražošanai.

 

Cik maksā ūdens un cik daudz enerģijas tiek patērēts

 

izmaksas

Elektrolīzes šūnām ir nepieciešams augstas kvalitātes ūdens un ūdens attīrīšana. Zemākas kvalitātes ūdens izraisa ātrāku degradāciju un īsāku kalpošanas laiku. Daudzus elementus, tostarp sārmos izmantotās diafragmas un katalizatorus, kā arī PEM membrānas un porainos transporta slāņus, var negatīvi ietekmēt ūdens piemaisījumi, piemēram, dzelzs, hroms, varš utt. Ūdens vadītspējai jābūt mazākai par 1 μS/cm, un kopējam organiskajam oglekļa daudzumam jābūt mazākam par 50 μg/l.

 

Ūdens veido relatīvi nelielu daļu no enerģijas patēriņa un izmaksām. Sliktākais scenārijs abiem parametriem ir atsāļošana. Reversā osmoze ir galvenā atsāļošanas tehnoloģija, kas veido gandrīz 70 procentus no globālās jaudas. Tehnoloģijas izmaksas ir 1900–2000 USD/m³/d, un tās apguves līknes ātrums ir 15%. Ar šādām investīciju izmaksām attīrīšanas izmaksas ir aptuveni 1 USD/m³, un tās var būt zemākas apgabalos, kur elektroenerģijas izmaksas ir zemas.

 

Turklāt piegādes izmaksas palielināsies par aptuveni 1–2 USD/m³. Pat šajā gadījumā ūdens attīrīšanas izmaksas ir aptuveni 0,05 USD/kgH2. Lai to aplūkotu perspektīvā, atjaunojamā ūdeņraža izmaksas var būt 2–3 USD/kgH2, ja ir pieejami labi atjaunojamie resursi, savukārt vidējā resursa izmaksas ir 4–5 USD/kgH2.

 

Tātad šajā konservatīvajā scenārijā ūdens izmaksātu mazāk nekā 2 procentus no kopējās summas. Jūras ūdens izmantošana var palielināt atgūtā ūdens daudzumu 2,5 līdz 5 reizes (atgūšanas koeficienta izteiksmē).

 

Enerģijas patēriņš

Aplūkojot atsāļošanas enerģijas patēriņu, tas arī ir ļoti mazs, salīdzinot ar elektroenerģijas daudzumu, kas nepieciešams elektrolītiskās šūnas padevei. Pašreiz darbojošās reversās osmozes iekārtas enerģijas patēriņš ir aptuveni 3,0 kW/m3. Turpretī termiskās atsāļošanas iekārtām ir daudz lielāks enerģijas patēriņš, sākot no 40 līdz 80 kWh/m3, un papildu jaudas prasības ir no 2,5 līdz 5 kWh/m3 atkarībā no atsāļošanas tehnoloģijas. Ņemot par piemēru koģenerācijas staciju konservatīvā gadījumā (t. i., ar lielāku enerģijas pieprasījumu), pieņemot, ka tiek izmantots siltumsūknis, enerģijas pieprasījums tiktu pārvērsts aptuveni 0,7 kWh/kg ūdeņraža. Lai to aplūkotu perspektīvā, elektrolītiskās šūnas elektroenerģijas pieprasījums ir aptuveni 50–55 kWh/kg, tāpēc pat sliktākajā gadījumā enerģijas pieprasījums atsāļošanai ir aptuveni 1 % no kopējās sistēmā ievadītās enerģijas.

 

Viens no atsāļošanas izaicinājumiem ir sālsūdens utilizācija, kas var ietekmēt vietējās jūras ekosistēmas. Šo sālsūdeni var tālāk apstrādāt, lai samazinātu tā ietekmi uz vidi, tādējādi ūdens izmaksām pievienojot vēl 0,6–2,40 USD/m³. Turklāt elektrolītiskā ūdens kvalitāte ir stingrāka nekā dzeramā ūdens kvalitātei, un tas var izraisīt augstākas attīrīšanas izmaksas, taču, salīdzinot ar patērēto enerģiju, sagaidāms, ka tās joprojām būs nelielas.

Elektrolīzes ūdens ūdens pēda ūdeņraža ražošanai ir ļoti specifisks atrašanās vietas parametrs, kas ir atkarīgs no vietējās ūdens pieejamības, patēriņa, degradācijas un piesārņojuma. Jāņem vērā ekosistēmu līdzsvars un ilgtermiņa klimata tendenču ietekme. Ūdens patēriņš būs galvenais šķērslis atjaunojamā ūdeņraža ražošanas apjoma palielināšanai.