विद्युत अपघटनामध्ये किती पाणी वापरले जाते?

विद्युत अपघटनामध्ये किती पाणी वापरले जाते

पहिली पायरी: हायड्रोजन उत्पादन

पाण्याचा वापर दोन टप्प्यांतून होतो: हायड्रोजन उत्पादन आणि ऊर्जा वाहकांचे उत्पादन. हायड्रोजन उत्पादनासाठी, प्रति किलोग्राम हायड्रोजनमागे इलेक्ट्रोलाइज्ड पाण्याचा किमान वापर अंदाजे ९ किलोग्राम असतो. तथापि, पाण्याच्या विखनिजीकरण प्रक्रियेचा विचार केल्यास, हे प्रमाण प्रति किलोग्राम हायड्रोजनमागे १८ ते २४ किलोग्राम पाणी, किंवा अगदी २५.७ ते ३०.२ किलोग्राम इतके जास्तही असू शकते..

 

विद्यमान उत्पादन प्रक्रियेसाठी (मिथेन स्टीम रिफॉर्मिंग), किमान पाणी वापर 4.5kgH2O/kgH2 (अभिक्रियेसाठी आवश्यक) आहे, प्रक्रिया पाणी आणि शीतलीकरण विचारात घेतल्यास, किमान पाणी वापर 6.4-32.2kgH2O/kgH2 आहे.

 

पायरी २: ऊर्जेचे स्रोत (नूतनीकरणक्षम वीज किंवा नैसर्गिक वायू)

नवीकरणीय वीज आणि नैसर्गिक वायूच्या उत्पादनासाठी लागणारा पाण्याचा वापर हा आणखी एक घटक आहे. फोटोव्होल्टेइक ऊर्जेसाठी पाण्याचा वापर ५०-४०० लिटर/MWh (२.४-१९ किलोग्रॅम पाणी/किलोग्रॅम हायड्रोजन) असतो, तर पवन ऊर्जेसाठी तो ५-४५ लिटर/MWh (०.२-२.१ किलोग्रॅम पाणी/किलोग्रॅम हायड्रोजन) असतो. त्याचप्रमाणे, शेल गॅसमधून होणारे वायू उत्पादन (अमेरिकेच्या आकडेवारीनुसार) १.१४ किलोग्रॅम पाणी/किलोग्रॅम हायड्रोजन पासून ४.९ किलोग्रॅम पाणी/किलोग्रॅम हायड्रोजन पर्यंत वाढवता येते.

 

थोडक्यात सांगायचे झाल्यास, फोटोव्होल्टेइक ऊर्जा निर्मिती आणि पवन ऊर्जा निर्मितीद्वारे निर्माण होणाऱ्या हायड्रोजनसाठी लागणारा सरासरी एकूण पाणी वापर अनुक्रमे सुमारे ३२ आणि २२ किलोग्रॅम पाणी/किलोग्रॅम हायड्रोजन आहे. यातील अनिश्चितता सौर किरणोत्सर्ग, आयुर्मान आणि सिलिकॉनच्या प्रमाणामुळे येते. हा पाणी वापर नैसर्गिक वायूपासून होणाऱ्या हायड्रोजन उत्पादनाच्या (७.६-३७ किलोग्रॅम पाणी/किलोग्रॅम हायड्रोजन, सरासरी २२ किलोग्रॅम पाणी/किलोग्रॅम हायड्रोजन) जवळपास सारखाच आहे.

 

एकूण जल-पदचिन्ह: नवीकरणीय ऊर्जा वापरल्यास कमी असते.

CO2 उत्सर्जनाप्रमाणेच, इलेक्ट्रोलाइटिक मार्गांसाठी कमी जल-पदचिन्हाची एक पूर्वअट म्हणजे अक्षय ऊर्जा स्रोतांचा वापर. जर विजेचा केवळ एक छोटासा अंश जीवाश्म इंधनांचा वापर करून निर्माण केला गेला, तर विजेसाठी लागणारा पाण्याचा वापर हा इलेक्ट्रोलिसिस दरम्यान वापरल्या जाणाऱ्या प्रत्यक्ष पाण्यापेक्षा खूप जास्त असतो.

 

उदाहरणार्थ, वायूवर आधारित वीज निर्मितीमध्ये प्रति मेगावॅट-तास (MWh) २५०० लिटरपर्यंत पाण्याचा वापर होऊ शकतो. जीवाश्म इंधनांसाठी (नैसर्गिक वायू) ही सर्वोत्तम परिस्थिती आहे. जर कोळसा वायूकरणाचा विचार केला, तर हायड्रोजन उत्पादनासाठी प्रति किलो हायड्रोजन (kgH2) ३१-३१.८ किलो पाणी (kgH2O) आणि कोळसा उत्पादनासाठी प्रति किलो हायड्रोजन (kgH2) १४.७ किलो पाणी (kgH2O) वापरले जाऊ शकते. जसजशी उत्पादन प्रक्रिया अधिक कार्यक्षम होईल आणि स्थापित क्षमतेच्या प्रति युनिट ऊर्जा उत्पादन सुधारेल, तसतसा फोटोव्होल्टाईक्स आणि पवन ऊर्जेमधील पाण्याचा वापरही कालांतराने कमी होण्याची अपेक्षा आहे.

 

२०५० मधील एकूण पाणी वापर

भविष्यात जग आजच्या तुलनेत कित्येक पटींनी जास्त हायड्रोजन वापरेल अशी अपेक्षा आहे. उदाहरणार्थ, आयआरईएनएच्या (IRENA) 'वर्ल्ड एनर्जी ट्रान्झिशन्स आउटलुक'नुसार, २०५० मध्ये हायड्रोजनची मागणी सुमारे ७४ ईजे (EJ) असेल, ज्यापैकी सुमारे दोन-तृतीयांश मागणी अक्षय हायड्रोजनमधून पूर्ण होईल. तुलनेने, आज (शुद्ध हायड्रोजनसाठी) ही मागणी ८.४ ईजे (EJ) आहे.

 

जरी इलेक्ट्रोलाइटिक हायड्रोजन २०५० सालासाठीची संपूर्ण हायड्रोजनची मागणी पूर्ण करू शकला, तरी पाण्याचा वापर सुमारे २५ अब्ज घनमीटर होईल. खालील आकृती या आकडेवारीची तुलना मानवनिर्मित पाण्याच्या वापराच्या इतर स्रोतांशी करते. शेतीमध्ये सर्वाधिक २८० अब्ज घनमीटर पाणी वापरले जाते, तर उद्योगांमध्ये जवळपास ८०० अब्ज घनमीटर आणि शहरांमध्ये ४७० अब्ज घनमीटर पाणी वापरले जाते. हायड्रोजन उत्पादनासाठी नैसर्गिक वायू रिफॉर्मिंग आणि कोळसा गॅसिफिकेशनचा सध्याचा पाण्याचा वापर सुमारे १.५ अब्ज घनमीटर आहे.

त्यामुळे, इलेक्ट्रोलाइटिक मार्गांमधील बदल आणि वाढत्या मागणीमुळे मोठ्या प्रमाणात पाण्याचा वापर अपेक्षित असला तरी, हायड्रोजन उत्पादनातून होणारा पाण्याचा वापर मानवाद्वारे वापरल्या जाणाऱ्या इतर प्रवाहांपेक्षा खूपच कमी असेल. आणखी एक संदर्भबिंदू म्हणजे, दरडोई पाण्याचा वापर दरवर्षी ७५ (लक्झेंबर्ग) ते १,२०० (अमेरिका) घनमीटरच्या दरम्यान आहे. सरासरी ४०० घनमीटर प्रति (दरडोई * वर्ष) या दराने, २०५० मधील एकूण हायड्रोजन उत्पादन हे ६२ दशलक्ष लोकसंख्या असलेल्या देशाच्या उत्पादनाइतके असेल.

 

पाण्याची किंमत किती आहे आणि किती ऊर्जा वापरली जाते

 

खर्च

इलेक्ट्रोलाइटिक सेलसाठी उच्च दर्जाचे पाणी आणि जलशुद्धीकरण आवश्यक असते. कमी दर्जाच्या पाण्यामुळे जलद ऱ्हास होतो आणि आयुष्यमान कमी होते. अल्कलाइनमध्ये वापरले जाणारे डायफ्राम आणि उत्प्रेरक, तसेच पीईएमचे (PEM) मेम्ब्रेन आणि सच्छिद्र परिवहन थर यांसारख्या अनेक घटकांवर लोह, क्रोमियम, तांबे इत्यादींसारख्या पाण्यातील अशुद्धतेमुळे प्रतिकूल परिणाम होऊ शकतो. पाण्याची चालकता १μS/cm पेक्षा कमी आणि एकूण सेंद्रिय कार्बन ५०μg/L पेक्षा कमी असणे आवश्यक आहे.

 

ऊर्जा वापर आणि खर्चामध्ये पाण्याचा वाटा तुलनेने कमी असतो. या दोन्ही मापदंडांसाठी सर्वात वाईट परिस्थिती म्हणजे क्षारविरहितीकरण (डिसेलिनेशन). रिव्हर्स ऑस्मोसिस हे क्षारविरहितीकरणासाठीचे मुख्य तंत्रज्ञान असून, जागतिक क्षमतेमध्ये त्याचा वाटा जवळपास ७० टक्के आहे. या तंत्रज्ञानाचा खर्च प्रति घनमीटर प्रति दिन १९००-२००० डॉलर येतो आणि ते शिकण्यासाठी लागणारा वेळ १५% आहे. या गुंतवणुकीच्या खर्चानंतर, शुद्धीकरणाचा खर्च सुमारे प्रति घनमीटर १ डॉलर येतो आणि ज्या भागांमध्ये विजेचा खर्च कमी आहे, तिथे तो आणखी कमी असू शकतो.

 

याव्यतिरिक्त, वाहतूक खर्च प्रति घनमीटर सुमारे $1-2 ने वाढेल. असे असले तरी, जलशुद्धीकरणाचा खर्च सुमारे $0.05/किलो हायड्रोजन आहे. याची तुलना करायची झाल्यास, जर चांगली अक्षय ऊर्जा संसाधने उपलब्ध असतील, तर अक्षय हायड्रोजनची किंमत $2-3/किलो हायड्रोजन असू शकते, तर सर्वसाधारण संसाधनाची किंमत $4-5/किलो हायड्रोजन आहे.

 

म्हणून या सुरक्षित अंदाजानुसार, पाण्याचा खर्च एकूण खर्चाच्या २ टक्क्यांपेक्षा कमी असेल. समुद्राच्या पाण्याचा वापर केल्याने पुनर्प्राप्त होणाऱ्या पाण्याचे प्रमाण (पुनर्प्राप्ती घटकाच्या दृष्टीने) २.५ ते ५ पटींनी वाढू शकते.

 

ऊर्जा वापर

क्षारविरहितीकरणाच्या ऊर्जा वापराकडे पाहिल्यास, इलेक्ट्रोलाइटिक सेलमध्ये लागणाऱ्या विजेच्या तुलनेत तो खूपच कमी आहे. सध्या कार्यरत असलेले रिव्हर्स ऑस्मोसिस युनिट सुमारे ३.० किलोवॅट/घनमीटर वीज वापरते. याउलट, औष्णिक क्षारविरहितीकरण प्रकल्पांचा ऊर्जा वापर खूप जास्त असतो, जो ४० ते ८० किलोवॅट-तास/घनमीटर इतका असतो, आणि क्षारविरहितीकरण तंत्रज्ञानानुसार २.५ ते ५ किलोवॅट-तास/घनमीटर इतकी अतिरिक्त विजेची गरज असते. उदाहरण म्हणून कोजनरेशन प्लांटची सुरक्षित परिस्थिती (म्हणजे जास्त ऊर्जेची मागणी) घेतल्यास, हीट पंपचा वापर गृहीत धरल्यास, ऊर्जेची मागणी हायड्रोजनच्या प्रति किलो सुमारे ०.७ किलोवॅट-तास इतकी होईल. हे अधिक स्पष्ट करण्यासाठी, इलेक्ट्रोलाइटिक सेलची विजेची मागणी सुमारे ५०-५५ किलोवॅट-तास/किलो असते, त्यामुळे अगदी वाईट परिस्थितीतही, क्षारविरहितीकरणासाठी लागणारी ऊर्जा ही प्रणालीला लागणाऱ्या एकूण ऊर्जेच्या सुमारे १% असते.

 

क्षारविरहितीकरणातील एक आव्हान म्हणजे खारट पाण्याची विल्हेवाट लावणे, ज्याचा स्थानिक सागरी परिसंस्थेवर परिणाम होऊ शकतो. या खाऱ्या पाण्याचा पर्यावरणावरील परिणाम कमी करण्यासाठी त्यावर पुढील प्रक्रिया केली जाऊ शकते, ज्यामुळे पाण्याच्या खर्चात आणखी $0.6-2.40 /m³ ची भर पडते. याव्यतिरिक्त, इलेक्ट्रोलाइटिक पाण्याची गुणवत्ता पिण्याच्या पाण्यापेक्षा अधिक कठोर असते आणि त्यामुळे प्रक्रियेचा खर्च जास्त येऊ शकतो, परंतु लागणाऱ्या विजेच्या तुलनेत हा खर्च कमीच असेल अशी अपेक्षा आहे.

हायड्रोजन उत्पादनासाठी इलेक्ट्रोलाइटिक पाण्याचा वापर हा एक अत्यंत विशिष्ट स्थान-आधारित मापदंड आहे, जो स्थानिक पाण्याची उपलब्धता, वापर, ऱ्हास आणि प्रदूषण यांवर अवलंबून असतो. परिसंस्थांचा समतोल आणि दीर्घकालीन हवामान बदलांच्या परिणामांचा विचार केला पाहिजे. अक्षय हायड्रोजनचे उत्पादन मोठ्या प्रमाणावर वाढवण्यात पाण्याचा वापर हा एक मोठा अडथळा ठरेल.