Ile wody zużywa się podczas elektrolizy
Krok pierwszy: Produkcja wodoru
Zużycie wody pochodzi z dwóch etapów: produkcji wodoru i produkcji nośników energii w górnym biegu rzeki. W przypadku produkcji wodoru minimalne zużycie wody elektrolizowanej wynosi około 9 kilogramów wody na kilogram wodoru. Jednak biorąc pod uwagę proces demineralizacji wody, stosunek ten może wynosić od 18 do 24 kilogramów wody na kilogram wodoru, a nawet od 25,7 do 30,2.
W przypadku obecnego procesu produkcyjnego (reformowanie parowe metanu) minimalne zużycie wody wynosi 4,5 kgH2O/kgH2 (wymagane do reakcji), a biorąc pod uwagę wodę procesową i chłodzenie, minimalne zużycie wody wynosi 6,4–32,2 kgH2O/kgH2.
Krok 2: Źródła energii (energia odnawialna lub gaz ziemny)
Innym składnikiem jest zużycie wody do produkcji odnawialnej energii elektrycznej i gazu ziemnego. Zużycie wody przez energię fotowoltaiczną waha się między 50-400 litrów /MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2), a przez energię wiatrową między 5-45 litrów /MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2). Podobnie, produkcja gazu z gazu łupkowego (na podstawie danych z USA) może zostać zwiększona z 1,14 kgH2O/kgH2 do 4,9 kgH2O/kgH2.
Podsumowując, średnie całkowite zużycie wody wodoru wytwarzanego przez fotowoltaikę i wiatr wynosi odpowiednio około 32 i 22 kgH2O/kgH2. Niepewności wynikają z promieniowania słonecznego, czasu życia i zawartości krzemu. To zużycie wody jest tego samego rzędu wielkości co produkcja wodoru z gazu ziemnego (7,6-37 kgh2o/kgH2, ze średnią 22 kgH2O/kgH2).
Całkowity ślad wodny: niższy przy wykorzystaniu energii odnawialnej
Podobnie jak w przypadku emisji CO2, warunkiem wstępnym niskiego śladu wodnego dla tras elektrolitycznych jest wykorzystanie odnawialnych źródeł energii. Jeśli tylko niewielka część energii elektrycznej jest wytwarzana przy użyciu paliw kopalnych, zużycie wody związane z energią elektryczną jest znacznie wyższe niż rzeczywiste zużycie wody podczas elektrolizy.
Na przykład, wytwarzanie energii gazowej może zużywać do 2500 litrów/MWh wody. Jest to również najlepszy przypadek dla paliw kopalnych (gaz ziemny). Jeśli weźmiemy pod uwagę zgazowanie węgla, produkcja wodoru może zużywać 31-31,8 kgH2O/kgH2, a produkcja węgla może zużywać 14,7 kgH2O/kgH2. Oczekuje się również, że zużycie wody przez ogniwa fotowoltaiczne i wiatrowe zmniejszy się z czasem, ponieważ procesy produkcyjne staną się bardziej wydajne, a produkcja energii na jednostkę zainstalowanej mocy wzrośnie.
Całkowite zużycie wody w 2050 r.
Oczekuje się, że w przyszłości świat będzie zużywał wielokrotnie więcej wodoru niż obecnie. Na przykład World Energy Transitions Outlook IRENA szacuje, że popyt na wodór w 2050 r. wyniesie około 74 EJ, z czego około dwie trzecie będzie pochodzić z wodoru odnawialnego. Dla porównania, obecnie (czysty wodór) wynosi 8,4 EJ.
Nawet jeśli wodór elektrolityczny mógłby zaspokoić zapotrzebowanie na wodór w całym roku 2050, zużycie wody wyniosłoby około 25 miliardów metrów sześciennych. Poniższy wykres porównuje tę liczbę z innymi strumieniami zużycia wody wytwarzanej przez człowieka. Rolnictwo zużywa największą ilość 280 miliardów metrów sześciennych wody, podczas gdy przemysł zużywa prawie 800 miliardów metrów sześciennych, a miasta 470 miliardów metrów sześciennych. Obecne zużycie wody w procesie reformingu gazu ziemnego i zgazowania węgla do produkcji wodoru wynosi około 1,5 miliarda metrów sześciennych.
Tak więc, chociaż oczekuje się, że duże ilości wody zostaną zużyte z powodu zmian w ścieżkach elektrolitycznych i rosnącego popytu, zużycie wody z produkcji wodoru nadal będzie znacznie mniejsze niż w przypadku innych przepływów wykorzystywanych przez ludzi. Innym punktem odniesienia jest to, że zużycie wody na osobę wynosi od 75 (Luksemburg) do 1200 (USA) metrów sześciennych rocznie. Przy średniej 400 m3 / (na osobę * rok), całkowita produkcja wodoru w 2050 r. jest równoważna produkcji kraju liczącego 62 miliony ludzi.
Ile kosztuje woda i ile energii się zużywa
koszt
Ogniwa elektrolityczne wymagają wysokiej jakości wody i wymagają uzdatniania wody. Niższa jakość wody prowadzi do szybszej degradacji i krótszej żywotności. Wiele elementów, w tym przepony i katalizatory stosowane w alkaliach, a także membrany i porowate warstwy transportowe PEM, może być niekorzystnie dotkniętych zanieczyszczeniami wody, takimi jak żelazo, chrom, miedź itp. Przewodność wody musi być mniejsza niż 1 μS/cm, a całkowity węgiel organiczny mniejszy niż 50 μg/l.
Woda odpowiada za stosunkowo niewielką część zużycia energii i kosztów. Najgorszym scenariuszem dla obu parametrów jest odsalanie. Odwrócona osmoza jest główną technologią odsalania, odpowiadającą za prawie 70 procent globalnej wydajności. Technologia ta kosztuje 1900-2000 USD/m³/d i ma krzywą uczenia się na poziomie 15%. Przy takim koszcie inwestycyjnym koszt uzdatniania wynosi około 1 USD/m³ i może być niższy w obszarach, w których koszty energii elektrycznej są niskie.
Ponadto koszty wysyłki wzrosną o około 1-2 USD za m³. Nawet w tym przypadku koszty uzdatniania wody wynoszą około 0,05 USD/kgH2. Aby to ująć w perspektywie, koszt odnawialnego wodoru może wynosić 2-3 USD/kgH2, jeśli dostępne są dobre odnawialne zasoby, podczas gdy koszt przeciętnego zasobu wynosi 4-5 USD/kgH2.
Tak więc w tym konserwatywnym scenariuszu woda kosztowałaby mniej niż 2 procent całości. Użycie wody morskiej może zwiększyć ilość odzyskanej wody o 2,5 do 5 razy (w odniesieniu do współczynnika odzysku).
Zużycie energii
Patrząc na zużycie energii przez odsalanie, jest ono również bardzo małe w porównaniu z ilością energii elektrycznej potrzebnej do wprowadzenia ogniwa elektrolitycznego. Obecnie działająca jednostka odwróconej osmozy zużywa około 3,0 kW/m3. Natomiast zakłady odsalania termicznego mają znacznie wyższe zużycie energii, wynoszące od 40 do 80 KWH/m3, przy dodatkowym zapotrzebowaniu na energię wynoszącym od 2,5 do 5 KWH/m3, w zależności od technologii odsalania. Biorąc za przykład konserwatywny przypadek (tj. wyższe zapotrzebowanie na energię) zakładu kogeneracyjnego, zakładając użycie pompy ciepła, zapotrzebowanie na energię zostałoby przeliczone na około 0,7 kWh/kg wodoru. Aby to ująć w perspektywie, zapotrzebowanie na energię elektryczną ogniwa elektrolitycznego wynosi około 50-55 kWh/kg, więc nawet w najgorszym przypadku zapotrzebowanie na energię do odsalania wynosi około 1% całkowitej energii wprowadzanej do systemu.
Jednym z wyzwań odsalania jest usuwanie słonej wody, która może mieć wpływ na lokalne ekosystemy morskie. Tę solankę można dalej uzdatniać, aby zmniejszyć jej wpływ na środowisko, co zwiększa koszt wody o kolejne 0,6–2,40 USD/m³. Ponadto jakość wody elektrolitycznej jest bardziej rygorystyczna niż wody pitnej i może skutkować wyższymi kosztami uzdatniania, ale nadal oczekuje się, że będą one niewielkie w porównaniu do poboru mocy.
Ślad wodny wody elektrolitycznej do produkcji wodoru jest bardzo specyficznym parametrem lokalizacji, który zależy od lokalnej dostępności wody, jej zużycia, degradacji i zanieczyszczenia. Należy wziąć pod uwagę równowagę ekosystemów i wpływ długoterminowych trendów klimatycznych. Zużycie wody będzie główną przeszkodą w zwiększaniu skali odnawialnego wodoru.
Czas publikacji: 08-03-2023