Ile wody zużywa się podczas elektrolizy?

Ile wody zużywa się podczas elektrolizy

Krok pierwszy: Produkcja wodoru

Zużycie wody wynika z dwóch etapów: produkcji wodoru i wstępnej produkcji nośników energii. 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 uwzględniając wodę procesową i chłodzenie, minimalne zużycie wody wynosi 6,4–32,2 kgH2O/kgH2.

 

Krok 2: Źródła energii (energia odnawialna lub gaz ziemny)

Kolejnym elementem jest zużycie wody do produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych i gazu ziemnego. Zużycie wody w elektrowniach fotowoltaicznych waha się w granicach 50–400 litrów/MWh (2,4–19 kgH2O/kgH2), a w elektrowniach wiatrowych – w granicach 5–45 litrów/MWh (0,2–2,1 kgH2O/kgH2). Podobnie, produkcja gazu łupkowego (w oparciu o dane z USA) może wzrosnąć z 1,14 kgH2O/kgH2 do 4,9 kgH2O/kgH2.

 

Podsumowując, średnie całkowite zużycie wody przez wodór wytwarzany przez elektrownie fotowoltaiczne i wiatrowe wynosi odpowiednio około 32 i 22 kgH2O/kgH2. Niepewność wynika z promieniowania słonecznego, czasu życia i zawartości krzemu. To zużycie wody jest porównywalne z produkcją wodoru z gazu ziemnego (7,6–37 kgH2O/kgH2, ze średnią 22 kgH2O/kgH2).

 

Całkowity ślad wodny: niższy przy korzystaniu z energii odnawialnej

Podobnie jak w przypadku emisji CO2, warunkiem koniecznym niskiego śladu wodnego w procesach elektrolizy jest wykorzystanie odnawialnych źródeł energii. Jeśli tylko niewielka część energii elektrycznej jest wytwarzana z paliw kopalnych, zużycie wody związane z energią elektryczną jest znacznie wyższe niż rzeczywiste zużycie wody podczas elektrolizy.

 

Na przykład, wytwarzanie energii z gazu może zużywać do 2500 litrów wody na MWh. Jest to również najlepszy scenariusz dla paliw kopalnych (gazu ziemnego). Jeśli weźmiemy pod uwagę zgazowanie węgla, produkcja wodoru może zużywać 31-31,8 kgH2O/kgH2, a produkcja węgla 14,7 kgH2O/kgH2. Przewiduje się również, że zużycie wody przez fotowoltaikę i energię wiatrową będzie z czasem spadać wraz ze wzrostem efektywności procesów produkcyjnych i wzrostem produkcji energii na jednostkę zainstalowanej mocy.

 

Całkowite zużycie wody w 2050 r.

Oczekuje się, że w przyszłości świat będzie zużywał wielokrotnie więcej wodoru niż obecnie. Na przykład, według prognoz IRENA dotyczących transformacji energetycznej na świecie (World Energy Transitions Outlook), zapotrzebowanie na wodór w 2050 roku wyniesie około 74 EJ, z czego około dwie trzecie będzie pochodzić z wodoru odnawialnego. Dla porównania, obecnie (czysty wodór) zużywa 8,4 EJ.

 

Nawet gdyby wodór elektrolityczny mógł pokryć zapotrzebowanie na wodór w całym roku 2050, zużycie wody wyniosłoby około 25 miliardów metrów sześciennych. Poniższy wykres porównuje tę wartość z innymi strumieniami zużycia wody wytwarzanej przez człowieka. Rolnictwo zużywa najwięcej, bo aż 280 miliardów metrów sześciennych, 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.

Zatem, chociaż oczekuje się, że duże ilości wody zostaną zużyte ze względu na zmiany w procesach elektrolitycznych i rosnące zapotrzebowanie, zużycie wody do 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 roku odpowiada produkcji kraju liczącego 62 miliony mieszkańców.

 

Ile kosztuje woda i ile energii się zużywa

 

koszt

Ogniwa elektrolityczne wymagają wody wysokiej jakości i jej uzdatniania. Woda o niższej jakości 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 negatywnie oddziaływać na zanieczyszczenia wody, takie jak żelazo, chrom, miedź itp. Przewodność właściwa wody musi być mniejsza niż 1 μS/cm, a zawartość węgla organicznego ogółem mniejsza niż 50 μg/l.

 

Woda stanowi stosunkowo niewielką część zużycia energii i kosztów. Najgorszym scenariuszem dla obu parametrów jest odsalanie. Odwrócona osmoza jest główną technologią odsalania, odpowiadającą za prawie 70% globalnej wydajności. Technologia ta kosztuje 1900-2000 USD/m³/d, a jej krzywa uczenia się wynosi 15%. Przy takim koszcie inwestycyjnym, koszt uzdatniania wody wynosi około 1 USD/m³ i może być niższy w obszarach o niskich kosztach energii elektrycznej.

 

Dodatkowo koszty transportu wzrosną o około 1-2 dolary za m³. Nawet w tym przypadku koszty uzdatniania wody wynoszą około 0,05 dolara/kgH². Dla porównania, koszt wodoru odnawialnego może wynieść 2-3 dolary/kgH², jeśli dostępne są dobre zasoby odnawialne, podczas gdy koszt przeciętnego zasobu wynosi 4-5 dolarów/kgH².

 

Zatem w tym konserwatywnym scenariuszu koszt wody stanowiłby mniej niż 2 procent całości. Wykorzystanie wody morskiej może zwiększyć ilość odzyskanej wody od 2,5 do 5 razy (w przeliczeniu na współczynnik odzysku).

 

Zużycie energii

Patrząc na zużycie energii podczas odsalania, 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 instalacje 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) instalacji kogeneracyjnej, zakładając użycie pompy ciepła, zapotrzebowanie na energię zostałoby przeliczone na około 0,7 kWh/kg wodoru. Dla porównania, 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 wprowadzonej do systemu.

 

Jednym z wyzwań związanych z odsalaniem jest utylizacja słonej wody, która może mieć wpływ na lokalne ekosystemy morskie. Solankę można poddać dalszemu uzdatnianiu, 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, co może wiązać się z wyższymi kosztami uzdatniania, ale i tak oczekuje się, że będą one niewielkie w porównaniu z poborem energii.

Ślad wodny wody elektrolitycznej wykorzystywanej do produkcji wodoru to bardzo specyficzny parametr lokalizacji, który zależy od lokalnej dostępności wody, jej zużycia, degradacji i zanieczyszczenia. Należy uwzględnić równowagę ekosystemów oraz wpływ długoterminowych trendów klimatycznych. Zużycie wody będzie stanowić poważną przeszkodę w zwiększaniu skali produkcji wodoru odnawialnego.