Câtă apă este consumată prin electroliză
Pasul unu: Producția de hidrogen
Consumul de apă se realizează în două etape: producția de hidrogen și producția în amonte a purtătorului de energie. Pentru producția de hidrogen, consumul minim de apă electrolizată este de aproximativ 9 kilograme de apă per kilogram de hidrogen. Cu toate acestea, ținând cont de procesul de demineralizare a apei, acest raport poate varia de la 18 la 24 de kilograme de apă per kilogram de hidrogen sau chiar până la 25,7 până la 30,2..
Pentru procesul de producție existent (reformarea metanului cu abur), consumul minim de apă este de 4,5 kgH2O/kgH2 (necesar pentru reacție), iar luând în considerare apa de proces și răcirea, consumul minim de apă este de 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.
Pasul 2: Surse de energie (energie electrică regenerabilă sau gaze naturale)
O altă componentă este consumul de apă pentru producerea de energie electrică regenerabilă și gaze naturale. Consumul de apă pentru energia fotovoltaică variază între 50-400 litri/MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2), iar cel pentru energia eoliană între 5-45 litri/MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2). În mod similar, producția de gaze din gaze de șist (pe baza datelor din SUA) poate fi crescută de la 1,14 kgH2O/kgH2 la 4,9 kgH2O/kgH2.
În concluzie, consumul total mediu de apă pentru hidrogenul generat prin generarea de energie fotovoltaică și respectiv prin generarea de energie eoliană este de aproximativ 32, respectiv 22 kgH2O/kgH2. Incertitudinile provin din radiația solară, durata de viață și conținutul de siliciu. Acest consum de apă este de același ordin de mărime ca și producția de hidrogen din gaze naturale (7,6-37 kgh2O/kgH2, cu o medie de 22 kgH2O/kgH2).
Amprentă totală de apă: Mai mică atunci când se utilizează energie regenerabilă
Similar emisiilor de CO2, o condiție prealabilă pentru o amprentă de apă redusă pentru rutele electrolitice este utilizarea surselor de energie regenerabilă. Dacă doar o mică parte din electricitatea este generată folosind combustibili fosili, consumul de apă asociat cu electricitatea este mult mai mare decât apa consumată efectiv în timpul electrolizei.
De exemplu, producerea de energie pe bază de gaz poate utiliza până la 2.500 litri/MWh de apă. Acesta este, de asemenea, cel mai bun caz pentru combustibilii fosili (gaze naturale). Dacă se ia în considerare gazificarea cărbunelui, producția de hidrogen poate consuma 31-31,8 kgH2O/kgH2, iar producția de cărbune poate consuma 14,7 kgH2O/kgH2. De asemenea, se așteaptă ca consumul de apă provenit din energia fotovoltaică și eoliană să scadă în timp, pe măsură ce procesele de fabricație devin mai eficiente, iar producția de energie pe unitatea de capacitate instalată se îmbunătățește.
Consumul total de apă în 2050
Se preconizează că lumea va folosi mult mai mult hidrogen în viitor decât o face în prezent. De exemplu, raportul IRENA privind Perspectivele Tranziției Energetice Mondiale estimează că cererea de hidrogen în 2050 va fi de aproximativ 74 EJ, din care aproximativ două treimi vor proveni din hidrogen regenerabil. Prin comparație, astăzi (hidrogen pur) este de 8,4 EJ.
Chiar dacă hidrogenul electrolitic ar putea satisface cererea de hidrogen pentru întregul an 2050, consumul de apă ar fi de aproximativ 25 de miliarde de metri cubi. Figura de mai jos compară această cifră cu alte fluxuri de consum de apă artificiale. Agricultura utilizează cea mai mare cantitate de 280 de miliarde de metri cubi de apă, în timp ce industria utilizează aproape 800 de miliarde de metri cubi, iar orașele utilizează 470 de miliarde de metri cubi. Consumul actual de apă pentru reformarea gazelor naturale și gazificarea cărbunelui în scopul producerii de hidrogen este de aproximativ 1,5 miliarde de metri cubi.
Astfel, deși se așteaptă ca cantități mari de apă să fie consumate din cauza schimbărilor în căile electrolitice și a cererii tot mai mari, consumul de apă din producția de hidrogen va fi în continuare mult mai mic decât alte fluxuri utilizate de oameni. Un alt punct de referință este acela că, pe cap de locuitor, consumul de apă este între 75 (Luxemburg) și 1.200 (SUA) de metri cubi pe an. La o medie de 400 m3 / (pe cap de locuitor * an), producția totală de hidrogen în 2050 este echivalentă cu cea a unei țări cu 62 de milioane de locuitori.
Cât costă apa și câtă energie se consumă
cost
Celulele electrolitice necesită apă de înaltă calitate și necesită tratare a apei. Apa de calitate inferioară duce la o degradare mai rapidă și la o durată de viață mai scurtă. Multe elemente, inclusiv diafragmele și catalizatorii utilizați în substanțele alcaline, precum și membranele și straturile poroase de transport ale PEM, pot fi afectate negativ de impuritățile apei, cum ar fi fierul, cromul, cuprul etc. Conductivitatea apei trebuie să fie mai mică de 1 μS/cm, iar carbonul organic total mai mic de 50 μg/L.
Apa reprezintă o pondere relativ mică din consumul de energie și din costuri. Cel mai rău scenariu pentru ambii parametri este desalinizarea. Osmoza inversă este principala tehnologie de desalinizare, reprezentând aproape 70% din capacitatea globală. Tehnologia costă 1900-2000 USD / m³/zi și are o rată de învățare a curbei de 15%. La acest cost de investiție, costul de tratare este de aproximativ 1 USD / m³ și poate fi mai mic în zonele în care costurile energiei electrice sunt scăzute.
În plus, costurile de transport vor crește cu aproximativ 1-2 dolari pe m³. Chiar și în acest caz, costurile de tratare a apei sunt de aproximativ 0,05 dolari/kgH2. Pentru a pune acest lucru în perspectivă, costul hidrogenului regenerabil poate fi de 2-3 dolari/kgH2 dacă sunt disponibile resurse regenerabile bune, în timp ce costul resursei medii este de 4-5 dolari/kgH2.
Așadar, în acest scenariu conservator, apa ar costa mai puțin de 2% din total. Utilizarea apei de mare poate crește cantitatea de apă recuperată de 2,5 până la 5 ori (în ceea ce privește factorul de recuperare).
Consumul de energie
Privind consumul de energie al desalinizării, acesta este, de asemenea, foarte mic în comparație cu cantitatea de energie electrică necesară pentru a alimenta celula electrolitică. Unitatea de osmoză inversă aflată în funcțiune în prezent consumă aproximativ 3,0 kW/m3. În schimb, instalațiile de desalinizare termică au un consum de energie mult mai mare, variind de la 40 la 80 kWH/m3, cu cerințe suplimentare de putere variind de la 2,5 la 5 kWH/m3, în funcție de tehnologia de desalinizare. Luând ca exemplu cazul conservator (adică o cerere mai mare de energie) al unei instalații de cogenerare, presupunând utilizarea unei pompe de căldură, cererea de energie ar fi convertită la aproximativ 0,7 kWh/kg de hidrogen. Pentru a pune acest lucru în perspectivă, cererea de energie electrică a celulei electrolitice este de aproximativ 50-55 kWh/kg, așa că, chiar și în cel mai rău scenariu, cererea de energie pentru desalinizare este de aproximativ 1% din energia totală de intrare a sistemului.
O provocare a desalinizării este eliminarea apei sărate, care poate avea un impact asupra ecosistemelor marine locale. Această saramură poate fi tratată suplimentar pentru a-i reduce impactul asupra mediului, adăugând astfel încă 0,6-2,40 USD/m³ la costul apei. În plus, calitatea apei electrolitice este mai strictă decât cea a apei potabile și poate duce la costuri de tratare mai mari, dar se așteaptă ca acestea să fie totuși mici în comparație cu consumul de energie.
Amprenta de apă a apei electrolitice pentru producerea de hidrogen este un parametru de localizare foarte specific, care depinde de disponibilitatea locală a apei, de consum, de degradare și de poluare. Ar trebui luate în considerare echilibrul ecosistemelor și impactul tendințelor climatice pe termen lung. Consumul de apă va fi un obstacol major în calea extinderii hidrogenului regenerabil.
Data publicării: 08 martie 2023