Сколько воды потребляется при электролизе
Шаг первый: производство водорода
Потребление воды происходит в два этапа: производство водорода и производство энергоносителей вверх по течению. Для производства водорода минимальный расход электролизованной воды составляет примерно 9 килограммов воды на килограмм водорода. Однако, принимая во внимание процесс деминерализации воды, это соотношение может варьироваться от 18 до 24 килограммов воды на килограмм водорода или даже достигать 25,7-30,2.
Для существующего производственного процесса (паровой риформинг метана) минимальный расход воды составляет 4,5 кгH2O/кгH2 (необходимо для реакции), с учетом технологической воды и охлаждения минимальный расход воды составляет 6,4-32,2 кгH2O/кгH2.
Шаг 2: Источники энергии (возобновляемая электроэнергия или природный газ)
Другим компонентом является потребление воды для производства возобновляемой электроэнергии и природного газа. Потребление воды фотоэлектрической энергией варьируется от 50 до 400 литров/МВт·ч (2,4–19 кгH2O/кгH2), а ветровой энергией — от 5 до 45 литров/МВт·ч (0,2–2,1 кгH2O/кгH2). Аналогичным образом, добыча газа из сланцевого газа (по данным США) может быть увеличена с 1,14 кгH2O/кгH2 до 4,9 кгH2O/кгH2.
В заключение, среднее общее потребление воды водородом, полученным при фотоэлектрической и ветровой генерациях энергии, составляет около 32 и 22 кгH2O/кгH2 соответственно. Неопределенности возникают из-за солнечной радиации, срока службы и содержания кремния. Это потребление воды имеет тот же порядок величины, что и производство водорода из природного газа (7,6-37 кгh2o/кгH2, со средним значением 22 кгH2O/кгH2).
Общий водный след: ниже при использовании возобновляемых источников энергии
Подобно выбросам CO2, предпосылкой низкого водного следа для электролитических маршрутов является использование возобновляемых источников энергии. Если только небольшая часть электроэнергии вырабатывается с использованием ископаемого топлива, потребление воды, связанное с электричеством, намного выше, чем фактическое потребление воды во время электролиза.
Например, газовая генерация электроэнергии может потреблять до 2500 литров/МВт-ч воды. Это также лучший вариант для ископаемого топлива (природного газа). Если рассматривать газификацию угля, то производство водорода может потреблять 31-31,8 кгH2O/кгH2, а производство угля может потреблять 14,7 кгH2O/кгH2. Ожидается, что потребление воды от фотоэлектрических установок и ветра также со временем снизится, поскольку производственные процессы станут более эффективными, а выработка энергии на единицу установленной мощности увеличится.
Общее потребление воды в 2050 году
Ожидается, что в будущем мир будет использовать во много раз больше водорода, чем сегодня. Например, в отчете IRENA World Energy Transitions Outlook предполагается, что в 2050 году спрос на водород составит около 74 ЭДж, из которых около двух третей будет приходиться на возобновляемый водород. Для сравнения, сегодня (чистый водород) составляет 8,4 ЭДж.
Даже если бы электролитический водород мог удовлетворить спрос на водород на весь 2050 год, потребление воды составило бы около 25 миллиардов кубических метров. На рисунке ниже эта цифра сравнивается с другими потоками потребления воды, создаваемыми человеком. Сельское хозяйство использует наибольшее количество воды в 280 миллиардов кубических метров, в то время как промышленность использует около 800 миллиардов кубических метров, а города используют 470 миллиардов кубических метров. Текущее потребление воды для риформинга природного газа и газификации угля для производства водорода составляет около 1,5 миллиарда кубических метров.
Таким образом, хотя ожидается, что большие объемы воды будут потребляться из-за изменений в электролитических путях и растущего спроса, потребление воды от производства водорода все равно будет намного меньше, чем другие потоки, используемые людьми. Другой точкой отсчета является то, что потребление воды на душу населения составляет от 75 (Люксембург) до 1200 (США) кубических метров в год. При среднем показателе 400 м3 / (на душу населения * год) общее производство водорода в 2050 году эквивалентно производству страны с населением 62 миллиона человек.
Сколько стоит вода и сколько энергии потребляется
расходы
Электролитические ячейки требуют высококачественной воды и требуют водоподготовки. Вода более низкого качества приводит к более быстрой деградации и сокращению срока службы. Многие элементы, включая диафрагмы и катализаторы, используемые в щелочах, а также мембраны и пористые транспортные слои PEM, могут подвергаться неблагоприятному воздействию примесей воды, таких как железо, хром, медь и т. д. Необходимо, чтобы проводимость воды была менее 1 мкСм/см, а общий органический углерод менее 50 мкг/л.
Вода составляет относительно небольшую долю потребления энергии и затрат. Наихудшим сценарием для обоих параметров является опреснение. Обратный осмос является основной технологией опреснения, на которую приходится почти 70 процентов мировой мощности. Технология стоит 1900-2000 долларов США / м³ / день и имеет скорость обучения 15%. При такой стоимости инвестиций стоимость очистки составляет около 1 доллара США / м³ и может быть ниже в районах с низкими затратами на электроэнергию.
Кроме того, транспортные расходы возрастут примерно на $1-2 за м³. Даже в этом случае расходы на очистку воды составят около $0,05/кгH2. Для сравнения, стоимость возобновляемого водорода может составлять $2-3/кгH2, если доступны хорошие возобновляемые ресурсы, тогда как стоимость среднего ресурса составляет $4-5/кгH2.
Таким образом, в этом консервативном сценарии вода будет стоить менее 2 процентов от общей суммы. Использование морской воды может увеличить количество восстановленной воды в 2,5–5 раз (с точки зрения коэффициента восстановления).
Потребление энергии
Если посмотреть на потребление энергии опреснением, то оно также очень мало по сравнению с количеством электроэнергии, необходимым для ввода электролитической ячейки. Текущая работающая установка обратного осмоса потребляет около 3,0 кВт/м3. Напротив, термические опреснительные установки имеют гораздо более высокое потребление энергии, в диапазоне от 40 до 80 кВтч/м3, с дополнительными требованиями к мощности в диапазоне от 2,5 до 5 кВтч/м3, в зависимости от технологии опреснения. Если взять консервативный случай (т. е. более высокое потребление энергии) когенерационной установки в качестве примера, предполагая использование теплового насоса, потребление энергии будет преобразовано примерно в 0,7 кВтч/кг водорода. Для сравнения, потребление электроэнергии электролитической ячейкой составляет около 50-55 кВтч/кг, поэтому даже в худшем случае потребление энергии для опреснения составляет около 1% от общего потребления энергии в системе.
Одной из проблем опреснения является утилизация соленой воды, которая может оказать влияние на местные морские экосистемы. Этот рассол может быть дополнительно обработан для снижения его воздействия на окружающую среду, что добавит еще 0,6–2,40 долл. США/м³ к стоимости воды. Кроме того, качество электролитической воды более строгое, чем у питьевой воды, и может привести к более высоким расходам на очистку, но, как ожидается, они все равно будут небольшими по сравнению с потребляемой мощностью.
Водный след электролитической воды для производства водорода — это очень специфический параметр местоположения, который зависит от местной доступности воды, потребления, деградации и загрязнения. Следует учитывать баланс экосистем и влияние долгосрочных климатических тенденций. Потребление воды станет основным препятствием для масштабирования возобновляемого водорода.
Время публикации: 08-03-2023