Сколько воды потребляется при электролизе?

Сколько воды потребляется при электролизе?

Первый этап: производство водорода.

Потребление воды происходит в два этапа: производство водорода и производство энергоносителя на предыдущем этапе. Для производства водорода минимальное потребление электролизованной воды составляет приблизительно 9 килограммов воды на килограмм водорода. Однако, с учетом процесса 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 (паровая конверсия метана) минимальный расход воды составляет 4,5 кг H2O/кг H2 (необходимый для реакции), с учетом технологической воды и охлаждения минимальный расход воды составляет 6,4-32,2 кг H2O/кг H2.

 

Шаг 2: Источники энергии (возобновляемая электроэнергия или природный газ)

Еще один компонент — потребление воды для производства возобновляемой электроэнергии и природного газа. Потребление воды при производстве фотоэлектрической энергии варьируется от 50 до 400 литров/МВт·ч (2,4–19 кг H2O/кг H2), а при производстве ветровой энергии — от 5 до 45 литров/МВт·ч (0,2–2,1 кг H2O/кг H2). Аналогично, добыча сланцевого газа (на основе данных из США) может быть увеличена с 1,14 кг H2O/кг H2 до 4,9 кг H2O/кг H2.

 

В заключение, среднее общее потребление воды при производстве водорода с помощью фотоэлектрических и ветроэнергетических установок составляет примерно 32 и 22 кг H2O/кг H2 соответственно. Неопределенности обусловлены солнечной радиацией, временем жизни и содержанием кремния. Это потребление воды сопоставимо по порядку величины с производством водорода из природного газа (7,6–37 кг H2O/кг H2, в среднем 22 кг H2O/кг H2).

 

Общий водопотребление: ниже при использовании возобновляемых источников энергии.

Аналогично выбросам CO2, необходимым условием для низкого водопотребления при электролитических процессах является использование возобновляемых источников энергии. Если лишь небольшая часть электроэнергии вырабатывается с использованием ископаемого топлива, потребление воды, связанное с производством электроэнергии, будет намного выше, чем фактическое потребление воды в процессе электролиза.

 

Например, при производстве электроэнергии на газовых электростанциях может использоваться до 2500 литров воды на МВт·ч. Это также наилучший вариант для ископаемого топлива (природного газа). Если рассматривать газификацию угля, то производство водорода может потреблять 31-31,8 кг H2O/кг H2, а производство угля — 14,7 кг H2O/кг H2. Ожидается также, что потребление воды при производстве фотоэлектрической и ветровой энергии со временем снизится по мере повышения эффективности производственных процессов и улучшения выработки энергии на единицу установленной мощности.

 

Общее потребление воды в 2050 году

Ожидается, что в будущем мир будет потреблять во много раз больше водорода, чем сегодня. Например, согласно прогнозу IRENA о мировых энергетических переходах, спрос на водород в 2050 году составит около 74 ЭДж, из которых примерно две трети будут приходиться на возобновляемый водород. Для сравнения, сегодня (для чистого водорода) этот показатель составляет 8,4 ЭДж.

 

Даже если бы электролитическое производство водорода могло удовлетворить спрос на водород в течение всего 2050 года, потребление воды составило бы около 25 миллиардов кубических метров. На приведенном ниже рисунке эта цифра сравнивается с другими антропогенными потоками воды. Сельское хозяйство потребляет наибольшее количество воды — 280 миллиардов кубических метров, промышленность — почти 800 миллиардов кубических метров, а города — 470 миллиардов кубических метров. Текущее потребление воды при риформинге природного газа и газификации угля для производства водорода составляет около 1,5 миллиарда кубических метров.

Таким образом, хотя ожидается, что из-за изменений в процессах электролиза и растущего спроса будет потребляться большое количество воды, потребление воды при производстве водорода все же будет значительно меньше, чем другие потоки, используемые человеком. Другой ориентир – 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 к 2050 году будет эквивалентно производству водорода в стране с населением 62 миллиона человек.

 

Сколько стоит вода и сколько энергии потребляется.

 

расходы

Для работы электролитических ячеек требуется вода высокого качества, а также ее водоподготовка. Вода более низкого качества приводит к более быстрой деградации и сокращению срока службы. Многие элементы, включая диафрагмы и катализаторы, используемые в щелочных средах, а также мембраны и пористые транспортные слои протонно-обменных мембран, могут подвергаться негативному воздействию примесей в воде, таких как железо, хром, медь и др. Электропроводность воды должна быть менее 1 мкСм/см, а общее содержание органического углерода — менее 50 мкг/л.

 

Вода составляет относительно небольшую долю потребления энергии и затрат. Наихудший сценарий по обоим параметрам — это опреснение. Обратный осмос — основная технология опреснения, на которую приходится почти 70 процентов мировых мощностей. Стоимость этой технологии составляет 1900–2000 долларов США/м³/сутки, а период освоения — 15%. При таких инвестиционных затратах стоимость очистки составляет около 1 доллара США/м³, а в регионах с низкими ценами на электроэнергию может быть ниже.

 

Кроме того, стоимость доставки увеличится примерно на 1-2 доллара за м³. Даже в этом случае затраты на водоподготовку составят около 0,05 доллара за кг H₂. Для сравнения, стоимость возобновляемого водорода может составлять 2-3 доллара за кг H₂ при наличии качественных возобновляемых ресурсов, в то время как средняя стоимость таких ресурсов составляет 4-5 долларов за кг H₂.

 

Таким образом, в этом консервативном сценарии затраты на воду составят менее 2 процентов от общей суммы. Использование морской воды может увеличить объем извлекаемой воды в 2,5–5 раз (с точки зрения коэффициента извлечения).

 

Потребление энергии

Если рассматривать энергопотребление при опреснении, оно также очень мало по сравнению с количеством электроэнергии, необходимой для работы электролитической ячейки. В настоящее время работающая установка обратного осмоса потребляет около 3,0 кВт/м³. В отличие от этого, тепловые опреснительные установки имеют гораздо более высокое энергопотребление, от 40 до 80 кВт·ч/м³, с дополнительными потребностями в электроэнергии от 2,5 до 5 кВт·ч/м³ в зависимости от технологии опреснения. Рассмотрим в качестве примера консервативный случай (т.е. более высокий спрос на энергию) когенерационной установки, предполагая использование теплового насоса, тогда потребление энергии составит около 0,7 кВт·ч/кг водорода. Для сравнения, потребление электроэнергии электролитической ячейкой составляет около 50-55 кВт·ч/кг, поэтому даже в худшем случае потребление энергии на опреснение составляет около 1% от общего энергопотребления системы.

 

Одна из проблем опреснения — утилизация соленой воды, которая может оказывать воздействие на местные морские экосистемы. Этот рассол можно дополнительно очистить для снижения его воздействия на окружающую среду, что увеличит стоимость воды на 0,6–2,40 долл. США/м³. Кроме того, качество воды, полученной методом электролиза, более строгое, чем у питьевой воды, и может привести к увеличению затрат на очистку, но ожидается, что они будут незначительными по сравнению с затратами на электроэнергию.

Водный след электролитической воды, используемой для производства водорода, является очень специфическим параметром, зависящим от местной доступности воды, ее потребления, степени разложения и загрязнения. Необходимо учитывать баланс экосистем и влияние долгосрочных климатических тенденций. Потребление воды станет серьезным препятствием для масштабирования производства возобновляемого водорода.