Koľko vody sa spotrebuje elektrolýzou
Prvý krok: Výroba vodíka
Spotreba vody pochádza z dvoch krokov: výroba vodíka a výroba energetického nosiča pred ním. Pri výrobe vodíka je minimálna spotreba elektrolyzovanej vody približne 9 kilogramov vody na kilogram vodíka. Avšak s prihliadnutím na proces demineralizácie vody sa tento pomer môže pohybovať od 18 do 24 kilogramov vody na kilogram vodíka, alebo dokonca až 25,7 až 30,2..
Pre existujúci výrobný proces (reformovanie metánu parou) je minimálna spotreba vody 4,5 kgH2O/kgH2 (potrebná na reakciu), pričom pri zohľadnení procesnej vody a chladenia je minimálna spotreba vody 6,4 – 32,2 kgH2O/kgH2.
Krok 2: Zdroje energie (obnoviteľná elektrina alebo zemný plyn)
Ďalšou zložkou je spotreba vody na výrobu elektriny z obnoviteľných zdrojov a zemného plynu. Spotreba vody pri fotovoltaike sa pohybuje medzi 50 – 400 litrami/MWh (2,4 – 19 kgH2O/kgH2) a pri veternej energii medzi 5 – 45 litrami/MWh (0,2 – 2,1 kgH2O/kgH2). Podobne sa produkcia bridlicového plynu (na základe údajov z USA) môže zvýšiť z 1,14 kgH2O/kgH2 na 4,9 kgH2O/kgH2.
Záverom možno povedať, že priemerná celková spotreba vody pri výrobe vodíka generovaného fotovoltaickou výrobou energie a veternou energiou je približne 32 kgH2O/kgH2. Neistoty vyplývajú zo slnečného žiarenia, životnosti a obsahu kremíka. Táto spotreba vody je rádovo rovnaká ako pri výrobe vodíka zo zemného plynu (7,6 – 37 kgh2o/kgH2, s priemerom 22 kgH2O/kgH2).
Celková vodná stopa: Nižšia pri použití obnoviteľnej energie
Podobne ako pri emisiách CO2 je predpokladom nízkej vodnej stopy elektrolytických procesov využívanie obnoviteľných zdrojov energie. Ak sa z fosílnych palív vyrába len malá časť elektriny, spotreba vody spojená s elektrinou je oveľa vyššia ako skutočná spotreba vody počas elektrolýzy.
Napríklad, výroba energie z plynu môže spotrebovať až 2 500 litrov vody/MWh. Najlepší prípad je to aj pre fosílne palivá (zemný plyn). Ak sa vezme do úvahy splyňovanie uhlia, výroba vodíka môže spotrebovať 31 – 31,8 kgH2O/kgH2 a výroba uhlia 14,7 kgH2O/kgH2. Očakáva sa, že spotreba vody z fotovoltaiky a vetra sa časom tiež zníži, keďže výrobné procesy sa stanú efektívnejšími a energetický výkon na jednotku inštalovanej kapacity sa zlepší.
Celková spotreba vody v roku 2050
Očakáva sa, že svet bude v budúcnosti spotrebovávať mnohonásobne viac vodíka ako dnes. Napríklad v správe IRENA World Energy Transitions Outlook sa odhaduje, že dopyt po vodíku v roku 2050 bude približne 74 EJ, z čoho približne dve tretiny budú pochádzať z obnoviteľného vodíka. Pre porovnanie, dnes je to (čistý vodík) 8,4 EJ.
Aj keby elektrolytický vodík dokázal uspokojiť dopyt po vodíku počas celého roku 2050, spotreba vody by bola približne 25 miliárd kubických metrov. Nasledujúci obrázok porovnáva toto číslo s inými tokmi spotreby vody spôsobenej človekom. Poľnohospodárstvo spotrebuje najväčšie množstvo 280 miliárd kubických metrov vody, zatiaľ čo priemysel spotrebuje takmer 800 miliárd kubických metrov a mestá 470 miliárd kubických metrov. Súčasná spotreba vody pri reformovaní zemného plynu a splyňovaní uhlia na výrobu vodíka je približne 1,5 miliardy kubických metrov.
Hoci sa teda očakáva spotreba veľkého množstva vody v dôsledku zmien v elektrolytických dráhach a rastúceho dopytu, spotreba vody z výroby vodíka bude stále oveľa menšia ako pri iných tokoch využívaných ľuďmi. Ďalším referenčným bodom je, že spotreba vody na obyvateľa sa pohybuje medzi 75 (Luxembursko) a 1 200 (USA) kubickými metrami ročne. Pri priemernej produkcii 400 m3/(na obyvateľa*rok) je celková produkcia vodíka v roku 2050 ekvivalentná produkcii krajiny s 62 miliónmi obyvateľov.
Koľko stojí voda a koľko energie sa spotrebuje
náklady
Elektrolytické články vyžadujú vysoko kvalitnú vodu a vyžadujú jej úpravu. Voda nižšej kvality vedie k rýchlejšej degradácii a kratšej životnosti. Mnohé prvky vrátane membrán a katalyzátorov používaných v zásadách, ako aj membrán a pórovitých transportných vrstiev PEM, môžu byť nepriaznivo ovplyvnené nečistotami vo vode, ako je železo, chróm, meď atď. Vodivosť vody musí byť menšia ako 1 μS/cm a celkový organický uhlík menší ako 50 μg/l.
Voda predstavuje relatívne malý podiel spotreby energie a nákladov. Najhorším scenárom pre oba parametre je odsoľovanie. Reverzná osmóza je hlavnou technológiou odsoľovania, ktorá predstavuje takmer 70 percent celosvetovej kapacity. Táto technológia stojí 1 900 až 2 000 USD/m³/d a má mieru učenia 15 %. Pri týchto investičných nákladoch sú náklady na čistenie približne 1 USD/m³ a môžu byť nižšie v oblastiach s nízkymi nákladmi na elektrinu.
Okrem toho sa náklady na dopravu zvýšia približne o 1 – 2 doláre za m³. Aj v tomto prípade sú náklady na úpravu vody približne 0,05 dolára/kgH2. Pre porovnanie, cena obnoviteľného vodíka môže byť 2 – 3 doláre/kgH2, ak sú k dispozícii kvalitné obnoviteľné zdroje, zatiaľ čo cena priemerného zdroja je 4 – 5 dolárov/kgH2.
Takže v tomto konzervatívnom scenári by voda stála menej ako 2 percentá z celkovej sumy. Využitie morskej vody môže zvýšiť množstvo získanej vody 2,5 až 5-násobne (z hľadiska faktora výťažnosti).
Spotreba energie
Pri pohľade na spotrebu energie pri odsoľovaní je táto spotreba tiež veľmi malá v porovnaní s množstvom elektriny potrebnej na vstup do elektrolytického článku. Súčasne prevádzkovaná jednotka reverznej osmózy spotrebuje približne 3,0 kW/m3. Naproti tomu termické odsoľovacie zariadenia majú oveľa vyššiu spotrebu energie, ktorá sa pohybuje od 40 do 80 kWh/m3, s dodatočnými požiadavkami na energiu v rozmedzí od 2,5 do 5 kWh/m3 v závislosti od technológie odsoľovania. Ak vezmeme ako príklad konzervatívny prípad (t. j. vyššiu spotrebu energie) kogeneračnej jednotky, za predpokladu použitia tepelného čerpadla by sa spotreba energie prepočítala na približne 0,7 kWh/kg vodíka. Pre porovnanie, spotreba elektriny elektrolytického článku je približne 50 – 55 kWh/kg, takže aj v najhoršom prípade predstavuje spotreba energie na odsoľovanie približne 1 % z celkovej vstupnej energie do systému.
Jednou z výziev odsoľovania je likvidácia slanej vody, ktorá môže mať vplyv na miestne morské ekosystémy. Táto soľanka sa môže ďalej upravovať, aby sa znížil jej vplyv na životné prostredie, čím sa náklady na vodu zvýšia o ďalších 0,6 – 2,40 USD/m³. Okrem toho je kvalita elektrolytickej vody prísnejšia ako pri pitnej vode a môže viesť k vyšším nákladom na úpravu, ale stále sa očakáva, že tieto náklady budú malé v porovnaní s príkonom energie.
Vodná stopa elektrolytickej vody na výrobu vodíka je veľmi špecifický lokalizačný parameter, ktorý závisí od lokálnej dostupnosti vody, spotreby, degradácie a znečistenia. Treba zvážiť rovnováhu ekosystémov a vplyv dlhodobých klimatických trendov. Spotreba vody bude hlavnou prekážkou pri rozširovaní obnoviteľného vodíka.
Čas uverejnenia: 8. marca 2023