Koliko vode se porabi z elektrolizo
Prvi korak: Proizvodnja vodika
Poraba vode nastane v dveh korakih: proizvodnji vodika in proizvodnji nosilca energije pred proizvodnjo. Za proizvodnjo vodika je minimalna poraba elektrolizirane vode približno 9 kilogramov vode na kilogram vodika. Vendar pa se lahko ob upoštevanju procesa demineralizacije vode to razmerje giblje od 18 do 24 kilogramov vode na kilogram vodika ali celo do 25,7 do 30,2..
Za obstoječi proizvodni proces (reformiranje metana s paro) je minimalna poraba vode 4,5 kgH2O/kgH2 (potrebna za reakcijo), ob upoštevanju procesne vode in hlajenja pa je minimalna poraba vode 6,4–32,2 kgH2O/kgH2.
2. korak: Viri energije (obnovljiva elektrika ali zemeljski plin)
Druga komponenta je poraba vode za proizvodnjo obnovljive električne energije in zemeljskega plina. Poraba vode pri fotovoltaični energiji se giblje med 50 in 400 litri/MWh (2,4–19 kgH2O/kgH2), poraba vode pri vetrni energiji pa med 5 in 45 litri/MWh (0,2–2,1 kgH2O/kgH2). Podobno se lahko proizvodnja plina iz skrilavca (na podlagi podatkov iz ZDA) poveča z 1,14 kgH2O/kgH2 na 4,9 kgH2O/kgH2.
Skratka, povprečna skupna poraba vode za proizvodnjo vodika iz fotovoltaike in vetrne energije je približno 32 oziroma 22 kgH2O/kgH2. Negotovosti izhajajo iz sončnega sevanja, življenjske dobe in vsebnosti silicija. Ta poraba vode je enakega reda velikosti kot proizvodnja vodika iz zemeljskega plina (7,6–37 kgh2o/kgH2, s povprečjem 22 kgH2O/kgH2).
Skupni vodni odtis: Manjši pri uporabi obnovljivih virov energije
Podobno kot pri emisijah CO2 je predpogoj za nizek vodni odtis pri elektrolitskih postopkih uporaba obnovljivih virov energije. Če se le majhen del električne energije proizvede z uporabo fosilnih goriv, je poraba vode, povezana z električno energijo, veliko večja od dejanske porabe vode med elektrolizo.
Na primer, proizvodnja plinske energije lahko porabi do 2500 litrov vode/MWh. To je tudi najboljši primer za fosilna goriva (zemeljski plin). Če upoštevamo uplinjanje premoga, lahko proizvodnja vodika porabi 31–31,8 kgH2O/kgH2, proizvodnja premoga pa 14,7 kgH2O/kgH2. Pričakuje se, da se bo poraba vode iz fotovoltaike in vetra sčasoma zmanjšala, saj bodo proizvodni procesi postali učinkovitejši in se bo izboljšala proizvodnja energije na enoto nameščene zmogljivosti.
Skupna poraba vode v letu 2050
Pričakuje se, da bo svet v prihodnosti porabil veliko več vodika kot danes. Na primer, poročilo IRENA o svetovnih energetskih prehodih ocenjuje, da bo povpraševanje po vodiku leta 2050 znašalo približno 74 EJ, od tega bo približno dve tretjini prihajalo iz obnovljivega vodika. Za primerjavo, danes (čisti vodik) znaša 8,4 EJ.
Tudi če bi elektrolitski vodik lahko zadostil potrebam po vodiku za celotno leto 2050, bi poraba vode znašala približno 25 milijard kubičnih metrov. Spodnja slika primerja to številko z drugimi porabami vode, ki jih povzroča človek. Kmetijstvo porabi največ, 280 milijard kubičnih metrov vode, industrija skoraj 800 milijard kubičnih metrov, mesta pa 470 milijard kubičnih metrov. Trenutna poraba vode pri reformiranju zemeljskega plina in uplinjanju premoga za proizvodnjo vodika je približno 1,5 milijarde kubičnih metrov.
Čeprav se pričakuje, da bodo zaradi sprememb v elektrolitskih poteh in naraščajočega povpraševanja porabljene velike količine vode, bo poraba vode za proizvodnjo vodika še vedno veliko manjša kot pri drugih pretokih, ki jih uporablja človek. Druga referenčna točka je, da je poraba vode na prebivalca med 75 (Luksemburg) in 1200 (ZDA) kubičnimi metri na leto. S povprečno 400 m3/(na prebivalca * leto) je skupna proizvodnja vodika leta 2050 enakovredna proizvodnji države z 62 milijoni prebivalcev.
Koliko stane voda in koliko energije se porabi
stroški
Elektrolitske celice zahtevajo visokokakovostno vodo in njeno čiščenje. Voda nižje kakovosti vodi do hitrejše razgradnje in krajše življenjske dobe. Na številne elemente, vključno z membranami in katalizatorji, ki se uporabljajo v alkalijah, ter membrane in porozne transportne plasti PEM, lahko negativno vplivajo nečistoče v vodi, kot so železo, krom, baker itd. Prevodnost vode mora biti manjša od 1 μS/cm, skupni organski ogljik pa manjši od 50 μg/L.
Voda predstavlja relativno majhen delež porabe energije in stroškov. Najslabši možni scenarij za oba parametra je razsoljevanje. Reverzna osmoza je glavna tehnologija za razsoljevanje, ki predstavlja skoraj 70 odstotkov svetovne zmogljivosti. Tehnologija stane 1900–2000 USD/m³/dan in ima stopnjo učenja 15 %. Pri teh naložbenih stroških znašajo stroški čiščenja približno 1 USD/m³ in so lahko nižji na območjih z nizkimi stroški električne energije.
Poleg tega se bodo stroški pošiljanja povečali za približno 1–2 USD na m³. Tudi v tem primeru znašajo stroški čiščenja vode približno 0,05 USD/kgH2. Za lažjo predstavo lahko stroški obnovljivega vodika znašajo 2–3 USD/kgH2, če so na voljo dobri obnovljivi viri, medtem ko so stroški povprečnega vira 4–5 USD/kgH2.
Torej bi v tem konzervativnem scenariju voda stala manj kot 2 odstotka celotne porabe. Uporaba morske vode lahko poveča količino pridobljene vode za 2,5- do 5-krat (glede na faktor izkoristka).
Poraba energije
Če pogledamo porabo energije za razsoljevanje, je tudi ta zelo majhna v primerjavi s količino električne energije, ki je potrebna za dovod elektrolitske celice. Trenutno delujoča enota za reverzno osmozo porabi približno 3,0 kW/m3. Nasprotno pa imajo termične razsoljevalne naprave veliko večjo porabo energije, ki se giblje od 40 do 80 kWh/m3, z dodatnimi potrebami po moči od 2,5 do 5 kWh/m3, odvisno od tehnologije razsoljevanja. Če za primer vzamemo konzervativen primer (tj. večjo porabo energije) kogeneracijske naprave, ob predpostavki uporabe toplotne črpalke, bi se potreba po energiji pretvorila v približno 0,7 kWh/kg vodika. Za lažjo predstavo je potreba po električni energiji elektrolitske celice približno 50–55 kWh/kg, zato je tudi v najslabšem primeru potreba po energiji za razsoljevanje približno 1 % celotnega dovoda energije v sistem.
Eden od izzivov razsoljevanja je odstranjevanje slane vode, ki lahko vpliva na lokalne morske ekosisteme. To slanico je mogoče dodatno obdelati, da se zmanjša njen vpliv na okolje, kar k stroškom vode doda še 0,6–2,40 USD/m³. Poleg tega je kakovost elektrolitske vode strožja od pitne vode in lahko povzroči višje stroške čiščenja, vendar se pričakuje, da bodo ti stroški še vedno majhni v primerjavi z vloženo energijo.
Vodni odtis elektrolitske vode za proizvodnjo vodika je zelo specifičen lokacijski parameter, ki je odvisen od lokalne razpoložljivosti vode, porabe, degradacije in onesnaženosti. Upoštevati je treba ravnovesje ekosistemov in vpliv dolgoročnih podnebnih trendov. Poraba vode bo glavna ovira za povečanje uporabe obnovljivega vodika.
Čas objave: 8. marec 2023