Колико воде се троши електролизом
Први корак: Производња водоника
Потрошња воде долази из два корака: производње водоника и узводне производње енергената. За производњу водоника, минимална потрошња електролизоване воде је приближно 9 килограма воде по килограму водоника. Међутим, узимајући у обзир процес деминерализације воде, овај однос може да се креће од 18 до 24 килограма воде по килограму водоника, или чак и до 25,7 до 30,2..
За постојећи производни процес (парно реформисање метана), минимална потрошња воде је 4,5 кгH2O/кгH2 (потребно за реакцију), узимајући у обзир процесну воду и хлађење, минимална потрошња воде је 6,4-32,2 кгH2O/кгH2.
Корак 2: Извори енергије (обновљива електрична енергија или природни гас)
Још једна компонента је потрошња воде за производњу обновљиве електричне енергије и природног гаса. Потрошња воде за фотонапонску енергију варира између 50-400 литара/MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2), а за енергију ветра између 5-45 литара/MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2). Слично томе, производња гаса из шкриљаца (на основу података из САД) може се повећати са 1,14 kgH2O/kgH2 на 4,9 kgH2O/kgH2.
Закључно, просечна укупна потрошња воде за производњу водоника генерисаног фотонапонском производњом енергије и производњом енергије ветра је око 32 и 22 кгH2O/кгH2, респективно. Несигурности потичу од сунчевог зрачења, животног века и садржаја силицијума. Ова потрошња воде је истог реда величине као и производња водоника из природног гаса (7,6-37 кгh2o/кгH2, са просеком од 22 кгH2O/кгH2).
Укупан водни отисак: Мањи када се користе обновљиви извори енергије
Слично емисијама CO2, предуслов за низак водни отисак код електролитичких процеса је коришћење обновљивих извора енергије. Ако се само мали део електричне енергије производи коришћењем фосилних горива, потрошња воде повезана са електричном енергијом је много већа од стварне потрошње воде током електролизе.
На пример, производња енергије из гаса може да користи до 2.500 литара/MWh воде. То је такође најбољи случај за фосилна горива (природни гас). Ако се узме у обзир гасификација угља, производња водоника може да потроши 31-31,8 kgH2O/kgH2, а производња угља може да потроши 14,7 kgH2O/kgH2. Очекује се да ће се потрошња воде из фотонапонских система и ветра такође смањити током времена, како производни процеси постају ефикаснији, а производња енергије по јединици инсталираног капацитета се побољшава.
Укупна потрошња воде у 2050. години
Очекује се да ће свет у будућности користити много пута више водоника него данас. На пример, IRENA-ин „World Energy Transitions Outlook“ процењује да ће потражња за водоником 2050. године бити око 74 ЕЈ, од чега ће око две трећине долазити из обновљивог водоника. Поређења ради, данас (чисти водоник) износи 8,4 ЕЈ.
Чак и ако би електролитички водоник могао да задовољи потражњу за водоником током целе 2050. године, потрошња воде би била око 25 милијарди кубних метара. Доња слика упоређује ову бројку са другим токовима потрошње воде које је створио човек. Пољопривреда користи највећу количину од 280 милијарди кубних метара воде, док индустрија користи скоро 800 милијарди кубних метара, а градови 470 милијарди кубних метара. Тренутна потрошња воде за реформинг природног гаса и гасификацију угља за производњу водоника је око 1,5 милијарди кубних метара.
Дакле, иако се очекује да ће се потрошити велике количине воде због промена у електролитским путевима и растуће потражње, потрошња воде из производње водоника и даље ће бити много мања од других токова које користе људи. Још једна референтна тачка је да је потрошња воде по глави становника између 75 (Луксембург) и 1.200 (САД) кубних метара годишње. Са просеком од 400 м3/(по глави становника * годишње), укупна производња водоника 2050. године је еквивалентна производњи земље од 62 милиона људи.
Колико кошта вода и колико се енергије троши
трошак
Електролитичке ћелије захтевају воду високог квалитета и захтевају третман воде. Вода нижег квалитета доводи до брже деградације и краћег века трајања. Многи елементи, укључујући дијафрагме и катализаторе који се користе у алкалијама, као и мембране и порозне транспортне слојеве ПЕМ-а, могу бити негативно погођени нечистоћама у води као што су гвожђе, хром, бакар итд. Проводљивост воде мора бити мања од 1μS/cm, а укупни органски угљеник мањи од 50μg/L.
Вода чини релативно мали удео у потрошњи енергије и трошковима. Најгори могући сценарио за оба параметра је десалинизација. Реверзна осмоза је главна технологија за десалинизацију, која чини скоро 70 процената глобалног капацитета. Технологија кошта 1900-2000 долара/м³/дан и има стопу криве учења од 15%. При овим инвестиционим трошковима, трошкови третмана износе око 1 долар/м³ и могу бити нижи у подручјима где су трошкови електричне енергије ниски.
Поред тога, трошкови транспорта ће се повећати за око 1-2 долара по м³. Чак и у овом случају, трошкови пречишћавања воде износе око 0,05 долара/кгH2. Да бисмо ово ставили у перспективу, цена обновљивог водоника може бити 2-3 долара/кгH2 ако су доступни добри обновљиви ресурси, док је цена просечног ресурса 4-5 долара/кгH2.
Дакле, у овом конзервативном сценарију, вода би коштала мање од 2 процента од укупне цене. Употреба морске воде може повећати количину добијене воде за 2,5 до 5 пута (у смислу фактора опоравка).
Потрошња енергије
Посматрајући потрошњу енергије за десалинизацију, она је такође веома мала у поређењу са количином електричне енергије потребном за унос у електролитичку ћелију. Тренутно оперативна јединица за реверзну осмозу троши око 3,0 kW/m3. Насупрот томе, термална постројења за десалинизацију имају много већу потрошњу енергије, у распону од 40 до 80 KWH/m3, са додатним потребама за снагом у распону од 2,5 до 5 KWH/m3, у зависности од технологије десалинизације. Узимајући конзервативни случај (тј. већу потражњу за енергијом) когенерационог постројења као пример, под претпоставком употребе топлотне пумпе, потражња за енергијом би се претворила у око 0,7 kWh/kg водоника. Да бисмо ово ставили у перспективу, потражња за електричном енергијом електролитичке ћелије је око 50-55 kWh/kg, тако да чак и у најгорем случају, потражња за енергијом за десалинизацију је око 1% укупног уноса енергије у систем.
Један од изазова десалинизације је одлагање слане воде, што може имати утицај на локалне морске екосистеме. Ова слана вода се може даље третирати како би се смањио њен утицај на животну средину, чиме се трошковима воде додаје додатних 0,6-2,40 долара/м³. Поред тога, квалитет воде добијене електролитичким поступцима је строжији од квалитета воде за пиће и може довести до виших трошкова пречишћавања, али се и даље очекује да ће то бити мало у поређењу са утрошеном енергијом.
Водни отисак електролитичке воде за производњу водоника је веома специфичан параметар локације који зависи од локалне доступности воде, потрошње, деградације и загађења. Треба узети у обзир равнотежу екосистема и утицај дугорочних климатских трендова. Потрошња воде ће бити главна препрека за повећање производње обновљивог водоника.
Време објаве: 08.03.2023.