Kiasi gani cha maji kinachotumiwa na electrolysis
Hatua ya kwanza: Uzalishaji wa hidrojeni
Matumizi ya maji hutokana na hatua mbili: uzalishaji wa hidrojeni na uzalishaji wa nishati ya mto. Kwa uzalishaji wa hidrojeni, matumizi ya chini kabisa ya maji yaliyotengenezwa kwa umeme ni takriban kilo 9 za maji kwa kila kilo ya hidrojeni. Hata hivyo, kwa kuzingatia mchakato wa kuondoa madini katika maji, uwiano huu unaweza kuanzia kilo 18 hadi 24 za maji kwa kila kilo ya hidrojeni, au hata juu kama 25.7 hadi 30.2..
Kwa mchakato uliopo wa uzalishaji (urekebishaji wa mvuke wa methane), kiwango cha chini cha matumizi ya maji ni 4.5kgH2O/kgH2 (inahitajika kwa mmenyuko), kwa kuzingatia maji ya mchakato na upoezaji, kiwango cha chini cha matumizi ya maji ni 6.4-32.2kgH2O/kgH2.
Hatua ya 2: Vyanzo vya nishati (umeme mbadala au gesi asilia)
Kipengele kingine ni matumizi ya maji ili kuzalisha umeme unaoweza kutumika tena na gesi asilia. Matumizi ya maji ya nguvu ya volteji hutofautiana kati ya lita 50-400 /MWh (2.4-19kgH2O/kgH2) na yale ya nguvu ya upepo kati ya lita 5-45 /MWh (0.2-2.1kgH2O/kgH2). Vile vile, uzalishaji wa gesi kutoka kwa gesi ya shale (kulingana na data ya Marekani) unaweza kuongezeka kutoka 1.14kgH2O/kgH2 hadi 4.9kgH2O/kgH2.
Kwa kumalizia, wastani wa matumizi ya maji ya hidrojeni yanayotokana na uzalishaji wa umeme wa photovoltaic na uzalishaji wa umeme wa upepo ni takriban 32 na 22kgH2O/kgH2, mtawalia. Kutokuwa na uhakika kunatokana na mionzi ya jua, muda wa matumizi na kiwango cha silikoni. Matumizi haya ya maji yako katika mpangilio sawa na uzalishaji wa hidrojeni kutoka gesi asilia (7.6-37 kgh2o/kgH2, huku wastani wa 22kgH2O/kgH2).
Jumla ya alama ya maji: Chini wakati wa kutumia nishati mbadala
Sawa na uzalishaji wa CO2, sharti la kiwango cha chini cha maji kwa njia za elektroliti ni matumizi ya vyanzo vya nishati mbadala. Ikiwa ni sehemu ndogo tu ya umeme huzalishwa kwa kutumia mafuta ya visukuku, matumizi ya maji yanayohusiana na umeme ni makubwa zaidi kuliko maji halisi yanayotumiwa wakati wa uchakataji wa elektroliti.
Kwa mfano, uzalishaji wa umeme wa gesi unaweza kutumia hadi lita 2,500 /MWh ya maji. Pia ni mfano bora kwa mafuta ya visukuku (gesi asilia). Ikiwa gesi ya makaa ya mawe itazingatiwa, uzalishaji wa hidrojeni unaweza kutumia 31-31.8kgH2O/kgH2 na uzalishaji wa makaa ya mawe unaweza kutumia 14.7kgH2O/kgH2. Matumizi ya maji kutoka kwa voltaiki za mwanga na upepo pia yanatarajiwa kupungua baada ya muda kadri michakato ya utengenezaji inavyozidi kuwa na ufanisi zaidi na uzalishaji wa nishati kwa kila kitengo cha uwezo uliowekwa unaboreka.
Jumla ya matumizi ya maji mwaka 2050
Dunia inatarajiwa kutumia hidrojeni mara nyingi zaidi katika siku zijazo kuliko ilivyo leo. Kwa mfano, Mtazamo wa Mabadiliko ya Nishati Duniani wa IRENA unakadiria kwamba mahitaji ya hidrojeni mwaka wa 2050 yatakuwa takriban 74EJ, ambapo karibu theluthi mbili yatatokana na hidrojeni mbadala. Kwa kulinganisha, leo (hidrojeni safi) ni 8.4EJ.
Hata kama hidrojeni ya kielektroniki ingeweza kukidhi mahitaji ya hidrojeni kwa mwaka mzima wa 2050, matumizi ya maji yangekuwa takriban mita za ujazo bilioni 25. Mchoro ulio hapa chini unalinganisha takwimu hii na mito mingine ya matumizi ya maji yaliyotengenezwa na binadamu. Kilimo hutumia kiasi kikubwa zaidi cha mita za ujazo bilioni 280 za maji, huku sekta ya viwanda ikitumia karibu mita za ujazo bilioni 800 na miji hutumia mita za ujazo bilioni 470. Matumizi ya sasa ya maji ya mageuzi ya gesi asilia na gesi ya makaa ya mawe kwa ajili ya uzalishaji wa hidrojeni ni takriban mita za ujazo bilioni 1.5.
Kwa hivyo, ingawa kiasi kikubwa cha maji kinatarajiwa kutumiwa kutokana na mabadiliko katika njia za elektroliti na mahitaji yanayoongezeka, matumizi ya maji kutokana na uzalishaji wa hidrojeni bado yatakuwa madogo sana kuliko mtiririko mwingine unaotumiwa na wanadamu. Jambo lingine la marejeleo ni kwamba matumizi ya maji kwa kila mtu ni kati ya mita za ujazo 75 (Luxembourg) na 1,200 (Marekani) kwa mwaka. Kwa wastani wa mita za ujazo 400 / (kwa kila mtu * mwaka), jumla ya uzalishaji wa hidrojeni mwaka wa 2050 ni sawa na ile ya nchi yenye watu milioni 62.
Kiasi gani cha maji kinagharimu na kiasi gani cha nishati kinatumika
gharama
Seli za elektroliti zinahitaji maji ya ubora wa juu na zinahitaji matibabu ya maji. Maji ya ubora wa chini husababisha uharibifu wa haraka na maisha mafupi. Vipengele vingi, ikiwa ni pamoja na diaphragms na vichocheo vinavyotumika katika alkali, pamoja na utando na tabaka za usafirishaji zenye vinyweleo vya PEM, vinaweza kuathiriwa vibaya na uchafu wa maji kama vile chuma, kromiamu, shaba, n.k. Upitishaji wa maji unahitajika kuwa chini ya 1μS/cm na jumla ya kaboni kikaboni chini ya 50μg/L.
Maji huchangia sehemu ndogo ya matumizi na gharama za nishati. Hali mbaya zaidi kwa vigezo vyote viwili ni kuondoa chumvi kwenye maji. Osmosis ya kinyume ndiyo teknolojia kuu ya kuondoa chumvi kwenye maji, ikichangia karibu asilimia 70 ya uwezo wa kimataifa. Teknolojia hii inagharimu $1900- $2000 / m³/siku na ina kiwango cha kujifunza cha 15%. Kwa gharama hii ya uwekezaji, gharama ya matibabu ni takriban $1 / m³, na inaweza kuwa chini katika maeneo ambayo gharama za umeme ni za chini.
Zaidi ya hayo, gharama za usafirishaji zitaongezeka kwa takriban $1-2 kwa kila mita ya ujazo. Hata katika hali hii, gharama za matibabu ya maji ni takriban $0.05/kgH2. Ili kuweka hili katika mtazamo, gharama ya hidrojeni mbadala inaweza kuwa $2-3/kgH2 ikiwa rasilimali nzuri mbadala zinapatikana, huku gharama ya rasilimali ya wastani ikiwa $4-5/kgH2.
Kwa hivyo katika hali hii ya kihafidhina, maji yangegharimu chini ya asilimia 2 ya jumla. Matumizi ya maji ya bahari yanaweza kuongeza kiasi cha maji yanayopatikana kwa mara 2.5 hadi 5 (kwa upande wa kipengele cha urejeshaji).
Matumizi ya nishati
Ukiangalia matumizi ya nishati ya kuondoa chumvi kwenye seli, pia ni ndogo sana ikilinganishwa na kiasi cha umeme kinachohitajika kuingiza seli ya elektroliti. Kitengo cha sasa cha osmosis kinachofanya kazi hutumia takriban 3.0 kW/m3. Kwa upande mwingine, mitambo ya kuondoa chumvi kwenye mafuta ina matumizi ya juu zaidi ya nishati, kuanzia 40 hadi 80 KWH/m3, huku mahitaji ya ziada yakiwa kuanzia 2.5 hadi 5 KWH/m3, kulingana na teknolojia ya kuondoa chumvi kwenye seli. Kwa mfano, kwa kuzingatia matumizi ya pampu ya joto, mahitaji ya nishati yangebadilishwa kuwa takriban 0.7kWh/kg ya hidrojeni. Ili kuweka hili katika mtazamo, mahitaji ya umeme ya seli ya elektroliti ni takriban 50-55kWh/kg, kwa hivyo hata katika hali mbaya zaidi, mahitaji ya nishati ya kuondoa chumvi kwenye seli ni takriban 1% ya jumla ya nishati inayoingia kwenye mfumo.
Changamoto moja ya kuondoa chumvi kwenye maji ni utupaji wa maji ya chumvi, ambayo yanaweza kuwa na athari kwenye mifumo ikolojia ya Baharini ya eneo hilo. Chumvi hii ya chumvi inaweza kutibiwa zaidi ili kupunguza athari zake za kimazingira, hivyo kuongeza $0.6-2.40/m³ nyingine kwa gharama ya maji. Zaidi ya hayo, ubora wa maji ya elektroliti ni mgumu zaidi kuliko maji ya kunywa na unaweza kusababisha gharama kubwa za matibabu, lakini hii bado inatarajiwa kuwa ndogo ikilinganishwa na pembejeo ya umeme.
Kiwango cha maji cha maji ya elektroliti kwa ajili ya uzalishaji wa hidrojeni ni kigezo maalum cha eneo ambacho kinategemea upatikanaji wa maji, matumizi, uharibifu na uchafuzi wa mazingira wa eneo husika. Uwiano wa mifumo ikolojia na athari za mitindo ya hali ya hewa ya muda mrefu unapaswa kuzingatiwa. Matumizi ya maji yatakuwa kikwazo kikubwa katika kuongeza hidrojeni mbadala.
Muda wa chapisho: Machi-08-2023