การอิเล็กโทรไลซิสใช้ปริมาณน้ำเท่าไร ?

ปริมาณน้ำที่ถูกอิเล็กโทรไลซิสใช้ไปเท่าไร

ขั้นตอนที่ 1: การผลิตไฮโดรเจน

การใช้น้ำมาจาก 2 ขั้นตอน ได้แก่ การผลิตไฮโดรเจนและการผลิตตัวพาพลังงานต้นน้ำ สำหรับการผลิตไฮโดรเจน การใช้น้ำอิเล็กโทรไลต์ขั้นต่ำอยู่ที่ประมาณ 9 กิโลกรัมต่อไฮโดรเจน 1 กิโลกรัม อย่างไรก็ตาม หากคำนึงถึงกระบวนการกำจัดแร่ธาตุในน้ำ อัตราส่วนนี้อาจอยู่ระหว่าง 18 ถึง 24 กิโลกรัมต่อไฮโดรเจน 1 กิโลกรัม หรืออาจสูงถึง 25.7 ถึง 30.2 กิโลกรัม.

 

สำหรับกระบวนการผลิตที่มีอยู่ (การปฏิรูปไอน้ำมีเทน) การใช้น้ำขั้นต่ำคือ 4.5kgH2O/kgH2 (จำเป็นสำหรับปฏิกิริยา) โดยคำนึงถึงน้ำกระบวนการและการระบายความร้อน การใช้น้ำขั้นต่ำคือ 6.4-32.2kgH2O/kgH2

 

ขั้นตอนที่ 2 : แหล่งพลังงาน (ไฟฟ้าหมุนเวียนหรือก๊าซธรรมชาติ)

องค์ประกอบอีกประการหนึ่งคือการใช้น้ำเพื่อผลิตไฟฟ้าหมุนเวียนและก๊าซธรรมชาติ การใช้น้ำของพลังงานแสงอาทิตย์อยู่ระหว่าง 50-400 ลิตร/MWh (2.4-19kgH2O/kgH2) และการใช้น้ำของพลังงานลมอยู่ระหว่าง 5-45 ลิตร/MWh (0.2-2.1kgH2O/kgH2) ในทำนองเดียวกัน การผลิตก๊าซจากก๊าซหินดินดาน (ตามข้อมูลของสหรัฐอเมริกา) สามารถเพิ่มขึ้นจาก 1.14kgH2O/kgH2 เป็น 4.9kgH2O/kgH2

 

สรุปได้ว่าปริมาณการใช้น้ำโดยรวมโดยเฉลี่ยของไฮโดรเจนที่ผลิตได้จากการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมอยู่ที่ประมาณ 32 และ 22kgH2O/kgH2 ตามลำดับ ความไม่แน่นอนมาจากรังสีดวงอาทิตย์ อายุการใช้งาน และปริมาณซิลิกอน ปริมาณการใช้น้ำนี้อยู่ในระดับเดียวกับการผลิตไฮโดรเจนจากก๊าซธรรมชาติ (7.6-37 kgh2o /kgH2 โดยมีค่าเฉลี่ยอยู่ที่ 22kgH2O/kgH2)

 

ปริมาณการใช้น้ำรวม: ลดลงเมื่อใช้พลังงานหมุนเวียน

การใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียนเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการใช้น้ำในปริมาณต่ำสำหรับกระบวนการผลิตไฟฟ้าด้วยไฟฟ้า ซึ่งคล้ายคลึงกับการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ หากใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลในการผลิตไฟฟ้าเพียงเศษเสี้ยวเล็กน้อย การใช้น้ำที่เกี่ยวข้องกับการผลิตไฟฟ้าจะสูงกว่าการใช้น้ำจริงในกระบวนการไฟฟ้าด้วยไฟฟ้ามาก

 

ตัวอย่างเช่น การผลิตไฟฟ้าจากก๊าซสามารถใช้น้ำได้มากถึง 2,500 ลิตร/MWh นอกจากนี้ยังเป็นกรณีที่ดีที่สุดสำหรับเชื้อเพลิงฟอสซิล (ก๊าซธรรมชาติ) หากพิจารณาถึงการเปลี่ยนถ่านหินให้เป็นก๊าซ การผลิตไฮโดรเจนสามารถใช้น้ำได้ 31-31.8kgH2O/kgH2 และการผลิตถ่านหินสามารถใช้น้ำได้ 14.7kgH2O/kgH2 คาดว่าการใช้น้ำจากพลังงานแสงอาทิตย์และลมจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป เนื่องจากกระบวนการผลิตมีประสิทธิภาพมากขึ้น และผลผลิตพลังงานต่อหน่วยกำลังการผลิตติดตั้งดีขึ้น

 

ปริมาณการใช้น้ำรวมในปี 2593

คาดว่าโลกจะใช้ไฮโดรเจนมากขึ้นในอนาคตมากกว่าปัจจุบันหลายเท่า ตัวอย่างเช่น World Energy Transitions Outlook ของ IRENA คาดการณ์ว่าความต้องการไฮโดรเจนในปี 2050 จะอยู่ที่ประมาณ 74 EJ โดยประมาณสองในสามจะมาจากไฮโดรเจนหมุนเวียน เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว ปัจจุบัน (ไฮโดรเจนบริสุทธิ์) อยู่ที่ 8.4 EJ

 

แม้ว่าไฮโดรเจนอิเล็กโทรไลต์จะสามารถตอบสนองความต้องการไฮโดรเจนได้ตลอดปี 2050 การใช้น้ำก็จะอยู่ที่ประมาณ 25 พันล้านลูกบาศก์เมตร ตัวเลขด้านล่างนี้เปรียบเทียบตัวเลขนี้กับกระแสน้ำที่มนุษย์สร้างขึ้นอื่นๆ เกษตรกรรมใช้น้ำมากที่สุดที่ 280 พันล้านลูกบาศก์เมตร ในขณะที่อุตสาหกรรมใช้เกือบ 800 พันล้านลูกบาศก์เมตร และเมืองใช้ 470 พันล้านลูกบาศก์เมตร ปริมาณการใช้น้ำปัจจุบันสำหรับการปฏิรูปก๊าซธรรมชาติและการเปลี่ยนถ่านหินเป็นก๊าซเพื่อการผลิตไฮโดรเจนอยู่ที่ประมาณ 1.5 พันล้านลูกบาศก์เมตร

แม้ว่าคาดว่าปริมาณน้ำจะถูกใช้ไปเป็นจำนวนมากเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของเส้นทางอิเล็กโทรไลต์และความต้องการที่เพิ่มขึ้น แต่การบริโภคน้ำจากการผลิตไฮโดรเจนจะยังคงน้อยกว่าการไหลของน้ำอื่นๆ ที่มนุษย์ใช้มาก จุดอ้างอิงอีกประการหนึ่งคือการบริโภคน้ำต่อหัวอยู่ระหว่าง 75 ลูกบาศก์เมตร (ลักเซมเบิร์ก) ถึง 1,200 ลูกบาศก์เมตร (สหรัฐอเมริกา) ต่อปี โดยเฉลี่ยแล้ว 400 ลูกบาศก์เมตร (ต่อหัว * ปี) การผลิตไฮโดรเจนทั้งหมดในปี 2050 เทียบเท่ากับประเทศที่มีประชากร 62 ล้านคน

 

ค่าน้ำเท่าไร และใช้พลังงานเท่าไร

 

ค่าใช้จ่าย

เซลล์อิเล็กโทรไลต์ต้องการน้ำที่มีคุณภาพสูงและต้องผ่านการบำบัดน้ำ น้ำที่มีคุณภาพต่ำกว่าจะเสื่อมสภาพเร็วขึ้นและมีอายุการใช้งานสั้นลง ธาตุหลายชนิด เช่น ไดอะแฟรมและตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในด่าง ตลอดจนเมมเบรนและชั้นขนส่งที่มีรูพรุนของ PEM อาจได้รับผลกระทบเชิงลบจากสิ่งเจือปนในน้ำ เช่น เหล็ก โครเมียม ทองแดง เป็นต้น จำเป็นต้องมีค่าการนำไฟฟ้าของน้ำน้อยกว่า 1μS/cm และคาร์บอนอินทรีย์รวมน้อยกว่า 50μg/L

 

น้ำมีสัดส่วนการบริโภคพลังงานและต้นทุนค่อนข้างน้อย สถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุดสำหรับทั้งสองพารามิเตอร์คือการแยกเกลือออกจากน้ำ เทคโนโลยีออสโมซิสย้อนกลับเป็นเทคโนโลยีหลักในการแยกเกลือออกจากน้ำ คิดเป็นเกือบ 70 เปอร์เซ็นต์ของกำลังการผลิตทั่วโลก เทคโนโลยีนี้มีค่าใช้จ่าย 1,900-2,000 ดอลลาร์สหรัฐ/ม.3/วัน และมีอัตราการเรียนรู้เส้นโค้ง 15% ด้วยต้นทุนการลงทุนนี้ ต้นทุนการบำบัดจะอยู่ที่ประมาณ 1 ดอลลาร์สหรัฐ/ม.3 และอาจต่ำกว่านี้ในพื้นที่ที่ต้นทุนไฟฟ้าต่ำ

 

นอกจากนี้ ต้นทุนการขนส่งจะเพิ่มขึ้นประมาณ 1-2 เหรียญสหรัฐฯ ต่อลูกบาศก์เมตร แม้แต่ในกรณีนี้ ต้นทุนการบำบัดน้ำก็อยู่ที่ประมาณ 0.05 เหรียญสหรัฐฯ ต่อกิโลกรัมต่อชั่วโมง หากพิจารณาให้ดี ต้นทุนของไฮโดรเจนหมุนเวียนอาจอยู่ที่ 2-3 เหรียญสหรัฐฯ ต่อกิโลกรัมต่อชั่วโมง หากมีทรัพยากรหมุนเวียนที่ดี ในขณะที่ต้นทุนของทรัพยากรเฉลี่ยอยู่ที่ 4-5 เหรียญสหรัฐฯ ต่อกิโลกรัมต่อชั่วโมง

 

ดังนั้นในสถานการณ์ที่อนุรักษ์นิยมนี้ น้ำจะมีราคาต่ำกว่า 2 เปอร์เซ็นต์ของทั้งหมด การใช้น้ำทะเลสามารถเพิ่มปริมาณน้ำที่กู้คืนได้ 2.5 ถึง 5 เท่า (ในแง่ของปัจจัยการกู้คืน)

 

การบริโภคพลังงาน

เมื่อพิจารณาการใช้พลังงานของการแยกเกลือออกจากน้ำแล้ว จะเห็นว่าน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาณไฟฟ้าที่จำเป็นในการป้อนเซลล์อิเล็กโทรไลต์ หน่วยรีเวิร์สออสโมซิสที่ทำงานอยู่ในปัจจุบันใช้พลังงานประมาณ 3.0 กิโลวัตต์ต่อลูกบาศก์เมตร ในทางตรงกันข้าม โรงงานแยกเกลือออกจากน้ำด้วยความร้อนมีการใช้พลังงานที่สูงกว่ามาก โดยอยู่ระหว่าง 40 ถึง 80 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตร โดยมีความต้องการพลังงานเพิ่มเติมอยู่ระหว่าง 2.5 ถึง 5 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตร ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีการแยกเกลือออกจากน้ำ หากใช้กรณีอนุรักษ์นิยม (เช่น ความต้องการพลังงานที่สูงขึ้น) ของโรงงานผลิตไฟฟ้าร่วมเป็นตัวอย่าง โดยสมมติว่าใช้ปั๊มความร้อน ความต้องการพลังงานจะถูกแปลงเป็นไฮโดรเจนประมาณ 0.7 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อกิโลกรัม เมื่อพิจารณาจากมุมมองนี้ ความต้องการไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรไลต์อยู่ที่ประมาณ 50-55 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อกิโลกรัม ดังนั้นแม้ในสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด ความต้องการพลังงานสำหรับการแยกเกลือออกจากน้ำจะอยู่ที่ประมาณ 1% ของพลังงานทั้งหมดที่ป้อนเข้าระบบ

 

ความท้าทายประการหนึ่งของการแยกเกลือออกจากน้ำคือการกำจัดน้ำเค็มซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศทางทะเลในพื้นที่ น้ำเกลือสามารถนำไปบำบัดเพิ่มเติมเพื่อลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ทำให้ต้นทุนน้ำเพิ่มขึ้นอีก 0.6-2.40 เหรียญสหรัฐฯ ต่อลูกบาศก์เมตร นอกจากนี้ คุณภาพของน้ำอิเล็กโทรไลต์ยังเข้มงวดกว่าน้ำดื่มและอาจส่งผลให้ต้นทุนการบำบัดสูงขึ้น แต่คาดว่าจะยังคงไม่สูงเมื่อเทียบกับการใช้พลังงานไฟฟ้า

ปริมาณการใช้น้ำของน้ำอิเล็กโทรไลต์สำหรับการผลิตไฮโดรเจนเป็นพารามิเตอร์เฉพาะที่ขึ้นอยู่กับความพร้อมใช้ของน้ำในท้องถิ่น การบริโภค การย่อยสลาย และมลพิษ ควรพิจารณาความสมดุลของระบบนิเวศและผลกระทบของแนวโน้มสภาพอากาศในระยะยาว การใช้น้ำจะเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการขยายขนาดไฮโดรเจนหมุนเวียน