กระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าใช้ปริมาณน้ำเท่าไร?

กระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าใช้น้ำปริมาณเท่าใด

ขั้นตอนที่หนึ่ง: การผลิตไฮโดรเจน

การใช้น้ำมาจากสองขั้นตอน ได้แก่ การผลิตไฮโดรเจนและการผลิตตัวนำพลังงานต้นน้ำ สำหรับการผลิตไฮโดรเจน ปริมาณการใช้น้ำที่ผ่านกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสขั้นต่ำอยู่ที่ประมาณ 9 กิโลกรัมของน้ำต่อไฮโดรเจน 1 กิโลกรัม อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาถึงกระบวนการกำจัดแร่ธาตุออกจากน้ำ อัตราส่วนนี้อาจอยู่ในช่วง 18 ถึง 24 กิโลกรัมของน้ำต่อไฮโดรเจน 1 กิโลกรัม หรืออาจสูงถึง 25.7 ถึง 30.2 กิโลกรัม.

 

สำหรับกระบวนการผลิตที่มีอยู่ (การปฏิรูปไอน้ำมีเทน) ปริมาณการใช้น้ำขั้นต่ำคือ 4.5 กก.H2O/กก.H2 (ที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยา) เมื่อรวมน้ำในกระบวนการและระบบทำความเย็นแล้ว ปริมาณการใช้น้ำขั้นต่ำจะอยู่ที่ 6.4-32.2 กก.H2O/กก.H2

 

ขั้นตอนที่ 2: แหล่งพลังงาน (ไฟฟ้าหมุนเวียนหรือก๊าซธรรมชาติ)

อีกองค์ประกอบหนึ่งคือการใช้น้ำในการผลิตไฟฟ้าหมุนเวียนและก๊าซธรรมชาติ การใช้น้ำในการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์แตกต่างกันไปตั้งแต่ 50-400 ลิตร/เมกะวัตต์ชั่วโมง (2.4-19 กิโลกรัมน้ำ/กิโลกรัมไฮโดรเจน) และการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลมแตกต่างกันไปตั้งแต่ 5-45 ลิตร/เมกะวัตต์ชั่วโมง (0.2-2.1 กิโลกรัมน้ำ/กิโลกรัมไฮโดรเจน) ในทำนองเดียวกัน การผลิตก๊าซจากหินดินดาน (อ้างอิงจากข้อมูลของสหรัฐอเมริกา) สามารถเพิ่มขึ้นจาก 1.14 กิโลกรัมน้ำ/กิโลกรัมไฮโดรเจน เป็น 4.9 กิโลกรัมน้ำ/กิโลกรัมไฮโดรเจนได้

 

โดยสรุป ปริมาณน้ำที่ใช้โดยเฉลี่ยทั้งหมดในการผลิตไฮโดรเจนจากพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมอยู่ที่ประมาณ 32 และ 22 กิโลกรัม H2O/กิโลกรัม H2 ตามลำดับ ความไม่แน่นอนเกิดจากรังสีแสงอาทิตย์ อายุการใช้งาน และปริมาณซิลิคอน ปริมาณน้ำที่ใช้นี้อยู่ในระดับเดียวกับการผลิตไฮโดรเจนจากก๊าซธรรมชาติ (7.6-37 กิโลกรัม H2O/กิโลกรัม H2 โดยเฉลี่ย 22 กิโลกรัม H2O/กิโลกรัม H2)

 

ปริมาณการใช้น้ำโดยรวม: ลดลงเมื่อใช้พลังงานหมุนเวียน

เช่นเดียวกับการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการใช้น้ำในปริมาณน้อยสำหรับกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าคือการใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียน หากไฟฟ้าที่ผลิตโดยใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลมีเพียงส่วนน้อย การใช้น้ำที่เกี่ยวข้องกับการผลิตไฟฟ้าจะสูงกว่าปริมาณน้ำที่ใช้จริงในกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้ามาก

 

ตัวอย่างเช่น การผลิตไฟฟ้าด้วยก๊าซธรรมชาติสามารถใช้น้ำได้มากถึง 2,500 ลิตรต่อเมกะวัตต์ชั่วโมง (MWh) ซึ่งเป็นกรณีที่ดีที่สุดสำหรับเชื้อเพลิงฟอสซิล (ก๊าซธรรมชาติ) หากพิจารณาการผลิตไฮโดรเจนจากถ่านหิน จะใช้น้ำ 31-31.8 กิโลกรัม H2O ต่อกิโลกรัม H2 ในขณะที่การผลิตจากถ่านหินจะใช้น้ำ 14.7 กิโลกรัม H2O ต่อกิโลกรัม H2 นอกจากนี้ คาดว่าการใช้น้ำจากพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป เนื่องจากกระบวนการผลิตมีประสิทธิภาพมากขึ้นและผลผลิตพลังงานต่อหน่วยของกำลังการผลิตที่ติดตั้งดีขึ้น

 

ปริมาณการใช้น้ำทั้งหมดในปี 2050

คาดการณ์ว่าในอนาคตโลกจะใช้ไฮโดรเจนมากกว่าปัจจุบันหลายเท่าตัว ตัวอย่างเช่น รายงาน World Energy Transitions Outlook ของ IRENA ประมาณการว่าความต้องการไฮโดรเจนในปี 2050 จะอยู่ที่ประมาณ 74 EJ ซึ่งประมาณสองในสามจะมาจากไฮโดรเจนหมุนเวียน ในขณะที่ปัจจุบัน (ไฮโดรเจนบริสุทธิ์) มีความต้องการอยู่ที่ 8.4 EJ

 

แม้ว่าไฮโดรเจนที่ผลิตด้วยกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสจะสามารถตอบสนองความต้องการไฮโดรเจนได้ตลอดปี 2050 การใช้น้ำก็ยังคงอยู่ที่ประมาณ 25 พันล้านลูกบาศก์เมตร ภาพด้านล่างเปรียบเทียบตัวเลขนี้กับการใช้น้ำจากกิจกรรมอื่นๆ ของมนุษย์ ภาคเกษตรกรรมใช้น้ำมากที่สุดถึง 280 พันล้านลูกบาศก์เมตร รองลงมาคือภาคอุตสาหกรรมที่ใช้น้ำเกือบ 800 พันล้านลูกบาศก์เมตร และเมืองต่างๆ ใช้น้ำ 470 พันล้านลูกบาศก์เมตร ปัจจุบันการใช้น้ำในการผลิตไฮโดรเจนโดยกระบวนการปฏิรูปก๊าซธรรมชาติและการเปลี่ยนถ่านหินเป็นก๊าซอยู่ที่ประมาณ 1.5 พันล้านลูกบาศก์เมตร

ดังนั้น แม้ว่าจะคาดการณ์ว่าจะมีการใช้น้ำปริมาณมากเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสและความต้องการที่เพิ่มขึ้น แต่การใช้น้ำจากการผลิตไฮโดรเจนจะยังคงน้อยกว่าการใช้น้ำในรูปแบบอื่นๆ ของมนุษย์มาก อีกประเด็นหนึ่งคือ การใช้น้ำต่อหัวต่อปีอยู่ที่ระหว่าง 75 (ลักเซมเบิร์ก) ถึง 1,200 ลูกบาศก์เมตร (สหรัฐอเมริกา) ต่อปี โดยเฉลี่ยที่ 400 ลูกบาศก์เมตรต่อหัวต่อปี การผลิตไฮโดรเจนทั้งหมดในปี 2050 จะเทียบเท่ากับปริมาณการใช้น้ำของประเทศที่มีประชากร 62 ล้านคน

 

น้ำมีราคาเท่าไหร่ และใช้พลังงานเท่าไหร่

 

ค่าใช้จ่าย

เซลล์อิเล็กโทรไลติกต้องการน้ำคุณภาพสูงและต้องผ่านกระบวนการบำบัดน้ำ น้ำคุณภาพต่ำจะทำให้เกิดการเสื่อมสภาพเร็วขึ้นและมีอายุการใช้งานสั้นลง องค์ประกอบหลายอย่าง รวมถึงไดอะแฟรมและตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในระบบด่าง ตลอดจนเมมเบรนและชั้นขนส่งที่มีรูพรุนของ PEM อาจได้รับผลกระทบในทางลบจากสิ่งเจือปนในน้ำ เช่น เหล็ก โครเมียม ทองแดง เป็นต้น ค่าการนำไฟฟ้าของน้ำต้องน้อยกว่า 1 μS/cm และปริมาณคาร์บอนอินทรีย์ทั้งหมดต้องน้อยกว่า 50 μg/L

 

น้ำมีสัดส่วนค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับการใช้พลังงานและค่าใช้จ่ายทั้งหมด สถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุดสำหรับทั้งสองพารามิเตอร์คือการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเล เทคโนโลยีรีเวิร์สออสโมซิสเป็นเทคโนโลยีหลักในการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเล โดยคิดเป็นเกือบ 70 เปอร์เซ็นต์ของกำลังการผลิตทั่วโลก เทคโนโลยีนี้มีต้นทุน 1900-2000 ดอลลาร์สหรัฐต่อลูกบาศก์เมตรต่อวัน และมีอัตราการเรียนรู้ 15% ด้วยต้นทุนการลงทุนนี้ ต้นทุนการบำบัดจะอยู่ที่ประมาณ 1 ดอลลาร์สหรัฐต่อลูกบาศก์เมตร และอาจต่ำกว่านี้ในพื้นที่ที่มีต้นทุนค่าไฟฟ้าต่ำ

 

นอกจากนี้ ค่าขนส่งจะเพิ่มขึ้นประมาณ 1-2 ดอลลาร์ต่อลูกบาศก์เมตร แม้ในกรณีนี้ ค่าใช้จ่ายในการบำบัดน้ำจะอยู่ที่ประมาณ 0.05 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัมไฮโดรเจน เพื่อให้เห็นภาพชัดเจนขึ้น ต้นทุนของไฮโดรเจนหมุนเวียนอาจอยู่ที่ 2-3 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัมไฮโดรเจน หากมีแหล่งทรัพยากรหมุนเวียนที่ดี ในขณะที่ต้นทุนของทรัพยากรโดยเฉลี่ยอยู่ที่ 4-5 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัมไฮโดรเจน

 

ดังนั้น ในสถานการณ์ที่คาดการณ์อย่างระมัดระวังนี้ ค่าใช้จ่ายด้านน้ำจะน้อยกว่า 2 เปอร์เซ็นต์ของค่าใช้จ่ายทั้งหมด การใช้น้ำทะเลสามารถเพิ่มปริมาณน้ำที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ 2.5 ถึง 5 เท่า (ในแง่ของปัจจัยการนำกลับมาใช้ใหม่)

 

การใช้พลังงาน

เมื่อพิจารณาถึงการใช้พลังงานในการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเล จะพบว่ามีปริมาณน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาณไฟฟ้าที่จำเป็นในการป้อนเข้าสู่เซลล์อิเล็กโทรไลต์ หน่วยรีเวิร์สออสโมซิสที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบันใช้พลังงานประมาณ 3.0 กิโลวัตต์ต่อลูกบาศก์เมตร ในทางตรงกันข้าม โรงงานผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลด้วยความร้อนมีการใช้พลังงานสูงกว่ามาก โดยมีช่วงตั้งแต่ 40 ถึง 80 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตร และมีความต้องการพลังงานเพิ่มเติมอีก 2.5 ถึง 5 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตร ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเล ยกตัวอย่างเช่น ในกรณีที่ใช้พลังงานน้อยที่สุด (เช่น ความต้องการพลังงานสูงกว่า) ของโรงงานผลิตพลังงานร่วม โดยใช้ปั๊มความร้อน ความต้องการพลังงานจะแปลงเป็นประมาณ 0.7 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อกิโลกรัมของไฮโดรเจน เพื่อให้เห็นภาพชัดเจน ความต้องการไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรไลต์อยู่ที่ประมาณ 50-55 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อกิโลกรัม ดังนั้นแม้ในกรณีที่แย่ที่สุด ความต้องการพลังงานสำหรับการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลก็คิดเป็นเพียงประมาณ 1% ของพลังงานทั้งหมดที่ป้อนเข้าสู่ระบบ

 

ความท้าทายอย่างหนึ่งของการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลคือการกำจัดน้ำเค็ม ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศทางทะเลในท้องถิ่น น้ำเค็มนี้สามารถนำไปบำบัดเพิ่มเติมเพื่อลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งจะทำให้ต้นทุนน้ำเพิ่มขึ้นอีก 0.6-2.40 ดอลลาร์สหรัฐต่อลูกบาศก์เมตร นอกจากนี้ คุณภาพน้ำที่ได้จากกระบวนการแยกด้วยไฟฟ้ามีความเข้มงวดมากกว่าน้ำดื่ม และอาจส่งผลให้ต้นทุนการบำบัดสูงขึ้น แต่คาดว่าต้นทุนส่วนนี้จะยังน้อยเมื่อเทียบกับพลังงานที่ใช้ไป

ปริมาณการใช้น้ำในการผลิตไฮโดรเจนด้วยกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสเป็นพารามิเตอร์เฉพาะพื้นที่ที่ขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำ การบริโภค การเสื่อมโทรม และมลพิษในท้องถิ่น ควรพิจารณาถึงความสมดุลของระบบนิเวศและผลกระทบจากแนวโน้มสภาพภูมิอากาศในระยะยาวด้วย การบริโภคน้ำจะเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการขยายขนาดการผลิตไฮโดรเจนจากพลังงานหมุนเวียน