Elektrolizde ne kadar su tüketilir?

Elektrolizle ne kadar su tüketilir?

Birinci adım: Hidrojen üretimi

Su tüketimi iki aşamadan oluşur: hidrojen üretimi ve yukarı akış enerji taşıyıcısı üretimi. Hidrojen üretimi için, elektrolize suyun minimum tüketimi, kilogram başına yaklaşık 9 kilogram sudur. Ancak, suyun demineralizasyon süreci hesaba katıldığında, bu oran kilogram başına 18 ila 24 kilogram su arasında değişebilir veya hatta 25,7 ila 30,2 kadar yüksek olabilir..

 

Mevcut üretim prosesinde (metan buhar reformu) minimum su tüketimi 4,5kgH2O/kgH2 (reaksiyon için gerekli) olup, proses suyu ve soğutma da hesaba katıldığında minimum su tüketimi 6,4-32,2kgH2O/kgH2'dir.

 

Adım 2: Enerji kaynakları (yenilenebilir elektrik veya doğal gaz)

Bir diğer bileşen ise yenilenebilir elektrik ve doğal gaz üretmek için su tüketimidir. Fotovoltaik gücün su tüketimi 50-400 litre/MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) arasında, rüzgar gücünün ise 5-45 litre/MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2) arasında değişmektedir. Benzer şekilde, kaya gazından gaz üretimi (ABD verilerine göre) 1,14kgH2O/kgH2'den 4,9kgH2O/kgH2'ye çıkarılabilir.

 

Sonuç olarak, fotovoltaik güç üretimi ve rüzgar gücü üretimi tarafından üretilen hidrojenin ortalama toplam su tüketimi sırasıyla yaklaşık 32 ve 22 kgH2O/kgH2'dir. Belirsizlikler güneş radyasyonundan, ömürden ve silikon içeriğinden kaynaklanmaktadır. Bu su tüketimi, doğal gazdan hidrojen üretimiyle aynı büyüklüktedir (7,6-37 kgh2o /kgH2, ortalama 22 kgH2O/kgH2).

 

Toplam su ayak izi: Yenilenebilir enerji kullanıldığında daha düşük

CO2 emisyonlarına benzer şekilde, elektrolitik rotalar için düşük su ayak izinin ön koşulu yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasıdır. Elektriğin yalnızca küçük bir kısmı fosil yakıtlar kullanılarak üretiliyorsa, elektrikle ilişkili su tüketimi elektroliz sırasında tüketilen gerçek sudan çok daha yüksektir.

 

Örneğin, gaz güç üretimi 2.500 litre/MWh'ye kadar su kullanabilir. Ayrıca fosil yakıtlar (doğal gaz) için en iyi durumdur. Kömür gazlaştırması dikkate alınırsa, hidrojen üretimi 31-31,8 kgH2O/kgH2 tüketebilir ve kömür üretimi 14,7 kgH2O/kgH2 tüketebilir. Üretim süreçleri daha verimli hale geldikçe ve kurulu kapasite birimi başına enerji çıktısı iyileştikçe fotovoltaiklerden ve rüzgardan kaynaklanan su tüketiminin de zamanla azalması bekleniyor.

 

2050'de toplam su tüketimi

Dünyanın gelecekte bugün olduğundan çok daha fazla hidrojen kullanması bekleniyor. Örneğin, IRENA'nın Dünya Enerji Geçişleri Görünümü, 2050'de hidrojen talebinin yaklaşık 74EJ olacağını ve bunun yaklaşık üçte ikisinin yenilenebilir hidrojenden geleceğini tahmin ediyor. Karşılaştırmak gerekirse, bugün (saf hidrojen) 8,4EJ'dir.

 

Elektrolitik hidrojen 2050'nin tamamı için hidrojen talebini karşılayabilse bile, su tüketimi yaklaşık 25 milyar metreküp olacaktır. Aşağıdaki rakam bu rakamı diğer insan yapımı su tüketim akışlarıyla karşılaştırmaktadır. Tarım, 280 milyar metreküplük en büyük miktarda suyu kullanırken, endüstri yaklaşık 800 milyar metreküp ve şehirler 470 milyar metreküp kullanmaktadır. Hidrojen üretimi için doğal gaz reformu ve kömür gazlaştırmasının mevcut su tüketimi yaklaşık 1,5 milyar metreküptür.

Bu nedenle, elektrolitik yollardaki değişiklikler ve artan talep nedeniyle büyük miktarda su tüketilmesi beklenmesine rağmen, hidrojen üretiminden kaynaklanan su tüketimi yine de insanların kullandığı diğer akışlardan çok daha küçük olacaktır. Bir diğer referans noktası ise kişi başına düşen su tüketiminin yılda 75 (Lüksemburg) ile 1.200 (ABD) metreküp arasında olmasıdır. Ortalama 400 m3 / (kişi başına * yıl) ile 2050'deki toplam hidrojen üretimi 62 milyonluk bir ülkenin üretimine eşdeğerdir.

 

Suyun maliyeti ne kadar ve ne kadar enerji kullanılıyor?

 

maliyet

Elektrolitik hücreler yüksek kaliteli su gerektirir ve su arıtımı gerektirir. Daha düşük kaliteli su daha hızlı bozulmaya ve daha kısa ömre yol açar. Alkalilerde kullanılan diyaframlar ve katalizörler ile PEM'in membranları ve gözenekli taşıma katmanları dahil olmak üzere birçok element, demir, krom, bakır vb. gibi su safsızlıklarından olumsuz etkilenebilir. Su iletkenliğinin 1μS/cm'den az ve toplam organik karbonun 50μg/L'den az olması gerekir.

 

Su, enerji tüketimi ve maliyetlerin nispeten küçük bir payını oluşturur. Her iki parametre için de en kötü durum senaryosu tuzdan arındırmadır. Ters ozmoz, küresel kapasitenin yaklaşık %70'ini oluşturan tuzdan arındırma için ana teknolojidir. Teknolojinin maliyeti 1900-2000 $ / m³ / gün'dür ve %15'lik bir öğrenme eğrisi oranına sahiptir. Bu yatırım maliyetinde, arıtma maliyeti yaklaşık 1 $ / m³'tür ve elektrik maliyetlerinin düşük olduğu bölgelerde daha düşük olabilir.

 

Ek olarak, nakliye maliyetleri m³ başına yaklaşık 1-2 dolar artacaktır. Bu durumda bile, su arıtma maliyetleri yaklaşık 0,05 dolar/kgH2'dir. Bunu perspektife koymak için, iyi yenilenebilir kaynaklar mevcutsa yenilenebilir hidrojenin maliyeti 2-3 dolar/kgH2 olabilirken, ortalama kaynağın maliyeti 4-5 dolar/kgH2'dir.

 

Yani bu muhafazakar senaryoda, suyun maliyeti toplamın %2'sinden daha az olacaktır. Deniz suyunun kullanımı, geri kazanılan su miktarını 2,5 ila 5 kat artırabilir (geri kazanım faktörü açısından).

 

Enerji tüketimi

Tuzdan arındırmanın enerji tüketimine bakıldığında, elektrolitik hücreye girmek için gereken elektrik miktarıyla karşılaştırıldığında da çok küçüktür. Mevcut çalışan ters ozmoz ünitesi yaklaşık 3,0 kW/m3 tüketir. Buna karşılık, termal tuzdan arındırma tesislerinin enerji tüketimi çok daha yüksektir ve 40 ila 80 KWH/m3 arasında değişir; tuzdan arındırma teknolojisine bağlı olarak ek güç gereksinimleri 2,5 ila 5 KWH/m3 arasında değişir. Bir kojenerasyon tesisinin muhafazakar durumunu (yani daha yüksek enerji talebi) örnek olarak alırsak, bir ısı pompasının kullanıldığını varsayarsak, enerji talebi yaklaşık 0,7 kWh/kg hidrojene dönüştürülecektir. Bunu perspektife koymak gerekirse, elektrolitik hücrenin elektrik talebi yaklaşık 50-55 kWh/kg'dır, bu nedenle en kötü durum senaryosunda bile tuzdan arındırma için enerji talebi sisteme giren toplam enerjinin yaklaşık %1'idir.

 

Tuzdan arındırmanın bir zorluğu, yerel Deniz ekosistemleri üzerinde etkisi olabilen tuzlu suyun bertarafıdır. Bu tuzlu su, çevresel etkisini azaltmak için daha fazla arıtılabilir ve böylece su maliyetine m³ başına 0,6-2,40 ABD doları daha eklenir. Ayrıca, elektrolitik su kalitesi içme suyundan daha katıdır ve daha yüksek arıtma maliyetlerine neden olabilir, ancak bunun yine de güç girişine kıyasla küçük olması beklenmektedir.

Hidrojen üretimi için elektrolitik suyun su ayak izi, yerel su mevcudiyeti, tüketim, bozulma ve kirliliğe bağlı olan çok özel bir konum parametresidir. Ekosistemlerin dengesi ve uzun vadeli iklim eğilimlerinin etkisi dikkate alınmalıdır. Su tüketimi, yenilenebilir hidrojenin ölçeklendirilmesinin önünde büyük bir engel olacaktır.