Elektroliz işleminde ne kadar su tüketilir?

Elektroliz işleminde ne kadar su tüketilir?

Birinci adım: Hidrojen üretimi

Su tüketimi iki aşamadan kaynaklanır: hidrojen üretimi ve yukarı akış enerji taşıyıcı üretimi. Hidrojen üretimi için, elektrolizle elde edilen suyun minimum tüketimi, kilogram hidrojen başına yaklaşık 9 kilogram sudur. Bununla birlikte, suyun demineralizasyon sürecini hesaba katarsak, bu oran kilogram hidrojen başına 18 ila 24 kilogram suya, hatta 25,7 ila 30,2 kilograma kadar çıkabilir..

 

Mevcut üretim sürecinde (metan buhar reformasyonu), reaksiyon için gerekli olan minimum su tüketimi 4,5 kgH2O/kgH2'dir; proses suyu ve soğutmayı da hesaba katarsak, minimum su tüketimi 6,4-32,2 kgH2O/kgH2'dir.

 

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

Diğer bir bileşen ise yenilenebilir elektrik ve doğal gaz üretimi için su tüketimidir. Fotovoltaik enerjinin su tüketimi 50-400 litre/MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2) arasında değişirken, rüzgar enerjisinin su tüketimi 5-45 litre/MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2) arasında değişmektedir. Benzer şekilde, şeyl gazından gaz üretimi (ABD verilerine göre) 1,14 kgH2O/kgH2'den 4,9 kgH2O/kgH2'ye kadar artırılabilir.

 

Sonuç olarak, fotovoltaik enerji üretimi ve rüzgar enerjisi üretimi ile üretilen hidrojenin ortalama toplam su tüketimi sırasıyla yaklaşık 32 ve 22 kgH2O/kgH2'dir. Belirsizlikler güneş radyasyonundan, kullanım ömründen ve silikon içeriğinden kaynaklanmaktadır. Bu su tüketimi, doğal gazdan hidrojen üretimiyle (ortalama 22 kgH2O/kgH2 ile 7,6-37 kgH2O/kgH2) aynı büyüklük mertebesindedir.

 

Toplam su ayak izi: Yenilenebilir enerji kullanıldığında daha düşük

CO2 emisyonlarına benzer şekilde, elektrolitik yöntemler için düşük su ayak izinin ön koşullarından biri de yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasıdır. Elektriğin sadece küçük bir kısmı fosil yakıtlar kullanılarak üretilirse, elektrik üretimiyle ilişkili su tüketimi, elektroliz sırasında tüketilen gerçek sudan çok daha yüksek olur.

 

Örneğin, doğalgazla çalışan enerji üretimi, MWh başına 2.500 litreye kadar su tüketebilir. Bu, fosil yakıtlar (doğalgaz) için de en iyi senaryodur. Kömür gazlaştırması dikkate alındığında, hidrojen üretimi 31-31,8 kgH2O/kgH2, kömür üretimi ise 14,7 kgH2O/kgH2 tüketebilir. Üretim süreçleri daha verimli hale geldikçe ve kurulu kapasite birimi başına enerji çıktısı arttıkça, fotovoltaik ve rüzgar enerjisinden kaynaklanan su tüketiminin de zamanla azalması beklenmektedir.

 

2050 yılında toplam su tüketimi

Dünyanın gelecekte bugünden çok daha fazla hidrojen kullanması bekleniyor. Örneğin, IRENA'nın Dünya Enerji Geçişleri Görünümü, 2050 yılında hidrojen talebinin yaklaşık 74 EJ olacağını ve bunun yaklaşık üçte ikisinin yenilenebilir hidrojenden karşılanacağını tahmin ediyor. Buna karşılık, bugün (saf hidrojen) 8,4 EJ'dir.

 

Elektrolitik hidrojen 2050 yılına kadar olan hidrojen talebini karşılayabilse bile, su tüketimi yaklaşık 25 milyar metreküp olacaktır. Aşağıdaki şekil, bu rakamı diğer insan kaynaklı su tüketim kaynaklarıyla karşılaştırmaktadır. Tarım en büyük miktarda su tüketmektedir (280 milyar metreküp), sanayi yaklaşık 800 milyar metreküp ve şehirler 470 milyar metreküp su kullanmaktadır. Hidrojen üretimi için doğal gaz reformasyonu ve kömür gazlaştırmasının mevcut su tüketimi ise yaklaşık 1,5 milyar metreküptür.

Dolayısıyla, elektrolitik yollardaki değişiklikler ve artan talep nedeniyle büyük miktarda su tüketimi beklenmesine rağmen, hidrojen üretiminden kaynaklanan su tüketimi, insanlar tarafından kullanılan diğer su akışlarından çok daha az olacaktır. Bir diğer referans noktası ise kişi başına su tüketiminin yılda 75 (Lüksemburg) ile 1200 (ABD) metreküp arasında olmasıdır. Ortalama 400 m³/(kişi başına * yıl) ile 2050 yılında toplam hidrojen üretimi, 62 milyonluk bir ülkenin üretimine eşdeğerdir.

 

Su maliyeti ne kadar ve ne kadar enerji kullanılıyor?

 

maliyet

Elektrolitik hücreler yüksek kaliteli suya ve su arıtma işlemine ihtiyaç duyar. Daha düşük kaliteli su, daha hızlı bozulmaya ve daha kısa ömre yol açar. Alkali ortamlarda kullanılan diyaframlar ve katalizörler ile PEM'in membranları ve gözenekli taşıma katmanları da dahil olmak üzere birçok eleman, demir, krom, bakır vb. su kirliliklerinden olumsuz etkilenebilir. Su iletkenliğinin 1 μS/cm'den az ve toplam organik karbonun 50 μg/L'den az olması gerekmektedir.

 

Su, enerji tüketimi ve maliyetlerinin nispeten küçük bir payını oluşturmaktadır. Her iki parametre için de en kötü senaryo tuzdan arındırma işlemidir. Ters ozmoz, küresel kapasitenin yaklaşık %70'ini oluşturan ana tuzdan arındırma teknolojisidir. Bu teknolojinin maliyeti 1900-2000 $/m³/gün olup, öğrenme eğrisi oranı %15'tir. Bu yatırım maliyetiyle, arıtma maliyeti yaklaşık 1 $/m³'tür ve elektrik maliyetlerinin düşük olduğu bölgelerde daha da düşük olabilir.

 

Ayrıca, nakliye maliyetleri metreküp başına yaklaşık 1-2 dolar artacaktır. Bu durumda bile, su arıtma maliyetleri kilogram başına yaklaşık 0,05 dolardır. Bunu daha iyi anlamak için, iyi yenilenebilir kaynaklar mevcutsa yenilenebilir hidrojenin maliyeti kilogram başına 2-3 dolar olabilirken, ortalama bir kaynağın maliyeti kilogram başına 4-5 dolardır.

 

Dolayısıyla bu muhafazakar senaryoda, suyun maliyeti toplam maliyetin yüzde 2'sinden daha az olacaktır. Deniz suyu kullanımı, geri kazanılan su miktarını (geri kazanım faktörü açısından) 2,5 ila 5 kat artırabilir.

 

Enerji tüketimi

Tuzdan arındırmanın enerji tüketimine bakıldığında, elektrolitik hücreye giriş için gereken elektrik miktarına kıyasla çok düşüktür. Mevcut çalışan ters ozmoz ünitesi yaklaşık 3,0 kW/m³ tüketmektedir. Buna karşılık, termal tuzdan arındırma tesislerinin enerji tüketimi çok daha yüksektir ve tuzdan arındırma teknolojisine bağlı olarak 40 ila 80 kWh/m³ arasında değişmekte olup, ek güç gereksinimleri 2,5 ila 5 kWh/m³ arasında değişmektedir. 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 daha iyi anlamak için, elektrolitik hücrenin elektrik talebi yaklaşık 50-55 kWh/kg'dır, bu nedenle en kötü senaryoda bile, tuzdan arındırma için enerji talebi, sisteme verilen toplam enerji girişinin yaklaşık %1'i kadardır.

 

Tuzdan arındırmanın zorluklarından biri, yerel deniz ekosistemlerini etkileyebilecek olan tuzlu suyun bertarafıdır. Bu tuzlu su, çevresel etkisini azaltmak için daha da işlenebilir ve bu da su maliyetine metreküp başına 0,6-2,40 dolar daha ekleyebilir. Ayrıca, elektrolitik su kalitesi içme suyundan daha katıdır ve daha yüksek arıtma maliyetlerine yol açabilir, ancak bu yine de enerji girdisine kıyasla küçük olması beklenmektedir.

Hidrojen üretimi için elektrolitik suyun su ayak izi, yerel su mevcudiyetine, tüketimine, bozulmasına ve kirliliğine bağlı çok özel bir konum parametresidir. Ekosistemlerin dengesi ve uzun vadeli iklim eğilimlerinin etkisi dikkate alınmalıdır. Su tüketimi, yenilenebilir hidrojenin ölçeklendirilmesinde önemli bir engel olacaktır.