Скільки води споживається при електролізі
Крок перший: Виробництво водню
Споживання води відбувається з двох етапів: виробництва водню та виробництва енергоносіїв вище за течією. Для виробництва водню мінімальне споживання електролізованої води становить приблизно 9 кілограмів води на кілограм водню. Однак, враховуючи процес демінералізації води, це співвідношення може коливатися від 18 до 24 кілограмів води на кілограм водню або навіть сягати 25,7-30,2..
Для існуючого виробничого процесу (паровий риформінг метану) мінімальне споживання води становить 4,5 кгH2O/кгH2 (необхідно для реакції), з урахуванням технологічної води та охолодження мінімальне споживання води становить 6,4-32,2 кгH2O/кгH2.
Крок 2: Джерела енергії (відновлювана електроенергія або природний газ)
Іншим компонентом є споживання води для виробництва відновлюваної електроенергії та природного газу. Споживання води фотоелектричною енергією коливається від 50 до 400 літрів/МВт·год (2,4-19 кгH2O/кгH2), а вітровою енергією — від 5 до 45 літрів/МВт·год (0,2-2,1 кгH2O/кгH2). Аналогічно, виробництво газу зі сланцевого газу (за даними США) може бути збільшено з 1,14 кгH2O/кгH2 до 4,9 кгH2O/кгH2.
Таким чином, середнє загальне споживання води для виробництва водню, що виробляється фотоелектричною та вітровою енергетикою, становить близько 32 та 22 кгH2O/кгH2 відповідно. Невизначеності пов'язані з сонячною радіацією, терміном служби та вмістом кремнію. Це споживання води має той самий порядок величини, що й виробництво водню з природного газу (7,6-37 кгH2O/кгH2, із середнім значенням 22 кгH2O/кгH2).
Загальний водний слід: менший при використанні відновлюваної енергії
Подібно до викидів CO2, необхідною умовою низького водного сліду для електролізних процесів є використання відновлюваних джерел енергії. Якщо лише невелика частина електроенергії виробляється з використанням викопного палива, споживання води, пов'язане з електроенергією, набагато вище, ніж фактично споживана вода під час електролізу.
Наприклад, виробництво електроенергії з газу може використовувати до 2500 літрів/МВт·год води. Це також найкращий варіант для викопного палива (природного газу). Якщо враховувати газифікацію вугілля, виробництво водню може споживати 31-31,8 кгH2O/кгH2, а виробництво вугілля — 14,7 кгH2O/кгH2. Очікується, що споживання води фотоелектричними та вітровими системами також зменшиться з часом, оскільки виробничі процеси стають ефективнішими, а виробництво енергії на одиницю встановленої потужності покращується.
Загальне споживання води у 2050 році
Очікується, що в майбутньому світ використовуватиме в рази більше водню, ніж сьогодні. Наприклад, у звіті IRENA «Перспектива світового енергетичного переходу» оцінюється, що попит на водень у 2050 році становитиме близько 74 ЕДж, з яких близько двох третин припадатиме на відновлюваний водень. Для порівняння, сьогодні (чистий водень) становить 8,4 ЕДж.
Навіть якби електролітичний водень міг задовольнити попит на водень протягом усього 2050 року, споживання води становитиме близько 25 мільярдів кубічних метрів. Наведений нижче малюнок порівнює цей показник з іншими потоками споживання води, створюваними людиною. Сільське господарство використовує найбільшу кількість – 280 мільярдів кубічних метрів води, тоді як промисловість використовує майже 800 мільярдів кубічних метрів, а міста – 470 мільярдів кубічних метрів. Поточне споживання води для риформінгу природного газу та газифікації вугілля для виробництва водню становить близько 1,5 мільярда кубічних метрів.
Таким чином, хоча очікується, що через зміни в електролітичних шляхах та зростання попиту споживатиметься велика кількість води, споживання води для виробництва водню все ще буде значно меншим, ніж для інших потоків, що використовуються людиною. Ще одним орієнтиром є те, що споживання води на душу населення становить від 75 (Люксембург) до 1200 (США) кубічних метрів на рік. При середньому показателі 400 м3/(на душу населення * рік) загальне виробництво водню у 2050 році еквівалентне виробництву країни з населенням 62 мільйони осіб.
Скільки коштує вода і скільки енергії використовується
вартість
Електролітичні елементи потребують високоякісної води та її очищення. Вода нижчої якості призводить до швидшої деградації та скорочення терміну служби. Багато елементів, включаючи діафрагми та каталізатори, що використовуються в лугах, а також мембрани та пористі транспортні шари PEM, можуть негативно зазнавати впливу домішок води, таких як залізо, хром, мідь тощо. Провідність води повинна бути менше 1 мкСм/см, а загальний вміст органічного вуглецю менше 50 мкг/л.
Вода становить відносно невелику частку споживання енергії та витрат. Найгіршим сценарієм для обох параметрів є опріснення. Зворотний осмос є основною технологією опріснення, на яку припадає майже 70 відсотків світових потужностей. Вартість технології становить 1900-2000 доларів США/м³/день, а коефіцієнт освоєння становить 15%. За таких інвестиційних витрат вартість очищення становить близько 1 долара США/м³ і може бути нижчою в районах з низькими витратами на електроенергію.
Крім того, вартість доставки зросте приблизно на 1-2 долари за м³. Навіть у цьому випадку витрати на очищення води становлять близько 0,05 долара/кгH2. Для порівняння, вартість відновлюваного водню може становити 2-3 долари/кгH2, якщо доступні якісні відновлювані ресурси, тоді як вартість середнього ресурсу становить 4-5 доларів/кгH2.
Отже, за цим консервативним сценарієм, вода коштуватиме менше 2 відсотків від загальної суми. Використання морської води може збільшити кількість відновлюваної води у 2,5–5 разів (з точки зору коефіцієнта відновлення).
Споживання енергії
Розглядаючи споживання енергії для опріснення, воно також дуже мале порівняно з кількістю електроенергії, необхідної для введення в електролітичну комірку. Поточна працююча установка зворотного осмосу споживає близько 3,0 кВт/м3. Натомість, термічні опріснювальні установки мають набагато вище споживання енергії, яке коливається від 40 до 80 кВт·год/м3, з додатковими потребами в потужності від 2,5 до 5 кВт·год/м3, залежно від технології опріснення. Візьмемо як приклад консервативний випадок (тобто вище споживання енергії) когенераційної установки, припускаючи використання теплового насоса, потреба в енергії буде перетворена приблизно на 0,7 кВт·год/кг водню. Для порівняння, потреба в електроенергії для електролітичної комірки становить близько 50-55 кВт·год/кг, тому навіть у найгіршому випадку потреба в енергії для опріснення становить близько 1% від загального споживання енергії в систему.
Однією з проблем опріснення є утилізація солоної води, яка може впливати на місцеві морські екосистеми. Цей розсіл можна додатково очищати, щоб зменшити його вплив на навколишнє середовище, що додасть ще 0,6-2,40 дол. США/м³ до вартості води. Крім того, якість електролітичної води є суворішою, ніж питної води, і може призвести до вищих витрат на очищення, але очікується, що це все одно буде невеликою порівняно з енергоспоживанням.
Водний слід електролітичної води для виробництва водню є дуже специфічним параметром місця розташування, який залежить від місцевої доступності води, її споживання, деградації та забруднення. Слід враховувати баланс екосистем та вплив довгострокових кліматичних тенденцій. Споживання води буде основною перешкодою для масштабування виробництва відновлюваного водню.
Час публікації: 08 березня 2023 р.