Lượng nước tiêu thụ trong quá trình điện phân là bao nhiêu
Bước một: Sản xuất hydro
Tiêu thụ nước đến từ hai bước: sản xuất hydro và sản xuất chất mang năng lượng thượng nguồn. Đối với sản xuất hydro, mức tiêu thụ nước điện phân tối thiểu là khoảng 9 kg nước cho mỗi kg hydro. Tuy nhiên, nếu tính đến quá trình khử khoáng của nước, tỷ lệ này có thể dao động từ 18 đến 24 kg nước cho mỗi kg hydro, hoặc thậm chí cao tới 25,7 đến 30,2.
Đối với quy trình sản xuất hiện tại (chuyển hóa hơi nước metan), lượng nước tiêu thụ tối thiểu là 4,5kgH2O/kgH2 (cần thiết cho phản ứng), có tính đến nước xử lý và làm mát, lượng nước tiêu thụ tối thiểu là 6,4-32,2kgH2O/kgH2.
Bước 2: Nguồn năng lượng (điện tái tạo hoặc khí đốt tự nhiên)
Một thành phần khác là lượng nước tiêu thụ để sản xuất điện tái tạo và khí đốt tự nhiên. Lượng nước tiêu thụ của điện quang điện dao động từ 50-400 lít/MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) và của điện gió dao động từ 5-45 lít/MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Tương tự như vậy, sản lượng khí từ khí đá phiến (dựa trên dữ liệu của Hoa Kỳ) có thể tăng từ 1,14kgH2O/kgH2 lên 4,9kgH2O/kgH2.
Tóm lại, tổng lượng nước tiêu thụ trung bình của hydro được tạo ra bởi quá trình sản xuất điện quang điện và điện gió lần lượt là khoảng 32 và 22kgH2O/kgH2. Những bất định đến từ bức xạ mặt trời, tuổi thọ và hàm lượng silicon. Lượng nước tiêu thụ này có cùng cấp độ với quá trình sản xuất hydro từ khí thiên nhiên (7,6-37 kgh2o/kgH2, với mức trung bình là 22kgH2O/kgH2).
Tổng lượng nước tiêu thụ: Thấp hơn khi sử dụng năng lượng tái tạo
Tương tự như lượng khí thải CO2, điều kiện tiên quyết để có dấu chân nước thấp cho các tuyến điện phân là sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Nếu chỉ một phần nhỏ điện được tạo ra bằng nhiên liệu hóa thạch, thì lượng nước tiêu thụ liên quan đến điện cao hơn nhiều so với lượng nước thực tế tiêu thụ trong quá trình điện phân.
Ví dụ, sản xuất điện bằng khí có thể sử dụng tới 2.500 lít/MWh nước. Đây cũng là trường hợp tốt nhất đối với nhiên liệu hóa thạch (khí thiên nhiên). Nếu xét đến khí hóa than, sản xuất hydro có thể tiêu thụ 31-31,8kgH2O/kgH2 và sản xuất than có thể tiêu thụ 14,7kgH2O/kgH2. Lượng nước tiêu thụ từ quang điện và gió cũng dự kiến sẽ giảm theo thời gian khi các quy trình sản xuất trở nên hiệu quả hơn và sản lượng năng lượng trên một đơn vị công suất lắp đặt được cải thiện.
Tổng lượng nước tiêu thụ vào năm 2050
Thế giới dự kiến sẽ sử dụng nhiều hydro hơn gấp nhiều lần trong tương lai so với hiện tại. Ví dụ, Triển vọng chuyển đổi năng lượng thế giới của IRENA ước tính nhu cầu hydro vào năm 2050 sẽ vào khoảng 74EJ, trong đó khoảng hai phần ba sẽ đến từ hydro tái tạo. Để so sánh, hiện nay (hydro nguyên chất) là 8,4EJ.
Ngay cả khi hydro điện phân có thể đáp ứng nhu cầu hydro cho toàn bộ năm 2050, lượng nước tiêu thụ sẽ vào khoảng 25 tỷ mét khối. Hình bên dưới so sánh con số này với các luồng tiêu thụ nước nhân tạo khác. Nông nghiệp sử dụng lượng nước lớn nhất là 280 tỷ mét khối, trong khi công nghiệp sử dụng gần 800 tỷ mét khối và các thành phố sử dụng 470 tỷ mét khối. Lượng nước tiêu thụ hiện tại của quá trình cải tạo khí thiên nhiên và khí hóa than để sản xuất hydro là khoảng 1,5 tỷ mét khối.
Do đó, mặc dù dự kiến sẽ tiêu thụ một lượng nước lớn do những thay đổi trong các con đường điện phân và nhu cầu ngày càng tăng, lượng nước tiêu thụ từ sản xuất hydro vẫn sẽ nhỏ hơn nhiều so với các dòng chảy khác mà con người sử dụng. Một điểm tham chiếu khác là lượng nước tiêu thụ bình quân đầu người là từ 75 (Luxembourg) đến 1.200 (Mỹ) mét khối mỗi năm. Ở mức trung bình 400 m3 / (bình quân đầu người * năm), tổng sản lượng hydro vào năm 2050 tương đương với một quốc gia có 62 triệu người.
Chi phí nước là bao nhiêu và sử dụng bao nhiêu năng lượng
trị giá
Các cell điện phân cần nước chất lượng cao và cần xử lý nước. Nước chất lượng thấp dẫn đến sự phân hủy nhanh hơn và tuổi thọ ngắn hơn. Nhiều thành phần, bao gồm màng ngăn và chất xúc tác được sử dụng trong kiềm, cũng như màng và lớp vận chuyển xốp của PEM, có thể bị ảnh hưởng xấu bởi các tạp chất trong nước như sắt, crom, đồng, v.v. Độ dẫn điện của nước phải nhỏ hơn 1μS/cm và tổng lượng cacbon hữu cơ phải nhỏ hơn 50μg/L.
Nước chiếm một tỷ lệ tương đối nhỏ trong mức tiêu thụ năng lượng và chi phí. Kịch bản tệ nhất cho cả hai thông số là khử muối. Thẩm thấu ngược là công nghệ chính để khử muối, chiếm gần 70 phần trăm công suất toàn cầu. Công nghệ này có giá 1900-2000 đô la/m³/ngày và có tỷ lệ đường cong học tập là 15%. Với chi phí đầu tư này, chi phí xử lý là khoảng 1 đô la/m³ và có thể thấp hơn ở những khu vực có chi phí điện thấp.
Ngoài ra, chi phí vận chuyển sẽ tăng khoảng 1-2 đô la cho mỗi m³. Ngay cả trong trường hợp này, chi phí xử lý nước cũng vào khoảng 0,05 đô la/kgH2. Để so sánh, chi phí của hydro tái tạo có thể là 2-3 đô la/kgH2 nếu có sẵn các nguồn tài nguyên tái tạo tốt, trong khi chi phí của nguồn tài nguyên trung bình là 4-5 đô la/kgH2.
Vì vậy, trong kịch bản bảo thủ này, nước sẽ có giá thành thấp hơn 2 phần trăm tổng số. Việc sử dụng nước biển có thể làm tăng lượng nước thu hồi được từ 2,5 đến 5 lần (về mặt hệ số thu hồi).
Tiêu thụ năng lượng
Nhìn vào mức tiêu thụ năng lượng của quá trình khử muối, nó cũng rất nhỏ so với lượng điện cần thiết để đưa vào bình điện phân. Đơn vị thẩm thấu ngược đang hoạt động hiện tại tiêu thụ khoảng 3,0 kW/m3. Ngược lại, các nhà máy khử muối nhiệt có mức tiêu thụ năng lượng cao hơn nhiều, dao động từ 40 đến 80 KWH/m3, với nhu cầu điện năng bổ sung dao động từ 2,5 đến 5 KWH/m3, tùy thuộc vào công nghệ khử muối. Lấy trường hợp bảo thủ (tức là nhu cầu năng lượng cao hơn) của nhà máy đồng phát làm ví dụ, giả sử sử dụng máy bơm nhiệt, nhu cầu năng lượng sẽ được chuyển đổi thành khoảng 0,7 kWh/kg hydro. Để hiểu rõ hơn, nhu cầu điện của bình điện phân là khoảng 50-55 kWh/kg, vì vậy ngay cả trong trường hợp xấu nhất, nhu cầu năng lượng để khử muối cũng chỉ chiếm khoảng 1% tổng năng lượng đầu vào của hệ thống.
Một thách thức của quá trình khử muối là việc xử lý nước muối, có thể ảnh hưởng đến hệ sinh thái biển địa phương. Nước muối này có thể được xử lý thêm để giảm tác động đến môi trường, do đó làm tăng thêm 0,6-2,40 đô la/m³ vào chi phí nước. Ngoài ra, chất lượng nước điện phân khắt khe hơn nước uống và có thể dẫn đến chi phí xử lý cao hơn, nhưng con số này vẫn được dự kiến là nhỏ so với lượng điện đầu vào.
Dấu chân nước của nước điện phân để sản xuất hydro là một tham số vị trí rất cụ thể phụ thuộc vào tính khả dụng của nước, mức tiêu thụ, sự suy thoái và ô nhiễm tại địa phương. Cần xem xét sự cân bằng của các hệ sinh thái và tác động của xu hướng khí hậu dài hạn. Mức tiêu thụ nước sẽ là trở ngại lớn đối với việc mở rộng quy mô hydro tái tạo.
Thời gian đăng: 08-03-2023