Điện phân tiêu thụ bao nhiêu nước?

Điện phân tiêu thụ bao nhiêu nước?

Bước một: Sản xuất hydro

Lượng nước tiêu thụ đến từ hai bước: sản xuất hydro và sản xuất chất mang năng lượng ở thượng nguồn. Đối với sản xuất hydro, lượng nước điện phân tối thiểu cần tiêu thụ 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 kg..

 

Đối với quy trình sản xuất hiện tại (cải tạo hơi nước metan), lượng nước tiêu thụ tối thiểu là 4,5 kgH2O/kgH2 (cần thiết cho phản ứng), tính cả nước sử dụng trong quá trình sản xuất và làm mát, lượng nước tiêu thụ tối thiểu là 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.

 

Bước 2: Nguồn năng lượng (điện tái tạo hoặc khí đốt tự nhiên)

Một yếu tố khác cần xem xét là lượng nước tiêu thụ để sản xuất điện năng tái tạo và khí đốt tự nhiên. Lượng nước tiêu thụ cho điện mặt trời dao động từ 50-400 lít/MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2) và cho điện gió từ 5-45 lít/MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2). Tương tự, sản lượng khí đốt từ khí đá phiến (dựa trên dữ liệu của Mỹ) có thể tăng từ 1,14 kgH2O/kgH2 lên 4,9 kgH2O/kgH2.

 

Tóm lại, lượng nước tiêu thụ trung bình để sản xuất hydro từ điện mặt trời và điện gió lần lượt là khoảng 32 và 22 kgH2O/kgH2. Sự không chắc chắn đến từ bức xạ mặt trời, tuổi thọ và hàm lượng silic. Lượng nước tiêu thụ này tương đương với lượng nước tiêu thụ để sản xuất hydro từ khí tự nhiên (7,6-37 kgH2O/kgH2, trung bình là 22 kgH2O/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 giảm thiểu lượng nước tiêu thụ trong các quy trình điện phân là sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Nếu chỉ một phần nhỏ điện năng được tạo ra bằng nhiên liệu hóa thạch, lượng nước tiêu thụ liên quan đến việc sản xuất điện sẽ cao hơn nhiều so với lượng nước thực tế tiêu thụ trong quá trình điện phân.

 

Ví dụ, việc sản xuất điện từ khí đốt có thể tiêu thụ tới 2.500 lít nước/MWh. Đây cũng là trường hợp tốt nhất đối với nhiên liệu hóa thạch (khí tự nhiên). Nếu xét đến quá trình khí hóa than, sản xuất hydro có thể tiêu thụ 31-31,8 kgH2O/kgH2 và sản xuất than có thể tiêu thụ 14,7 kgH2O/kgH2. Lượng nước tiêu thụ từ năng lượng mặt trời và năng lượng 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 mỗi đơn vị công suất lắp đặt được cải thiện.

 

Tổng lượng nước tiêu thụ vào năm 2050

Dự kiến ​​thế giới sẽ sử dụng lượng hydro nhiều hơn gấp nhiều lần trong tương lai so với hiện nay. Ví dụ, báo cáo Triển vọng Chuyển đổi Năng lượng Thế giới của IRENA ước tính rằng nhu cầu hydro vào năm 2050 sẽ vào khoảng 74 EJ, trong đó khoảng hai phần ba sẽ đến từ hydro tái tạo. Để so sánh, hiện nay (hydro nguyên chất) chỉ cần 8,4 EJ.

 

Ngay cả khi hydro điện phân có thể đáp ứng nhu cầu hydro cho cả năm 2050, lượng nước tiêu thụ sẽ vào khoảng 25 tỷ mét khối. Hình dưới đây so sánh con số này với các nguồn tiêu thụ nước nhân tạo khác. Nông nghiệp sử dụng lượng nước lớn nhất với 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 tự 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 lớn nước do những thay đổi trong quy trình điện phân và nhu cầu ngày càng tăng, lượng nước tiêu thụ cho sản xuất hydro vẫn sẽ nhỏ hơn nhiều so với các dòng nước khác mà con người sử dụng. Một điểm tham chiếu khác là mức tiêu thụ nước bình quân đầu người nằm trong khoảng từ 75 (Luxembourg) đến 1.200 (Mỹ) mét khối mỗi năm. Với mức trung bình 400 m3/(người * năm), tổng sản lượng hydro vào năm 2050 tương đương với nhu cầu của một quốc gia có 62 triệu dân.

 

Nước có giá bao nhiêu và lượng năng lượng tiêu thụ là bao nhiêu?

 

trị giá

Các tế bào điện phân cần nước chất lượng cao và cần được xử lý nước. Nước chất lượng thấp dẫn đến sự xuống cấp nhanh hơn và tuổi thọ ngắn hơn. Nhiều bộ phận, bao gồm màng ngăn và chất xúc tác được sử dụng trong các chất 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 cần phải nhỏ hơn 1μS/cm và tổng lượng cacbon hữu cơ nhỏ hơn 50μg/L.

 

Nước chiếm một phần tương đối nhỏ trong tổng lượng tiêu thụ năng lượng và chi phí. Tình huống xấu nhất đối với cả hai thông số này là quá trình khử muối. Thẩm thấu ngược là công nghệ chính để khử muối, chiếm gần 70% công suất toàn cầu. Công nghệ này có chi phí từ 1900 đến 2000 đô la Mỹ/m³/ngày và tỷ lệ học hỏi là 15%. Với chi phí đầu tư này, chi phí xử lý nước vào khoảng 1 đô la Mỹ/m³, và có thể thấp hơn ở những khu vực có giá điện thấp.

 

Ngoài ra, chi phí vận chuyển sẽ tăng khoảng 1-2 đô la/m³. Ngay cả trong trường hợp này, chi phí xử lý nước cũng vào khoảng 0,05 đô la/kgH2. Để dễ hình dung hơn, chi phí hydro tái tạo có thể là 2-3 đô la/kgH2 nếu có nguồn tài nguyên tái tạo tốt, trong khi chi phí của nguồn tài nguyên trung bình là 4-5 đô la/kgH2.

 

Như vậy, trong kịch bản thận trọng này, chi phí nước sẽ chiếm chưa đến 2% tổng chi phí. Việc sử dụng nước biển có thể làm tăng lượng nước thu hồi được lên từ 2,5 đến 5 lần (xét về hệ số thu hồi).

 

Tiêu thụ năng lượng

Xét về mức tiêu thụ năng lượng của quá trình khử muối, nó cũng rất nhỏ so với lượng điện cần thiết để cung cấp cho tế bào điện phân. Một thiết bị thẩm thấu ngược đang hoạt động hiện nay 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 yêu cầu điện năng bổ sung từ 2,5 đến 5 kWh/m3, tùy thuộc vào công nghệ khử muối. Lấy trường hợp thận trọng (tức là nhu cầu năng lượng cao hơn) của một nhà máy đồng phát làm ví dụ, giả sử sử dụng bơm nhiệt, nhu cầu năng lượng sẽ được quy đổi thành khoảng 0,7 kWh/kg hydro. Để dễ hình dung hơn, nhu cầu điện năng của tế bào điện phân là khoảng 50-55 kWh/kg, vì vậy ngay cả trong trường hợp xấu nhất, nhu cầu năng lượng cho quá trình khử muối 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 mặn, có thể ảnh hưởng đến hệ sinh thái biển địa phương. Nước mặn này có thể được xử lý thêm để giảm tác động môi trường, do đó làm tăng thêm 0,6-2,40 USD/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 dự kiến ​​vẫn nhỏ so với chi phí điện năng tiêu thụ.

Dấu chân nước của nước điện phân để sản xuất hydro là một thông số rất cụ thể phụ thuộc vào vị trí, bao gồm nguồn nước sẵn có, tiêu thụ, suy thoái và ô nhiễm tại địa phương. Cần xem xét sự cân bằng của hệ sinh thái và tác động của xu hướng khí hậu dài hạn. Tiêu thụ nước sẽ là trở ngại lớn trong việc mở rộng quy mô sản xuất hydro tái tạo.