Скільки води потрібно для отримання водню електролізом?

Скільки води витрачається при електролізі

Крок перший: виробництво водню

Вода споживається з двох етапів: виробництва водню та виробництва енергоносія. 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 від 25,7 до 30,2.

Для існуючого виробничого процесу (паровий риформінг метану) мінімальне споживання води становить 4,5 кгH2O/кгH2 (необхідне 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 в межах 50-400 літрів/МВт-год (2,4-19 кгH2O/кгH2), а енергією вітру – між 5-45 літрами/МВт-год (0,2-2,1 кгH2O/кгH2). Подібним чином, видобуток газу зі сланцевого газу (на основі даних США) можна збільшити з 1,14 кг H2O/кг H2 до 4,9 кг H2O/кг H2.

Підсумовуючи, можна сказати, що середнє загальне споживання водню, який виробляється фотоелектричною та вітровою енергією, становить приблизно 32 та 22 кг вод. ст./кг вод. ст. Невизначеність виникає через сонячне випромінювання, термін служби та вміст кремнію. Це споживання води має такий самий порядок величини, як і виробництво водню з природного газу (7,6-37 kgh2o/kgH2, із середнім значенням 22kgH2O/кгH2).

Загальний водний слід: менше при використанні відновлюваної енергії

Подібно до викидів CO2, передумовою низького водного сліду для електролітичних маршрутів є використання відновлюваних джерел енергії. Якщо лише невелика частка електроенергії виробляється з використанням викопного палива, споживання води, пов’язане з електроенергією, буде набагато вищим, ніж фактичне споживання води під час електролізу.

Наприклад, виробництво електроенергії на газі може використовувати до 2500 літрів / МВт-год води. Це також найкращий випадок для викопного палива (природного газу). Якщо розглядати газифікацію вугілля, виробництво водню може споживати 31-31,8 кг H2O/кг H2, а виробництво вугілля може споживати 14,7 кг H2O/кг H2. Очікується, що споживання води від фотоелектричних установок і вітру з часом зменшиться, оскільки виробничі процеси стануть ефективнішими, а вихід енергії на одиницю встановленої потужності покращиться.

Загальне споживання води у 2050р

Очікується, що в майбутньому світ використовуватиме у багато разів більше водню, ніж сьогодні. Наприклад, за оцінками IRENA World Energy Transitions Outlook, попит на водень у 2050 році становитиме близько 74 EJ, з яких близько двох третин буде надходити з відновлюваного водню. Для порівняння, сьогодні (чистий водень) становить 8,4EJ.

Навіть якщо електролітичний водень зможе задовольнити попит на водень протягом усього 2050 року, споживання води становитиме близько 25 мільярдів кубічних метрів. На малюнку нижче показано порівняння цього показника з іншими штучними потоками споживання води. Сільське господарство використовує найбільше – 280 мільярдів кубометрів води, промисловість – майже 800 мільярдів кубометрів, а міста – 470 мільярдів кубометрів. Сучасне водоспоживання конверсії природного газу та газифікації вугілля для виробництва водню становить близько 1,5 млрд куб.

Таким чином, хоча очікується споживання великої кількості води через зміни в електролітичних шляхах і зростаючий попит, споживання води від виробництва водню все одно буде набагато меншим, ніж інші потоки, які використовуються людьми. Іншим орієнтиром є те, що споживання води на душу населення становить від 75 (Люксембург) до 1200 (США) кубічних метрів на рік. У середньому 400 м3 / (на душу населення * рік) загальне виробництво водню в 2050 році еквівалентно виробництву в країні з населенням 62 мільйони людей.

Скільки коштує вода і скільки витрачається енергії

вартість

Електролітичні комірки потребують високоякісної води та потребують водопідготовки. Вода нижчої якості призводить до швидшого розкладання та скорочення терміну служби. Багато елементів, у тому числі діафрагми та каталізатори, що використовуються в лужних розчинах, а також мембрани та пористі транспортні шари PEM, можуть зазнавати негативного впливу домішок води, таких як залізо, хром, мідь тощо. Провідність води повинна бути менше 1μS/ см і загальний вміст органічного вуглецю менше 50 м¼г/л.

На воду припадає відносно невелика частка енергоспоживання та витрат. Найгіршим сценарієм для обох параметрів є опріснення. Зворотний осмос є основною технологією опріснення, на яку припадає майже 70 відсотків світових потужностей. Технологія коштує $1900- $2000 / м³/день і має швидкість навчання 15%. За такої інвестиційної вартості вартість обробки становить приблизно 1 долар США/м³ і може бути нижчою в регіонах, де вартість електроенергії низька.

Крім того, вартість доставки зросте приблизно на $1-2 за м³. Навіть у цьому випадку витрати на очищення води становлять близько 0,05 доларів США/кг H2. Щоб пояснити це в перспективі, вартість відновлюваного водню може становити $2-3/кг H2, якщо доступні хороші відновлювані ресурси, тоді як вартість середнього ресурсу становить $4-5/кг H2.

Тож у цьому консервативному сценарії вода коштуватиме менше 2 відсотків від загальної вартості. Використання морської води може збільшити кількість відновленої води в 2,5-5 разів (за коефіцієнтом відтворення).

Споживання енергії

Дивлячись на енергоспоживання опріснення, воно також дуже мало порівняно з кількістю електроенергії, необхідної для введення електролізера. Нині діюча установка зворотного осмосу споживає близько 3,0 кВт/м3. Навпаки, термічні опріснювальні установки мають набагато більші витрати енергії, коливаються від 40 до 80 кВт·год/м3, з додатковими потребами в електроенергії від 2,5 до 5 кВт·год/м3, залежно від технології опріснення. Беручи консервативний випадок (тобто більший попит на енергію) когенераційної установки як приклад, припускаючи використання теплового насосу, попит на енергію буде перетворено приблизно на 0,7 кВт-год/кг водню. Щоб пояснити це в перспективі, потреба в електроенергії для електролізера становить близько 50-55 кВт·год/кг, тому навіть у найгіршому випадку потреба в енергії для опріснення становить близько 1% від загальної енергії, що надходить у систему.

Однією з проблем опріснення є утилізація солоної води, яка може мати вплив на місцеві морські екосистеми. Цей розсіл можна додатково обробляти, щоб зменшити його вплив на навколишнє середовище, таким чином додавши до вартості води ще 0,6-2,40 $/м³. Крім того, якість електролітичної води суворіша, ніж питної води, і може призвести до вищих витрат на очищення, але очікується, що вони будуть невеликими порівняно з споживаною потужністю.

Водний слід електролітичної води для виробництва водню є дуже специфічним параметром місця розташування, який залежить від наявності місцевої води, споживання, деградації та забруднення. Необхідно враховувати баланс екосистем і вплив довгострокових кліматичних тенденцій. Споживання води стане основною перешкодою для збільшення виробництва відновлюваного водню.