Kiek vandens reikia, kad elektrolizės būdu susidarytų vandenilis?

Kiek vandens sunaudojama elektrolizės metu

Pirmas žingsnis: vandenilio gamyba

Vandens suvartojimas susideda iš dviejų etapų: vandenilio gamybos ir energijos nešiklio gamybos. Vandenilio gamybai minimalus elektrolizuoto vandens suvartojimas yra maždaug 9 kilogramai vandens vienam kilogramui vandenilio. Tačiau, atsižvelgiant į vandens demineralizacijos procesą, šis santykis gali svyruoti nuo 18 iki 24 kilogramų vandens vienam kilogramui vandenilio arba net iki 25,7 iki 30,2..

Esamam gamybos procesui (reformingas metano garais) minimalus vandens suvartojimas yra 4,5 kgH2O/kgH2 (reakcijai reikalingas), atsižvelgiant į technologinį vandenį ir aušinimą, minimalus vandens suvartojimas yra 6,4–32,2 kgH2O/kgH2.

2 veiksmas: energijos šaltiniai (atsinaujinanti elektra arba gamtinės dujos)

Kitas komponentas yra vandens suvartojimas atsinaujinančiai elektros energijai ir gamtinėms dujoms gaminti. Fotovoltinės energijos vandens suvartojimas svyruoja tarp 50-400 litrų /MWh (2,4-19kgH2O/kgH2), o vėjo energijos - nuo 5-45 litrų /MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Panašiai dujų gamyba iš skalūnų dujų (remiantis JAV duomenimis) gali būti padidinta nuo 1,14 kgH2O/kgH2 iki 4,9 kgH2O/kgH2.

Apibendrinant galima teigti, kad vidutinis bendras vandens suvartojimas vandenilio, gauto gaminant fotovoltinę energiją ir vėjo energiją, yra atitinkamai apie 32 ir 22 kgH2O/kgH2. Neaiškumų kyla dėl saulės spinduliuotės, eksploatavimo trukmės ir silicio kiekio. Šis vandens suvartojimas prilygsta vandenilio gamybai iš gamtinių dujų (7,6–37 kgh2o /kgH2, vidutiniškai 22 kgH2O/kgH2).

Bendras vandens pėdsakas: mažesnis naudojant atsinaujinančią energiją

Panašiai kaip ir išmetamas CO2, būtina sąlyga, kad elektrolizės maršrutuose būtų mažas vandens pėdsakas, yra atsinaujinančių energijos šaltinių naudojimas. Jei tik nedidelė dalis elektros pagaminama naudojant iškastinį kurą, su elektra susijęs vandens suvartojimas yra daug didesnis nei faktinis elektrolizės metu sunaudotas vanduo.

Pavyzdžiui, dujų energijai gaminti gali sunaudoti iki 2500 litrų/MWh vandens. Tai taip pat geriausias atvejis iškastiniam kurui (gamtinėms dujoms). Jei atsižvelgiama į anglies dujinimą, vandenilio gamyboje gali sunaudoti 31–31,8 kgH2O/kgH2, o anglies gamybai – 14,7 kgH2O/kgH2. Tikimasi, kad vandens suvartojimas iš fotovoltinės energijos ir vėjo taip pat laikui bėgant sumažės, nes gamybos procesai taps efektyvesni ir energijos išeiga, tenkanti instaliuotos galios vienetui.

Bendras vandens suvartojimas 2050 m

Tikimasi, kad ateityje pasaulis sunaudos daug kartų daugiau vandenilio nei šiandien. Pavyzdžiui, IRENA World Energy Transitions Outlook apskaičiavo, kad 2050 m. vandenilio poreikis bus apie 74 EJ, iš kurių apie du trečdalius sudarys atsinaujinantis vandenilis. Palyginimui, šiandien (grynas vandenilis) yra 8,4 EJ.

Net jei elektrolitinis vandenilis galėtų patenkinti vandenilio poreikį visus 2050 m., vandens suvartojimas sudarytų apie 25 milijardus kubinių metrų. Žemiau pateiktame paveikslėlyje šis skaičius palyginamas su kitais žmogaus sukurtais vandens suvartojimo srautais. Žemės ūkis sunaudoja daugiausiai 280 milijardų kubinių metrų vandens, pramonė – beveik 800 milijardų kubinių metrų, o miestai – 470 milijardų kubinių metrų. Šiuo metu gamtinių dujų reformavimo ir anglies dujinimo vandenilio gamybai sunaudojama apie 1,5 milijardo kubinių metrų vandens.

Taigi, nors tikimasi, kad pasikeitus elektrolizės keliams ir didėjančiam poreikiui bus sunaudoti dideli vandens kiekiai, vandenilio gamybos vandens suvartojimas vis tiek bus daug mažesnis nei kiti žmonių naudojami srautai. Kitas atskaitos taškas yra tai, kad vienam gyventojui vandens suvartojama nuo 75 (Liuksemburgas) iki 1200 (JAV) kubinių metrų per metus. Vidutiniškai 400 m3 / (vienam gyventojui * per metus), bendra vandenilio gavyba 2050 m. prilygsta 62 mln. žmonių turinčiai šaliai.

Kiek kainuoja vanduo ir kiek sunaudojama energijos

kaina

Elektrolitinėms ląstelėms reikalingas aukštos kokybės vanduo ir reikalingas vandens apdorojimas. Žemesnės kokybės vanduo lemia greitesnį degradaciją ir trumpesnį tarnavimo laiką. Daugelį elementų, įskaitant diafragmas ir katalizatorius, naudojamus šarmuose, taip pat PEM membranas ir akytus transportavimo sluoksnius, gali neigiamai paveikti vandens priemaišos, tokios kaip geležis, chromas, varis ir kt. Vandens laidumas turi būti mažesnis nei 1μS/ cm, o bendras organinės anglies kiekis mažesnis nei 50 ¼g/l.

Vanduo sudaro palyginti nedidelę energijos suvartojimo ir sąnaudų dalį. Blogiausias abiejų parametrų scenarijus yra gėlinimas. Atvirkštinis osmosas yra pagrindinė gėlinimo technologija, kuri sudaro beveik 70 procentų pasaulinio pajėgumo. Technologija kainuoja 1900–2000 USD / m³/d, o mokymosi kreivės rodiklis yra 15%. Esant tokioms investicijų sąnaudoms, valymo kaina yra apie 1 USD / m³ ir gali būti mažesnė tose vietose, kur elektros sąnaudos yra mažos.

Be to, siuntimo išlaidos padidės maždaug 1–2 USD už m³. Net ir šiuo atveju vandens valymo išlaidos yra apie 0,05 USD / kgH2. Atsižvelgiant į tai, atsinaujinančio vandenilio kaina gali būti 2–3 USD / kgH2, jei yra gerų atsinaujinančių išteklių, o vidutinių išteklių kaina yra 4–5 USD / kgH2.

Taigi pagal šį konservatyvų scenarijų vanduo kainuotų mažiau nei 2 procentus visos sumos. Naudojant jūros vandenį, išgaunamo vandens kiekis gali padidėti 2,5–5 kartus (pagal regeneravimo koeficientą).

Energijos suvartojimas

Žvelgiant į gėlinimo energijos suvartojimą, jis taip pat yra labai mažas, palyginti su elektros energijos kiekiu, reikalingu elektrolizės elementui įvesti. Dabartinis veikiantis atvirkštinio osmoso įrenginys sunaudoja apie 3,0 kW/m3. Priešingai, terminio gėlinimo įrenginiai sunaudoja daug daugiau energijos – nuo ​​40 iki 80 KWH/m3, o papildomos galios poreikis svyruoja nuo 2,5 iki 5 KWH/m3, priklausomai nuo gėlinimo technologijos. Kaip pavyzdį imant konservatyvų atvejį (t.y. didesnį energijos poreikį) termofikacinės elektrinės atveju, darant prielaidą, kad būtų naudojamas šilumos siurblys, energijos poreikis būtų konvertuojamas į apie 0,7 kWh/kg vandenilio. Žvelgiant į tai perspektyvoje, elektrolitinio elemento elektros energijos poreikis yra apie 50-55 kWh/kg, taigi net ir blogiausiu atveju energijos poreikis gėlinimui sudaro apie 1% visos į sistemą sunaudojamos energijos.

Vienas iš gėlinimo iššūkių yra sūraus vandens šalinimas, kuris gali turėti įtakos vietinėms jūrų ekosistemoms. Šis sūrymas gali būti toliau apdorojamas, kad būtų sumažintas jo poveikis aplinkai, taip padidinant vandens kainą dar 0,6–2,40 USD / m³. Be to, elektrolitinio vandens kokybė yra griežtesnė nei geriamojo vandens ir dėl to gali padidėti gydymo išlaidos, tačiau tikimasi, kad jos vis tiek bus nedidelės, palyginti su galia.

Vandenilio gamybai naudojamo elektrolitinio vandens vandens pėdsakas yra labai specifinis vietos parametras, kuris priklauso nuo vietos vandens prieinamumo, suvartojimo, degradacijos ir taršos. Reikėtų atsižvelgti į ekosistemų pusiausvyrą ir ilgalaikių klimato tendencijų poveikį. Vandens suvartojimas bus pagrindinė kliūtis didinti atsinaujinančio vandenilio kiekį.