Πόσο νερό χρειάζεται για να παραχθεί υδρογόνο με ηλεκτρόλυση;

Πόσο νερό καταναλώνεται με την ηλεκτρόλυση

Βήμα πρώτο: Παραγωγή υδρογόνου

Η κατανάλωση νερού προέρχεται από δύο στάδια: την παραγωγή υδρογόνου και την παραγωγή ενέργειας ανάντη. Για την παραγωγή υδρογόνου, η ελάχιστη κατανάλωση ηλεκτρολυμένου νερού είναι περίπου 9 κιλά νερού ανά κιλό υδρογόνου. Ωστόσο, λαμβάνοντας υπόψη τη διαδικασία αφαλάτωσης του νερού, αυτή η αναλογία μπορεί να κυμαίνεται από 18 έως 24 κιλά νερού ανά κιλό υδρογόνου ή ακόμη και από 25,7 έως 30,2.

Για την υπάρχουσα παραγωγική διαδικασία (αναμόρφωση ατμού μεθανίου), η ελάχιστη κατανάλωση νερού είναι 4,5kgH2O/kgH2 (απαιτείται για αντίδραση), λαμβάνοντας υπόψη το νερό διεργασίας και την ψύξη, η ελάχιστη κατανάλωση νερού είναι 6,4-32,2kgH2O/kgH2.

Βήμα 2: Πηγές ενέργειας (ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια ή φυσικό αέριο)

Ένα άλλο στοιχείο είναι η κατανάλωση νερού για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές και φυσικού αερίου. Η κατανάλωση νερού της φωτοβολταϊκής ενέργειας κυμαίνεται μεταξύ 50-400 λίτρα /MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) και της αιολικής ενέργειας μεταξύ 5-45 λίτρα /MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Ομοίως, η παραγωγή φυσικού αερίου από σχιστολιθικό αέριο (με βάση τα δεδομένα των ΗΠΑ) μπορεί να αυξηθεί από 1,14kgH2O/kgH2 σε 4,9kgH2O/kgH2.

Συμπερασματικά, η μέση συνολική κατανάλωση νερού υδρογόνου που παράγεται από την παραγωγή φωτοβολταϊκών και την παραγωγή αιολικής ενέργειας είναι περίπου 32 και 22kgH2O/kgH2, αντίστοιχα. Οι αβεβαιότητες προέρχονται από την ηλιακή ακτινοβολία, τη διάρκεια ζωής και την περιεκτικότητα σε πυρίτιο. Αυτή η κατανάλωση νερού είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με την παραγωγή υδρογόνου από φυσικό αέριο (7,6-37 kgh2o /kgH2, με μέσο όρο 22kgH2O/kgH2).

Συνολικό αποτύπωμα νερού: Χαμηλότερο όταν χρησιμοποιείτε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας

Παρόμοια με τις εκπομπές CO2, απαραίτητη προϋπόθεση για χαμηλό αποτύπωμα νερού για ηλεκτρολυτικές διαδρομές είναι η χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Εάν μόνο ένα μικρό κλάσμα της ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται με τη χρήση ορυκτών καυσίμων, η κατανάλωση νερού που σχετίζεται με την ηλεκτρική ενέργεια είναι πολύ μεγαλύτερη από το πραγματικό νερό που καταναλώνεται κατά την ηλεκτρόλυση.

Για παράδειγμα, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας φυσικού αερίου μπορεί να χρησιμοποιεί έως και 2.500 λίτρα /MWh νερού. Είναι επίσης η καλύτερη περίπτωση για τα ορυκτά καύσιμα (φυσικό αέριο). Εάν ληφθεί υπόψη η αεριοποίηση του άνθρακα, η παραγωγή υδρογόνου μπορεί να καταναλώσει 31-31,8kgH2O/kgH2 και η παραγωγή άνθρακα μπορεί να καταναλώσει 14,7kgH2O/kgH2. Η κατανάλωση νερού από φωτοβολταϊκά και άνεμο αναμένεται επίσης να μειωθεί με την πάροδο του χρόνου καθώς οι διαδικασίες παραγωγής γίνονται πιο αποδοτικές και η παραγωγή ενέργειας ανά μονάδα εγκατεστημένης ισχύος βελτιώνεται.

Συνολική κατανάλωση νερού το 2050

Ο κόσμος αναμένεται να χρησιμοποιεί πολλές φορές περισσότερο υδρογόνο στο μέλλον από ό,τι σήμερα. Για παράδειγμα, το World Energy Transitions Outlook του IRENA εκτιμά ότι η ζήτηση υδρογόνου το 2050 θα είναι περίπου 74 EJ, εκ των οποίων περίπου τα δύο τρίτα θα προέρχονται από ανανεώσιμες πηγές υδρογόνου. Συγκριτικά, σήμερα (καθαρό υδρογόνο) είναι 8,4 EJ.

Ακόμα κι αν το ηλεκτρολυτικό υδρογόνο μπορούσε να καλύψει τη ζήτηση υδρογόνου για ολόκληρο το 2050, η κατανάλωση νερού θα ήταν περίπου 25 δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα. Το παρακάτω σχήμα συγκρίνει αυτό το σχήμα με άλλα ανθρωπογενή ρεύματα κατανάλωσης νερού. Η γεωργία χρησιμοποιεί τη μεγαλύτερη ποσότητα 280 δισεκατομμυρίων κυβικών μέτρων νερού, ενώ η βιομηχανία χρησιμοποιεί σχεδόν 800 δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα και οι πόλεις χρησιμοποιούν 470 δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα. Η τρέχουσα κατανάλωση νερού της αναμόρφωσης φυσικού αερίου και της αεριοποίησης άνθρακα για την παραγωγή υδρογόνου είναι περίπου 1,5 δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα.

Έτσι, αν και αναμένεται να καταναλωθούν μεγάλες ποσότητες νερού λόγω αλλαγών στις ηλεκτρολυτικές οδούς και της αυξανόμενης ζήτησης, η κατανάλωση νερού από την παραγωγή υδρογόνου θα εξακολουθεί να είναι πολύ μικρότερη από άλλες ροές που χρησιμοποιούνται από τον άνθρωπο. Ένα άλλο σημείο αναφοράς είναι ότι η κατά κεφαλήν κατανάλωση νερού κυμαίνεται μεταξύ 75 (Λουξεμβούργο) και 1.200 (ΗΠΑ) κυβικά μέτρα ετησίως. Κατά μέσο όρο 400 m3 / (κατά κεφαλήν * έτος), η συνολική παραγωγή υδρογόνου το 2050 είναι ισοδύναμη με εκείνη μιας χώρας 62 εκατομμυρίων κατοίκων.

Πόσο κοστίζει το νερό και πόση ενέργεια καταναλώνεται

κόστος

Τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα απαιτούν νερό υψηλής ποιότητας και απαιτούν επεξεργασία νερού. Το χαμηλότερης ποιότητας νερό οδηγεί σε ταχύτερη υποβάθμιση και μικρότερη διάρκεια ζωής. Πολλά στοιχεία, συμπεριλαμβανομένων των διαφραγμάτων και των καταλυτών που χρησιμοποιούνται σε αλκάλια, καθώς και των μεμβρανών και των πορωδών στρωμάτων μεταφοράς του PEM, μπορούν να επηρεαστούν αρνητικά από ακαθαρσίες νερού όπως σίδηρος, χρώμιο, χαλκός κ.λπ. Η αγωγιμότητα του νερού απαιτείται να είναι μικρότερη από 1 μ¼ S/ cm και συνολικός οργανικός άνθρακας μικρότερος από 50 μ¼ g/L.

Το νερό αντιπροσωπεύει ένα σχετικά μικρό μερίδιο της κατανάλωσης ενέργειας και του κόστους. Το χειρότερο σενάριο και για τις δύο παραμέτρους είναι η αφαλάτωση. Η αντίστροφη όσμωση είναι η κύρια τεχνολογία για την αφαλάτωση, αντιπροσωπεύοντας σχεδόν το 70 τοις εκατό της παγκόσμιας χωρητικότητας. Η τεχνολογία κοστίζει $1900- $2000 / m³/d και έχει ρυθμό καμπύλης μάθησης 15%. Σε αυτό το κόστος επένδυσης, το κόστος επεξεργασίας είναι περίπου $1 /m³ και μπορεί να είναι χαμηλότερο σε περιοχές όπου το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας είναι χαμηλό.

Επιπλέον, τα έξοδα αποστολής θα αυξηθούν κατά περίπου 1-2 $ ανά m³. Ακόμη και σε αυτήν την περίπτωση, το κόστος επεξεργασίας νερού είναι περίπου 0,05 $ /kgH2. Για να το θέσουμε αυτό στην προοπτική, το κόστος του ανανεώσιμου υδρογόνου μπορεί να είναι 2-3 $ /kgH2 εάν υπάρχουν καλοί ανανεώσιμοι πόροι, ενώ το κόστος του μέσου πόρου είναι 4-5 $ /kgH2.

Έτσι, σε αυτό το συντηρητικό σενάριο, το νερό θα κόστιζε λιγότερο από το 2 τοις εκατό του συνόλου. Η χρήση θαλασσινού νερού μπορεί να αυξήσει την ποσότητα του νερού που ανακτάται κατά 2,5 έως 5 φορές (όσον αφορά τον παράγοντα ανάκτησης).

Κατανάλωση ενέργειας

Εξετάζοντας την κατανάλωση ενέργειας της αφαλάτωσης, είναι επίσης πολύ μικρή σε σύγκριση με την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτείται για την εισαγωγή του ηλεκτρολυτικού στοιχείου. Η τρέχουσα μονάδα αντίστροφης όσμωσης καταναλώνει περίπου 3,0 kW/m3. Αντίθετα, οι μονάδες θερμικής αφαλάτωσης έχουν πολύ μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας, που κυμαίνεται από 40 έως 80 KWH/m3, με πρόσθετες απαιτήσεις ισχύος που κυμαίνονται από 2,5 έως 5 KWH/m3, ανάλογα με την τεχνολογία αφαλάτωσης. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα τη συντηρητική περίπτωση (δηλαδή υψηλότερη ζήτηση ενέργειας) μιας μονάδας συμπαραγωγής, υποθέτοντας τη χρήση αντλίας θερμότητας, η ζήτηση ενέργειας θα μετατραπεί σε περίπου 0,7 kWh/kg υδρογόνου. Για να το θέσουμε αυτό σε μια προοπτική, η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας του ηλεκτρολυτικού στοιχείου είναι περίπου 50-55 kWh/kg, επομένως ακόμη και στο χειρότερο σενάριο, η ενεργειακή ζήτηση για αφαλάτωση είναι περίπου το 1% της συνολικής εισροής ενέργειας στο σύστημα.

Μια πρόκληση της αφαλάτωσης είναι η διάθεση του θαλασσινού νερού, η οποία μπορεί να έχει αντίκτυπο στα τοπικά θαλάσσια οικοσυστήματα. Αυτή η άλμη μπορεί να υποβληθεί σε περαιτέρω επεξεργασία για τη μείωση των περιβαλλοντικών της επιπτώσεων, προσθέτοντας έτσι άλλα 0,6-2,40 $ /m³ στο κόστος του νερού. Επιπλέον, η ποιότητα του ηλεκτρολυτικού νερού είναι πιο αυστηρή από το πόσιμο νερό και μπορεί να οδηγήσει σε υψηλότερο κόστος επεξεργασίας, αλλά αυτό εξακολουθεί να αναμένεται να είναι μικρό σε σύγκριση με την ισχύ εισόδου.

Το υδατικό αποτύπωμα του ηλεκτρολυτικού νερού για την παραγωγή υδρογόνου είναι μια πολύ συγκεκριμένη παράμετρος τοποθεσίας που εξαρτάται από την τοπική διαθεσιμότητα νερού, την κατανάλωση, την υποβάθμιση και τη ρύπανση. Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη η ισορροπία των οικοσυστημάτων και ο αντίκτυπος των μακροπρόθεσμων κλιματικών τάσεων. Η κατανάλωση νερού θα αποτελέσει σημαντικό εμπόδιο στην κλιμάκωση του ανανεώσιμου υδρογόνου.