Kui palju vett kulub vesiniku saamiseks elektrolüüsi teel?

Kui palju vett elektrolüüsil kulub

Esimene samm: vesiniku tootmine

Veetarbimine toimub kahes etapis: vesiniku tootmine ja ülesvoolu energiakandjate tootmine. Vesiniku tootmiseks on elektrolüüsitud vee minimaalne kulu umbes 9 kilogrammi vett kilogrammi vesiniku kohta. Võttes arvesse vee demineraliseerimisprotsessi, võib see suhe olla 18–24 kilogrammi vett ühe kilogrammi vesiniku kohta või isegi 25,7–30,2 kilogrammi vett..

Olemasoleva tootmisprotsessi (metaani aurureformimise) puhul on minimaalne veekulu 4,5kgH2O/kgH2 (vajalik reaktsiooniks), arvestades protsessivett ja jahutust, on minimaalne veekulu 6,4-32,2kgH2O/kgH2.

2. samm: energiaallikad (taastuv elekter või maagaas)

Teine komponent on vee tarbimine taastuvelektri ja maagaasi tootmiseks. Fotogalvaanilise energia veekulu jääb vahemikku 50-400 liitrit /MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) ja tuuleenergial 5-45 liitrit /MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Samamoodi saab põlevkivigaasist gaasi tootmist (USA andmete põhjal) tõsta 1,14 kgH2O/kgH2 tasemele 4,9 kgH2O/kgH2.

Kokkuvõttes on fotogalvaanilise elektrienergia ja tuuleenergia tootmisel tekkiva vesiniku keskmine veekulu vastavalt ligikaudu 32 ja 22 kgH2O/kgH2. Ebakindlus tuleneb päikesekiirgusest, elueast ja ränisisaldusest. See veekulu on samas suurusjärgus maagaasist vesiniku tootmisega (7,6-37 kgh2o /kgH2, keskmiselt 22kgH2O/kgH2).

Kogu veejalajälg: väiksem taastuvenergia kasutamisel

Sarnaselt CO2 heitkogustele on ka elektrolüütiliste radade madala veejalajälje eelduseks taastuvate energiaallikate kasutamine. Kui fossiilkütuseid kasutades toodetakse vaid väike osa elektrist, on elektriga kaasnev veekulu palju suurem kui tegelik elektrolüüsi käigus kuluv vesi.

Näiteks gaasienergia tootmisel saab kasutada kuni 2500 liitrit/MWh vett. See on parim lahendus ka fossiilkütuste (maagaas) jaoks. Kui arvestada kivisöe gaasistamist, võib vesiniku tootmine tarbida 31–31,8 kgH2O/kgH2 ja söe tootmine 14,7 kgH2O/kgH2. Aja jooksul väheneb eeldatavasti ka fotogalvaanilisest elektrist ja tuulest tulenev veetarbimine, kuna tootmisprotsessid muutuvad tõhusamaks ja energiatoodang installeeritud võimsuse ühiku kohta paraneb.

Vee kogutarbimine 2050. aastal

Eeldatakse, et maailm kasutab tulevikus kordades rohkem vesinikku kui praegu. Näiteks IRENA World Energy Transitions Outlook prognoosib, et 2050. aastal on vesiniku nõudlus ligikaudu 74 EJ, millest ligikaudu kaks kolmandikku tuleb taastuvast vesinikust. Võrdluseks, täna (puhas vesinik) on 8,4EJ.

Isegi kui elektrolüütiline vesinik suudaks rahuldada vesiniku nõudlust kogu 2050. aastaks, oleks veekulu umbes 25 miljardit kuupmeetrit. Alloleval joonisel võrreldakse seda arvu teiste inimtekkeliste veetarbimisega. Põllumajandus kasutab kõige rohkem 280 miljardit kuupmeetrit vett, tööstus aga ligi 800 miljardit kuupmeetrit ja linnad 470 miljardit kuupmeetrit. Praegune maagaasi reformimise ja kivisöe gaasistamise veetarbimine vesiniku tootmiseks on umbes 1,5 miljardit kuupmeetrit.

Seega, kuigi eeldatakse, et elektrolüütiliste radade muutuste ja kasvava nõudluse tõttu tarbitakse suures koguses vett, jääb vesiniku tootmisel tekkiv veetarbimine siiski palju väiksemaks kui teiste inimeste poolt kasutatavate voolude puhul. Teine võrdluspunkt on see, et veetarbimine elaniku kohta jääb vahemikku 75 (Luksemburg) kuni 1200 (USA) kuupmeetrit aastas. Keskmiselt 400 m3 / (elaniku kohta * aastas) on vesiniku kogutoodang 2050. aastal võrdne 62 miljoni elanikuga riigi omaga.

Kui palju maksab vesi ja kui palju energiat kulub

kulu

Elektrolüütilised rakud vajavad kvaliteetset vett ja vajavad veetöötlust. Madalama kvaliteediga vesi toob kaasa kiirema lagunemise ja lühema eluea. Vee lisandid, nagu raud, kroom, vask jne, võivad ebasoodsalt mõjutada paljusid elemente, sealhulgas leelistes kasutatavaid diafragmasid ja katalüsaatoreid, samuti PEM-i membraane ja poorseid transpordikihte. Vee juhtivus peab olema väiksem kui 1μS/ cm ja kogu orgaaniline süsinik on alla 50 µg/l.

Vesi moodustab suhteliselt väikese osa energiatarbimisest ja kuludest. Mõlema parameetri halvim stsenaarium on magestamine. Pöördosmoos on peamine magestamise tehnoloogia, mis moodustab peaaegu 70 protsenti ülemaailmsest võimsusest. Tehnoloogia maksab $ 1900-2000 / m³/d ja selle õppimiskõvera määr on 15%. Selle investeerimiskulu juures on puhastuskulu umbes 1 $/m³ ja võib olla madalam piirkondades, kus elektrikulud on madalad.

Lisaks tõusevad saatmiskulud umbes 1–2 dollarit m³ kohta. Isegi sel juhul on veepuhastuskulud umbes 0,05 $/kgH2. Selle perspektiivi silmas pidades võib taastuva vesiniku hind olla heade taastuvate ressursside olemasolul 2–3 USD / kgH2, samas kui keskmise ressursi hind on 4–5 USD / kgH2.

Nii et selle konservatiivse stsenaariumi korral maksaks vesi vähem kui 2 protsenti koguhinnast. Merevee kasutamine võib suurendada taaskasutatud vee kogust 2,5-5 korda (tagastusteguri osas).

Energiatarbimine

Kui vaadata magestamise energiakulu, siis see on ka väga väike võrreldes elektrolüütielemendi sisestamiseks vajaliku elektrihulgaga. Praegu töötav pöördosmoosiseade tarbib umbes 3,0 kW/m3. Seevastu termilise magestamise jaamade energiatarve on palju suurem, jäädes vahemikku 40–80 KWH/m3, kusjuures täiendav võimsusvajadus jääb vahemikku 2,5–5 KWH/m3, olenevalt magestamise tehnoloogiast. Kui võtta näiteks koostootmisjaama konservatiivne juhtum (s.o suurem energiavajadus), siis soojuspumba kasutamist eeldades muudetaks energiavajadus umbes 0,7 kWh/kg vesiniku kohta. Vaadates seda perspektiivi, on elektrolüütielemendi elektrivajadus umbes 50-55 kWh/kg, seega isegi halvima stsenaariumi korral on magestamise energiavajadus umbes 1% kogu süsteemi energiasisendist.

Üks magestamise väljakutseid on soolase vee kõrvaldamine, mis võib mõjutada kohalikke mere ökosüsteeme. Seda soolvett saab täiendavalt töödelda, et vähendada selle keskkonnamõju, lisades seega veel 0,6–2,40 dollarit /m³ vee hinnale. Lisaks on elektrolüütilise vee kvaliteet rangem kui joogivesi ja võib kaasa tuua suuremad ravikulud, kuid see on eeldatavasti siiski väike võrreldes sisendvõimsusega.

Vesiniku tootmiseks kasutatava elektrolüütilise vee jalajälg on väga spetsiifiline asukohaparameeter, mis sõltub kohalikust vee kättesaadavusest, tarbimisest, lagunemisest ja reostusest. Arvestada tuleks ökosüsteemide tasakaalu ja pikaajaliste kliimatrendide mõjuga. Veetarbimine on peamiseks takistuseks taastuva vesiniku suurendamisel.