Kuinka paljon vettä tarvitaan vedyn valmistamiseksi elektrolyysillä?

Kuinka paljon vettä kuluu elektrolyysissä

Vaihe yksi: Vedyn tuotanto

Vedenkulutus tulee kahdesta vaiheesta: vedyn tuotannosta ja alkupään energian kantoaineen tuotannosta. Vedyn tuotannossa elektrolysoidun veden vähimmäiskulutus on noin 9 kiloa vettä kiloa kohti vetyä. Veden demineralisaatioprosessi huomioon ottaen tämä suhde voi kuitenkin vaihdella välillä 18-24 kiloa vettä per kilo vetyä tai jopa 25,7-30,2..

Nykyisessä tuotantoprosessissa (metaanihöyryreformointi) veden vähimmäiskulutus on 4,5 kgH2O/kgH2 (vaatii reaktioon), kun otetaan huomioon prosessivesi ja jäähdytys, veden vähimmäiskulutus on 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.

Vaihe 2: Energialähteet (uusiutuva sähkö tai maakaasu)

Toinen komponentti on veden kulutus uusiutuvan sähkön ja maakaasun tuottamiseen. Aurinkosähkön vedenkulutus vaihtelee välillä 50-400 litraa /MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) ja tuulivoiman välillä 5-45 litraa /MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Vastaavasti kaasun tuotantoa liuskekaasusta (USA:n tietojen perusteella) voidaan nostaa arvosta 1,14 kgH2O/kgH2 arvoon 4,9 kgH2O/kgH2.

Yhteenvetona voidaan todeta, että aurinkosähkön ja tuulivoimantuotannon vedyn keskimääräinen kokonaisvedenkulutus on noin 32 ja 22 kgH2O/kgH2. Epävarmuudet johtuvat auringon säteilystä, eliniästä ja piipitoisuudesta. Tämä vedenkulutus on samaa suuruusluokkaa kuin vedyn tuotanto maakaasusta (7,6-37 kgh2o /kgH2, keskimäärin 22kgH2O/kgH2).

Kokonaisvesijalanjälki: Pienempi uusiutuvaa energiaa käytettäessä

Hiilidioksidipäästöjen tapaan elektrolyysireittien alhaisen vesijalanjäljen edellytyksenä on uusiutuvien energialähteiden käyttö. Jos vain pieni osa sähköstä tuotetaan fossiilisilla polttoaineilla, sähköön liittyvä vedenkulutus on paljon suurempi kuin todellinen elektrolyysin aikana kulutettu vesi.

Esimerkiksi kaasuvoimantuotanto voi käyttää jopa 2500 litraa/MWh vettä. Se on myös paras vaihtoehto fossiilisille polttoaineille (maakaasulle). Jos otetaan huomioon hiilen kaasutus, vedyn tuotanto voi kuluttaa 31-31,8 kgH2O/kgH2 ja hiilen tuotanto 14,7 kgH2O/kgH2. Aurinkosähköstä ja tuulesta peräisin olevan veden kulutuksen odotetaan myös laskevan ajan myötä, kun valmistusprosessit tehostuvat ja energian tuotanto asennettua kapasiteettia kohti paranee.

Veden kokonaiskulutus vuonna 2050

Maailman odotetaan käyttävän tulevaisuudessa monta kertaa enemmän vetyä kuin nykyään. Esimerkiksi IRENAn World Energy Transitions Outlookin mukaan vedyn kysyntä vuonna 2050 on noin 74 EJ, josta noin kaksi kolmasosaa tulee uusiutuvasta vedystä. Vertailun vuoksi tänään (puhdas vety) on 8,4 EJ.

Vaikka elektrolyyttinen vety pystyisi kattamaan vedyn tarpeen koko vuodelle 2050, vedenkulutus olisi noin 25 miljardia kuutiometriä. Alla olevassa kuvassa tätä lukua verrataan muihin ihmisen tuottamiin vedenkulutusvirtoihin. Maatalous käyttää vettä eniten, 280 miljardia kuutiometriä, teollisuus käyttää lähes 800 miljardia kuutiometriä ja kaupungit 470 miljardia kuutiometriä. Nykyinen vedenkulutus maakaasun reformoinnissa ja hiilen kaasutuksessa vedyn tuotantoon on noin 1,5 miljardia kuutiometriä.

Näin ollen, vaikka suuria määriä vettä odotetaan kuluttavan elektrolyyttisten reittien muutosten ja kasvavan kysynnän vuoksi, vedenkulutus vedyn tuotannosta on silti paljon pienempi kuin muiden ihmisten käyttämien virtausten. Toinen vertailukohta on, että vedenkulutus asukasta kohden on 75 (Luxemburg) - 1 200 (USA) kuutiometriä vuodessa. Keskimäärin 400 m3 / (per capita * vuosi) vedyn kokonaistuotanto vuonna 2050 vastaa 62 miljoonan asukkaan maan tuotantoa.

Kuinka paljon vesi maksaa ja kuinka paljon energiaa kuluu

kustannus

Elektrolyyttiset kennot vaativat korkealaatuista vettä ja vaativat vedenkäsittelyä. Huonompilaatuinen vesi johtaa nopeampaan hajoamiseen ja lyhyempään käyttöikään. Veden epäpuhtaudet, kuten rauta, kromi, kupari jne., voivat vaikuttaa haitallisesti moniin alkuaineisiin, mukaan lukien alkaleissa käytetyt kalvot ja katalyytit sekä PEM:n kalvot ja huokoiset kuljetuskerrokset. Veden johtavuuden on oltava alle 1μS/ cm ja orgaanisen hiilen kokonaismäärä alle 50 μg/l.

Veden osuus energiankulutuksesta ja kustannuksista on suhteellisen pieni. Molempien parametrien pahin skenaario on suolanpoisto. Käänteisosmoosi on tärkein suolanpoistoteknologia, ja sen osuus maailmanlaajuisesta kapasiteetista on lähes 70 prosenttia. Tekniikka maksaa $ 1900 - $ 2000 / m³/d ja sen oppimiskäyrä on 15%. Tällä investointikustannuksella käsittelykustannukset ovat noin $ 1 /m³ ja voivat olla alhaisemmat alueilla, joilla sähkökustannukset ovat alhaiset.

Lisäksi toimituskulut nousevat noin 1-2 dollaria/m³. Jopa tässä tapauksessa vedenkäsittelykustannukset ovat noin 0,05 dollaria / kgH2. Perspektiivistä katsottuna uusiutuvan vedyn hinta voi olla 2-3 dollaria/kgH2, jos hyviä uusiutuvia luonnonvaroja on saatavilla, kun taas keskimääräisen resurssin hinta on 4-5 dollaria/kgH2.

Joten tässä konservatiivisessa skenaariossa vesi maksaisi alle 2 prosenttia kokonaishinnasta. Meriveden käyttö voi kasvattaa talteen otettavan veden määrää 2,5-5-kertaiseksi (talteenottokertoimella mitattuna).

Energiankulutus

Kun tarkastellaan suolanpoiston energiankulutusta, se on myös hyvin pieni verrattuna elektrolyyttikennoon syöttämiseen tarvittavaan sähkömäärään. Nykyinen käänteisosmoosiyksikkö kuluttaa noin 3,0 kW/m3. Sitä vastoin lämpösuolanpoistolaitosten energiankulutus on paljon korkeampi, 40–80 KWH/m3, ja lisätehotarve vaihtelee 2,5–5 KWH/m3 suolanpoistotekniikasta riippuen. Kun otetaan esimerkkinä yhteistuotantolaitoksen konservatiivinen tapaus (eli korkeampi energiantarve) ja oletetaan, että käytetään lämpöpumppua, energian tarve muutetaan noin 0,7 kWh/kg vetyä. Tarkasteltaessa tätä elektrolyyttikennon sähköntarve on noin 50-55 kWh/kg, joten pahimmassakin tapauksessa suolanpoiston energiantarve on noin 1 % järjestelmän kokonaisenergiasyötöstä.

Yksi suolanpoiston haasteista on suolaveden hävittäminen, mikä voi vaikuttaa paikallisiin meren ekosysteemeihin. Tätä suolaliuosta voidaan käsitellä edelleen sen ympäristövaikutusten vähentämiseksi, mikä lisää vielä 0,6–2,40 dollaria /m³ veden hintaan. Lisäksi elektrolyyttisen veden laatu on juomavettä tiukempi ja voi johtaa korkeampiin käsittelykustannuksiin, mutta tämän odotetaan silti olevan pieni tehonsyöttöön verrattuna.

Vedyn tuotantoon käytettävän elektrolyyttisen veden vesijalanjälki on hyvin erityinen sijaintiparametri, joka riippuu paikallisesta veden saatavuudesta, kulutuksesta, hajoamisesta ja saastumisesta. Ekosysteemien tasapaino ja pitkän aikavälin ilmastotrendien vaikutukset tulee ottaa huomioon. Vedenkulutus tulee olemaan suuri este uusiutuvan vedyn lisäämiselle.