Elektrolizle hidrojen yapmak için ne kadar su gerekir?

Elektroliz ile ne kadar su tüketilir?

Birinci adım: Hidrojen üretimi

Su tüketimi iki adımdan gelir: hidrojen üretimi ve yukarı akışlı enerji taşıyıcı üretimi. Hidrojen üretimi için minimum elektrolize su tüketimi, kilogram hidrojen başına yaklaşık 9 kilogram sudur. Ancak suyun demineralizasyon işlemi dikkate alındığında, bu oran kilogram hidrojen başına 18 ila 24 kilogram su arasında değişebilmekte, hatta 25,7 ila 30,2'ye kadar çıkabilmektedir..

Mevcut üretim prosesi (metan buhar reformingi) için minimum su tüketimi 4,5kgH2O/kgH2 (reaksiyon için gerekli), proses suyu ve soğutma dikkate alındığında minimum su tüketimi 6,4-32,2kgH2O/kgH2'dir.

Adım 2: Enerji kaynakları (yenilenebilir elektrik veya doğal gaz)

Diğer bir bileşen, yenilenebilir elektrik ve doğal gaz üretmek için su tüketimidir. Fotovoltaik enerjinin su tüketimi 50-400 litre /MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) arasında, rüzgar enerjisinin tüketimi ise 5-45 litre /MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2) arasında değişmektedir. Benzer şekilde kaya gazından gaz üretimi (ABD verilerine göre) 1,14kgH2O/kgH2'den 4,9kgH2O/kgH2'ye çıkarılabilir.

Sonuç olarak, fotovoltaik enerji üretimi ve rüzgar enerjisi üretimi tarafından üretilen hidrojenin ortalama toplam su tüketimi sırasıyla yaklaşık 32 ve 22kgH2O/kgH2'dir. Belirsizlikler güneş radyasyonu, kullanım ömrü ve silikon içeriğinden kaynaklanmaktadır. Bu su tüketimi, doğal gazdan hidrojen üretimi ile aynı büyüklüktedir (7,6-37 kgh2o /kgH2, ortalama 22kgH2O/kgH2).

Toplam su ayak izi: Yenilenebilir enerji kullanıldığında daha düşük

CO2 emisyonlarına benzer şekilde, elektrolitik yollar için düşük su ayak izi için bir ön koşul, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasıdır. Elektriğin yalnızca küçük bir kısmı fosil yakıtlar kullanılarak üretiliyorsa, elektrikle ilişkili su tüketimi elektroliz sırasında tüketilen gerçek sudan çok daha yüksektir.

Örneğin, gaz enerjisi üretimi 2.500 litre/MWh'ye kadar su kullanabilir. Aynı zamanda fosil yakıtlar (doğal gaz) için en iyi durumdur. Kömürün gazlaştırılması düşünülürse hidrojen üretimi 31-31.8kgH2O/kgH2, kömür üretimi ise 14.7kgH2O/kgH2 tüketebilir. Üretim süreçleri daha verimli hale geldikçe ve kurulu kapasite birimi başına enerji çıkışı iyileştikçe fotovoltaik ve rüzgardan kaynaklanan su tüketiminin de zaman içinde azalması bekleniyor.

2050'de toplam su tüketimi

Dünyanın gelecekte bugün olduğundan çok daha fazla hidrojen kullanması bekleniyor. Örneğin, IRENA'nın Dünya Enerji Geçişleri Görünümü, 2050'deki hidrojen talebinin yaklaşık 74EJ olacağını ve bunun yaklaşık üçte ikisinin yenilenebilir hidrojenden geleceğini tahmin ediyor. Karşılaştırıldığında, bugün (saf hidrojen) 8.4EJ'dir.

Elektrolitik hidrojen, 2050'nin tamamı için hidrojen talebini karşılayabilse bile, su tüketimi yaklaşık 25 milyar metreküp olacaktır. Aşağıdaki şekil, bu rakamı diğer insan yapımı su tüketim akışlarıyla karşılaştırmaktadır. Tarım, 280 milyar metreküp su ile en büyük miktarı kullanırken, sanayi yaklaşık 800 milyar metreküp ve şehirler 470 milyar metreküp su kullanıyor. Hidrojen üretimi için doğal gaz reformasyonu ve kömür gazlaştırmanın mevcut su tüketimi yaklaşık 1,5 milyar metreküptür.

Bu nedenle, elektrolitik yollardaki değişiklikler ve artan talep nedeniyle büyük miktarlarda su tüketilmesi beklenmesine rağmen, hidrojen üretiminden kaynaklanan su tüketimi, insanlar tarafından kullanılan diğer akışlardan çok daha küçük olacaktır. Diğer bir referans noktası ise, kişi başına su tüketiminin yılda 75 (Lüksemburg) ile 1.200 (ABD) metreküp arasında olmasıdır. Ortalama 400 m3 / (kişi başına * yıl) ile 2050 yılındaki toplam hidrojen üretimi, 62 milyon nüfuslu bir ülkeninkine eşdeğerdir.

Ne kadar su maliyeti ve ne kadar enerji kullanılır?

maliyet

Elektrolitik hücreler yüksek kaliteli su gerektirir ve su arıtma gerektirir. Düşük kaliteli su, daha hızlı bozulmaya ve daha kısa ömre yol açar. Alkalilerde kullanılan diyaframlar ve katalizörler ile PEM'in membranları ve gözenekli taşıma katmanları dahil olmak üzere birçok element, demir, krom, bakır vb. gibi su safsızlıklarından olumsuz etkilenebilir. cm ve toplam organik karbon 50μg/L'den az.

Su, enerji tüketiminde ve maliyetlerinde nispeten küçük bir paya sahiptir. Her iki parametre için de en kötü durum senaryosu tuzdan arındırmadır. Ters ozmoz, tuzdan arındırma için ana teknolojidir ve küresel kapasitenin yaklaşık yüzde 70'ini oluşturur. Teknolojinin maliyeti $1900- $2000 / m³/d'dir ve öğrenme eğrisi oranı %15'tir. Bu yatırım maliyetinde arıtma maliyeti yaklaşık 1 $/m³'tür ve elektrik maliyetlerinin düşük olduğu bölgelerde daha düşük olabilir.

Ayrıca, nakliye maliyetleri m³ başına yaklaşık 1-2 $ artacaktır. Bu durumda bile, su arıtma maliyetleri yaklaşık 0,05 $ /kgH2'dir. Bunu bir perspektife oturtmak gerekirse, eğer iyi yenilenebilir kaynaklar mevcutsa, yenilenebilir hidrojenin maliyeti 2-3$/kgH2 olurken, ortalama kaynağın maliyeti 4-5$/kgH2 olabilir.

Yani bu ihtiyatlı senaryoda, su toplam maliyetin yüzde 2'sinden daha azına mal olacaktır. Deniz suyu kullanımı, geri kazanılan su miktarını 2,5 ila 5 kat artırabilir (geri kazanım faktörü açısından).

Enerji tüketimi

Tuzdan arındırmanın enerji tüketimine bakıldığında, elektrolitik hücreye girmek için gereken elektrik miktarına kıyasla da çok küçüktür. Mevcut çalışan ters osmoz ünitesi yaklaşık 3,0 kW/m3 tüketir. Tersine, termal tuzdan arındırma tesisleri, tuzdan arındırma teknolojisine bağlı olarak 2,5 ila 5 KWH/m3 arasında değişen ek güç gereksinimleri ile 40 ila 80 KWH/m3 arasında değişen çok daha yüksek enerji tüketimine sahiptir. Bir kojenerasyon santralinin ihtiyatlı durumu (yani daha yüksek enerji talebi) örnek olarak alındığında, bir ısı pompasının kullanıldığı varsayılarak, enerji talebi yaklaşık 0,7kWh/kg hidrojene dönüştürülecektir. Bunu perspektife koymak gerekirse, elektrolitik hücrenin elektrik talebi yaklaşık 50-55kWh/kg'dır, bu nedenle en kötü senaryoda bile tuzdan arındırma için enerji talebi, sisteme giren toplam enerjinin yaklaşık %1'i kadardır.

Tuzdan arındırmanın bir zorluğu, yerel Deniz ekosistemleri üzerinde etkisi olabilecek tuzlu suyun bertaraf edilmesidir. Bu tuzlu su, çevresel etkisini azaltmak için daha fazla işlenebilir ve böylece su maliyetine 0,6-2,40 $ /m³ daha eklenir. Ek olarak, elektrolitik su kalitesi içme suyundan daha katıdır ve daha yüksek arıtma maliyetlerine neden olabilir, ancak bunun yine de güç girdisine kıyasla küçük olması beklenir.

Hidrojen üretimi için elektrolitik suyun su ayak izi, yerel su mevcudiyeti, tüketimi, bozulması ve kirliliğine bağlı olan çok özel bir konum parametresidir. Ekosistemlerin dengesi ve uzun vadeli iklim eğilimlerinin etkisi dikkate alınmalıdır. Su tüketimi, yenilenebilir hidrojenin ölçeklendirilmesinin önünde büyük bir engel olacaktır.