Kolik vody je potřeba k výrobě vodíku elektrolýzou?

Kolik vody spotřebuje elektrolýza

Krok jedna: Výroba vodíku

Spotřeba vody se skládá ze dvou kroků: výroby vodíku a výroby nosiče energie proti proudu. Pro výrobu vodíku je minimální spotřeba elektrolyzované vody přibližně 9 kilogramů vody na kilogram vodíku. Nicméně, vezmeme-li v úvahu proces demineralizace vody, může se tento poměr pohybovat od 18 do 24 kilogramů vody na kilogram vodíku nebo dokonce až 25,7 až 30,2.

Pro stávající výrobní proces (reformování metanovou parou) je minimální spotřeba vody 4,5 kgH2O/kgH2 (potřebné pro reakci), s přihlédnutím k procesní vodě a chlazení je minimální spotřeba vody 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.

Krok 2: Zdroje energie (obnovitelná elektřina nebo zemní plyn)

Další složkou je spotřeba vody na výrobu obnovitelné elektřiny a zemního plynu. Spotřeba vody fotovoltaické energie se pohybuje mezi 50-400 l/MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2) a spotřeba větrné energie mezi 5-45 l/MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2). Podobně lze produkci plynu z břidlicového plynu (na základě údajů z USA) zvýšit z 1,14 kgH2O/kgH2 na 4,9 kgH2O/kgH2.

Na závěr lze konstatovat, že průměrná celková spotřeba vody vodíku při výrobě fotovoltaické energie a při výrobě větrné energie je asi 32 a 22 kgH2O/kgH2. Nejistoty pocházejí ze slunečního záření, životnosti a obsahu křemíku. Tato spotřeba vody je řádově stejná jako výroba vodíku ze zemního plynu (7,6-37 kgh2o /kgH2, s průměrem 22kgH2O/kgH2).

Celková vodní stopa: Nižší při použití obnovitelné energie

Podobně jako u emisí CO2 je předpokladem nízké vodní stopy u elektrolytických cest využívání obnovitelných zdrojů energie. Pokud se pouze malá část elektřiny vyrábí pomocí fosilních paliv, spotřeba vody spojená s elektřinou je mnohem vyšší než skutečná voda spotřebovaná během elektrolýzy.

Například výroba elektřiny z plynu může spotřebovat až 2 500 litrů/MWh vody. Je to také nejlepší případ pro fosilní paliva (zemní plyn). Pokud se uvažuje o zplyňování uhlí, může výroba vodíku spotřebovat 31-31,8 kgH2O/kgH2 a výroba uhlí může spotřebovat 14,7 kgH2O/kgH2. Očekává se, že spotřeba vody z fotovoltaiky a větru bude časem klesat, protože výrobní procesy budou efektivnější a zvýší se energetický výstup na jednotku instalované kapacity.

Celková spotřeba vody v roce 2050

Očekává se, že svět bude v budoucnu využívat mnohonásobně více vodíku než dnes. Například IRENA World Energy Transitions Outlook odhaduje, že poptávka po vodíku v roce 2050 bude asi 74 EJ, z čehož asi dvě třetiny budou pocházet z obnovitelného vodíku. Pro srovnání, dnes (čistý vodík) je 8,4EJ.

I kdyby elektrolytický vodík dokázal pokrýt poptávku po vodíku po celý rok 2050, spotřeba vody by byla asi 25 miliard metrů krychlových. Níže uvedený obrázek porovnává toto číslo s jinými toky spotřeby vody vytvořenými člověkem. Zemědělství spotřebuje největší množství 280 miliard metrů krychlových vody, zatímco průmysl spotřebuje téměř 800 miliard metrů krychlových a města 470 miliard metrů krychlových. Současná spotřeba vody při reformování zemního plynu a zplyňování uhlí pro výrobu vodíku je asi 1,5 miliardy metrů krychlových.

I když se tedy očekává, že kvůli změnám v elektrolytických drahách a rostoucí poptávce bude spotřebováno velké množství vody, spotřeba vody z výroby vodíku bude stále mnohem menší než u jiných toků používaných lidmi. Dalším referenčním bodem je, že spotřeba vody na hlavu se pohybuje mezi 75 (Lucembursko) a 1 200 (USA) kubických metrů za rok. V průměru 400 m3 / (na hlavu * rok) je celková produkce vodíku v roce 2050 ekvivalentní produkci v zemi s 62 miliony obyvatel.

Kolik stojí voda a kolik energie se spotřebuje

náklady

Elektrolytické články vyžadují vysoce kvalitní vodu a vyžadují úpravu vody. Nižší kvalita vody vede k rychlejší degradaci a kratší životnosti. Mnoho prvků, včetně diafragm a katalyzátorů používaných v alkáliích, stejně jako membrány a porézní transportní vrstvy PEM, může být nepříznivě ovlivněno nečistotami z vody, jako je železo, chrom, měď atd. Vodivost vody musí být menší než 1μS/ cm a celkový organický uhlík méně než 50 µg/l.

Voda představuje relativně malý podíl na spotřebě energie a nákladech. Nejhorším scénářem pro oba parametry je odsolování. Reverzní osmóza je hlavní technologií pro odsolování, která představuje téměř 70 procent celosvětové kapacity. Tato technologie stojí 1900 – 2000 USD / m³/den a má křivku učení 15 %. Při těchto investičních nákladech jsou náklady na úpravu asi 1 USD/m³ a mohou být nižší v oblastech, kde jsou náklady na elektřinu nízké.

Kromě toho se náklady na dopravu zvýší přibližně o 1–2 USD za m³. I v tomto případě jsou náklady na úpravu vody asi 0,05 $ /kgH2. Abychom to uvedli do perspektivy, náklady na obnovitelný vodík mohou být 2–3 USD/kgH2, pokud jsou dostupné dobré obnovitelné zdroje, zatímco cena průměrného zdroje je 4–5 USD/kgH2.

Takže v tomto konzervativním scénáři by voda stála méně než 2 procenta z celkové částky. Použití mořské vody může zvýšit množství získané vody 2,5 až 5krát (z hlediska faktoru obnovy).

Spotřeba energie

Při pohledu na spotřebu energie odsolování je také velmi malá ve srovnání s množstvím elektřiny potřebné pro vstup do elektrolytického článku. Současná provozní jednotka reverzní osmózy spotřebuje asi 3,0 kW/m3. Naproti tomu zařízení na tepelné odsolování mají mnohem vyšší spotřebu energie, která se pohybuje od 40 do 80 KWH/m3, s dodatečnými požadavky na energii v rozmezí od 2,5 do 5 KWH/m3 v závislosti na technologii odsolování. Vezmeme-li příklad konzervativního případu (tj. vyšší energetické náročnosti) kogeneračního zařízení, za předpokladu použití tepelného čerpadla by byla potřeba energie převedena na cca 0,7 kWh/kg vodíku. Abychom to uvedli do perspektivy, spotřeba elektřiny elektrolytického článku je asi 50-55 kWh/kg, takže i v nejhorším případě je potřeba energie na odsolování asi 1 % z celkového energetického vstupu do systému.

Jedním z problémů odsolování je likvidace slané vody, která může mít dopad na místní mořské ekosystémy. Tato solanka může být dále upravována, aby se snížil její dopad na životní prostředí, čímž se k ceně vody přidá dalších 0,6–2,40 $ / m³. Kromě toho je kvalita elektrolytické vody přísnější než kvalita pitné vody a může mít za následek vyšší náklady na úpravu, ale stále se očekává, že budou malé ve srovnání s příkonem.

Vodní stopa elektrolytické vody pro výrobu vodíku je velmi specifický parametr lokality, který závisí na místní dostupnosti vody, spotřebě, degradaci a znečištění. Je třeba vzít v úvahu rovnováhu ekosystémů a dopad dlouhodobých klimatických trendů. Spotřeba vody bude hlavní překážkou rozšiřování obnovitelného vodíku.