Câtă apă este nevoie pentru a produce hidrogen prin electroliză?

Câtă apă se consumă prin electroliză

Pasul unu: producția de hidrogen

Consumul de apă provine din două etape: producția de hidrogen și producția de purtător de energie în amonte. Pentru producerea de hidrogen, consumul minim de apă electrolizată este de aproximativ 9 kilograme de apă per kilogram de hidrogen. Cu toate acestea, ținând cont de procesul de demineralizare a apei, acest raport poate varia de la 18 la 24 de kilograme de apă per kilogram de hidrogen, sau chiar de la 25,7 la 30,2..

Pentru procesul de producție existent (reformare cu abur metan), consumul minim de apă este de 4,5kgH2O/kgH2 (necesar pentru reacție), luând în considerare apa de proces și răcire, consumul minim de apă este de 6,4-32,2kgH2O/kgH2.

Pasul 2: Surse de energie (electricitate regenerabilă sau gaz natural)

O altă componentă este consumul de apă pentru a produce energie electrică regenerabilă și gaze naturale. Consumul de apă al energiei fotovoltaice variază între 50-400 litri/MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) iar cel al energiei eoliene între 5-45 litri/MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). În mod similar, producția de gaz din gaz de șist (pe baza datelor din SUA) poate fi crescută de la 1,14 kgH2O/kgH2 la 4,9kgH2O/kgH2.

În concluzie, consumul mediu total de apă de hidrogen generat de generarea de energie fotovoltaică și generarea de energie eoliană este de aproximativ 32, respectiv 22 kgH2O/kgH2. Incertitudinile provin din radiația solară, durata de viață și conținutul de siliciu. Acest consum de apă este de același ordin de mărime ca și producția de hidrogen din gaze naturale (7,6-37 kgh2o/kgH2, cu o medie de 22kgH2O/kgH2).

Amprenta totală a apei: mai mică atunci când se utilizează energie regenerabilă

Similar cu emisiile de CO2, o condiție prealabilă pentru o amprentă de apă scăzută pentru rutele electrolitice este utilizarea surselor de energie regenerabilă. Dacă doar o mică parte din energie electrică este generată folosind combustibili fosili, consumul de apă asociat cu electricitatea este mult mai mare decât apa consumată efectiv în timpul electrolizei.

De exemplu, generarea de energie pe gaz poate folosi până la 2.500 de litri/MWh de apă. Este, de asemenea, cel mai bun caz pentru combustibilii fosili (gaze naturale). Dacă se ia în considerare gazeificarea cărbunelui, producția de hidrogen poate consuma 31-31,8 kgH2O/kgH2, iar producția de cărbune poate consuma 14,7kgH2O/kgH2. Consumul de apă din energia fotovoltaică și eoliană este, de asemenea, de așteptat să scadă în timp, pe măsură ce procesele de producție devin mai eficiente și producția de energie pe unitate de capacitate instalată se îmbunătățește.

Consumul total de apă în 2050

Se așteaptă că lumea va folosi de multe ori mai mult hidrogen în viitor decât în ​​prezent. De exemplu, World Energy Transitions Outlook de la IRENA estimează că cererea de hidrogen în 2050 va fi de aproximativ 74 EJ, din care aproximativ două treimi vor proveni din hidrogen regenerabil. Prin comparație, astăzi (hidrogenul pur) este de 8,4 EJ.

Chiar dacă hidrogenul electrolitic ar putea satisface cererea de hidrogen pentru tot anul 2050, consumul de apă ar fi de aproximativ 25 de miliarde de metri cubi. Figura de mai jos compară această cifră cu alte fluxuri de consum de apă artificiale. Agricultura folosește cea mai mare cantitate de 280 de miliarde de metri cubi de apă, în timp ce industria folosește aproape 800 de miliarde de metri cubi, iar orașele folosesc 470 de miliarde de metri cubi. Consumul actual de apă pentru reformarea gazelor naturale și gazeificarea cărbunelui pentru producția de hidrogen este de aproximativ 1,5 miliarde de metri cubi.

Astfel, deși se așteaptă să se consume cantități mari de apă din cauza schimbărilor în căile electrolitice și a cererii în creștere, consumul de apă din producția de hidrogen va fi totuși mult mai mic decât alte fluxuri utilizate de oameni. Un alt punct de referință este că consumul de apă pe cap de locuitor este între 75 (Luxemburg) și 1.200 (SUA) de metri cubi pe an. La o medie de 400 m3 / (pe cap de locuitor * an), producția totală de hidrogen în 2050 este echivalentă cu cea a unei țări de 62 de milioane de locuitori.

Câtă apă costă și câtă energie se folosește

cost

Celulele electrolitice necesită apă de înaltă calitate și necesită tratarea apei. Apa de calitate inferioară duce la o degradare mai rapidă și o viață mai scurtă. Multe elemente, inclusiv diafragmele și catalizatorii utilizați în alcaline, precum și membranele și straturile poroase de transport ale PEM, pot fi afectate negativ de impuritățile apei, cum ar fi fierul, cromul, cuprul etc. Conductivitatea apei este necesar să fie mai mică de 1 μS/ cm și carbon organic total mai mic de 50μg/L.

Apa reprezintă o parte relativ mică din consumul și costurile de energie. Cel mai rău scenariu pentru ambii parametri este desalinizarea. Osmoza inversă este principala tehnologie de desalinizare, reprezentând aproape 70% din capacitatea globală. Tehnologia costă 1900-2000 USD/m³/zi și are o rată a curbei de învățare de 15%. La acest cost de investiție, costul tratamentului este de aproximativ 1 USD/m³ și poate fi mai mic în zonele în care costurile cu electricitatea sunt scăzute.

În plus, costurile de transport vor crește cu aproximativ 1-2 USD pe m³. Chiar și în acest caz, costurile de tratare a apei sunt de aproximativ 0,05 USD/kgH2. Pentru a pune acest lucru în perspectivă, costul hidrogenului regenerabil poate fi de 2-3 USD/kgH2 dacă sunt disponibile resurse regenerabile bune, în timp ce costul resursei medii este de 4-5 USD/kgH2.

Deci, în acest scenariu conservator, apa ar costa mai puțin de 2% din total. Utilizarea apei de mare poate crește cantitatea de apă recuperată de 2,5 până la 5 ori (din punct de vedere al factorului de recuperare).

Consumul de energie

Privind consumul de energie al desalinizării, acesta este, de asemenea, foarte mic în comparație cu cantitatea de energie electrică necesară pentru intrarea celulei electrolitice. Unitatea de operare curentă de osmoză inversă consumă aproximativ 3,0 kW/m3. În schimb, instalațiile de desalinizare termică au un consum de energie mult mai mare, variind de la 40 la 80 KWH/m3, cu cerințe suplimentare de putere variind de la 2,5 până la 5 KWH/m3, în funcție de tehnologia de desalinizare. Luând ca exemplu cazul conservator (adică cererea de energie mai mare) a unei centrale de cogenerare, presupunând utilizarea unei pompe de căldură, cererea de energie ar fi convertită la aproximativ 0,7 kWh/kg de hidrogen. Pentru a pune acest lucru în perspectivă, cererea de energie electrică a celulei electrolitice este de aproximativ 50-55 kWh/kg, deci chiar și în cel mai rău caz, cererea de energie pentru desalinizare este de aproximativ 1% din energia totală aportă în sistem.

O provocare a desalinizării este eliminarea apei sărate, care poate avea un impact asupra ecosistemelor marine locale. Această saramură poate fi tratată în continuare pentru a-și reduce impactul asupra mediului, adăugând astfel încă 0,6-2,40 USD/m³ la costul apei. În plus, calitatea apei electrolitice este mai riguroasă decât apa potabilă și poate duce la costuri de tratare mai mari, dar se așteaptă totuși că aceasta va fi mică în comparație cu puterea absorbită.

Amprenta de apă a apei electrolitice pentru producția de hidrogen este un parametru de locație foarte specific, care depinde de disponibilitatea locală a apei, consum, degradare și poluare. Ar trebui luate în considerare echilibrul ecosistemelor și impactul tendințelor climatice pe termen lung. Consumul de apă va fi un obstacol major în calea extinderii hidrogenului regenerabil.