برای تولید هیدروژن با الکترولیز چقدر آب لازم است؟

چه مقدار آب توسط الکترولیز مصرف می شود

مرحله اول: تولید هیدروژن

مصرف آب از دو مرحله تولید می شود: تولید هیدروژن و تولید حامل انرژی بالادست. برای تولید هیدروژن، حداقل مصرف آب الکترولیز شده تقریباً 9 کیلوگرم آب به ازای هر کیلوگرم هیدروژن است. با این حال، با در نظر گرفتن فرآیند دمینرالیزاسیون آب، این نسبت می تواند از 18 تا 24 کیلوگرم آب به ازای هر کیلوگرم هیدروژن و یا حتی تا 25.7 تا 30.2 متغیر باشد..

برای فرآیند تولید موجود (رفرمینگ بخار متان)، حداقل مصرف آب 4.5kgH2O/kgH2 (مورد نیاز برای واکنش)، با در نظر گرفتن آب فرآیند و خنک‌سازی، حداقل مصرف آب 6.4-32.2kgH2O/kgH2 است.

مرحله 2: منابع انرژی (الکتریسیته تجدید پذیر یا گاز طبیعی)

جزء دیگر مصرف آب برای تولید برق تجدیدپذیر و گاز طبیعی است. مصرف آب برق فتوولتائیک بین 50-400 لیتر در مگاوات ساعت (2.4-19 کیلوگرم H2O/kgH2) و انرژی باد بین 5-45 لیتر در مگاوات ساعت (0.2-2.1 کیلوگرم H2O/kgH2) متغیر است. به طور مشابه، تولید گاز از گاز شیل (بر اساس داده های ایالات متحده) می تواند از 1.14 کیلوگرم H2O/kgH2 به 4.9 کیلوگرم H2O/kgH2 افزایش یابد.

در نتیجه، میانگین کل مصرف آب هیدروژن تولید شده توسط تولید برق فتوولتائیک و تولید برق بادی به ترتیب حدود 32 و 22 کیلوگرم H2O/kgH2 است. عدم قطعیت ها ناشی از تابش خورشیدی، طول عمر و محتوای سیلیکون است. این میزان مصرف آب به اندازه تولید هیدروژن از گاز طبیعی است (7.6-37 kgh2o/kgH2، با میانگین 22kgH2O/kgH2).

کل ردپای آب: در هنگام استفاده از انرژی های تجدیدپذیر کمتر

مشابه انتشار CO2، یک پیش نیاز برای ردپای کم آب برای مسیرهای الکترولیتی، استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر است. اگر تنها بخش کوچکی از برق با استفاده از سوخت های فسیلی تولید شود، مصرف آب مرتبط با الکتریسیته بسیار بیشتر از آب مصرفی واقعی در طول الکترولیز است.

به عنوان مثال، تولید برق گازی می تواند تا 2500 لیتر در مگاوات ساعت آب مصرف کند. همچنین بهترین حالت برای سوخت های فسیلی (گاز طبیعی) است. اگر گازی شدن زغال سنگ در نظر گرفته شود، تولید هیدروژن می تواند 31-31.8kgH2O/kgH2 و تولید زغال سنگ می تواند 14.7kgH2O/kgH2 مصرف کند. همچنین انتظار می‌رود مصرف آب فتوولتائیک و باد در طول زمان کاهش یابد زیرا فرآیندهای تولید کارآمدتر می‌شوند و خروجی انرژی در واحد ظرفیت نصب‌شده بهبود می‌یابد.

کل مصرف آب در سال 2050

انتظار می رود جهان در آینده چندین برابر بیشتر از امروز از هیدروژن استفاده کند. به عنوان مثال، چشم انداز انتقال انرژی IRENA در جهان تخمین می زند که تقاضای هیدروژن در سال 2050 حدود 74 EJ خواهد بود که حدود دو سوم آن از هیدروژن تجدید پذیر تامین می شود. برای مقایسه، امروزه (هیدروژن خالص) 8.4EJ است.

حتی اگر هیدروژن الکترولیتی بتواند نیاز هیدروژن را برای کل سال 2050 تامین کند، مصرف آب حدود 25 میلیارد متر مکعب خواهد بود. شکل زیر این رقم را با دیگر جریان های مصرفی آب ساخته دست بشر مقایسه می کند. کشاورزی بیشترین میزان مصرف آب را با 280 میلیارد مترمکعب و صنعت نزدیک به 800 میلیارد مترمکعب و شهرها 470 میلیارد متر مکعب آب مصرف می کنند. مصرف آب فعلی اصلاح گاز طبیعی و تبدیل به گاز زغال سنگ برای تولید هیدروژن حدود 1.5 میلیارد متر مکعب است.

بنابراین، اگرچه انتظار می‌رود مقادیر زیادی آب به دلیل تغییر مسیرهای الکترولیتی و تقاضای فزاینده مصرف شود، مصرف آب حاصل از تولید هیدروژن هنوز بسیار کمتر از سایر جریان‌های مورد استفاده توسط انسان خواهد بود. نکته مرجع دیگر این است که مصرف سرانه آب بین 75 (لوکزامبورگ) تا 1200 (آمریکا) متر مکعب در سال است. به طور متوسط ​​400 متر مکعب / (سرانه * سال)، کل تولید هیدروژن در سال 2050 معادل تولید یک کشور 62 میلیون نفری است.

هزینه آب چقدر است و چقدر انرژی مصرف می شود

هزینه

سلول های الکترولیتی به آب با کیفیت بالا نیاز دارند و نیاز به تصفیه آب دارند. آب با کیفیت پایین منجر به تخریب سریع تر و عمر کوتاه تر می شود. بسیاری از عناصر، از جمله دیافراگم‌ها و کاتالیزورهای مورد استفاده در مواد قلیایی، و همچنین غشاها و لایه‌های انتقال متخلخل PEM، می‌توانند تحت تأثیر ناخالصی‌های آب مانند آهن، کروم، مس و غیره قرار گیرند. هدایت آب باید کمتر از 1I¼S/S باشد. سانتی متر و کل کربن آلی کمتر از 50 μ¼ گرم در لیتر است.

آب سهم نسبتا کمی از مصرف انرژی و هزینه ها را به خود اختصاص می دهد. بدترین سناریو برای هر دو پارامتر نمک زدایی است. اسمز معکوس فناوری اصلی برای نمک زدایی است که نزدیک به 70 درصد ظرفیت جهانی را به خود اختصاص می دهد. هزینه این فناوری 1900 تا 2000 دلار در متر مکعب در روز است و نرخ منحنی یادگیری آن 15 درصد است. در این هزینه سرمایه گذاری، هزینه درمان حدود 1 دلار در متر مکعب است و ممکن است در مناطقی که هزینه برق پایین است کمتر باشد.

علاوه بر این، هزینه های حمل و نقل حدود 1-2 دلار در هر متر مکعب افزایش می یابد. حتی در این مورد، هزینه های تصفیه آب حدود 0.05 دلار / کیلوگرم در هر کیلوگرم H2 است. برای در نظر گرفتن این موضوع، هزینه هیدروژن تجدیدپذیر می تواند 2-3 دلار / کیلوگرم در هر کیلوگرم در هکتار در صورت وجود منابع تجدید پذیر خوب باشد، در حالی که هزینه متوسط ​​منابع 4-5 دلار / کیلوگرم در هر کیلوگرم در H2 است.

بنابراین در این سناریوی محافظه کارانه، آب کمتر از 2 درصد کل هزینه خواهد داشت. استفاده از آب دریا می تواند میزان آب بازیافتی را 2.5 تا 5 برابر (از نظر ضریب بازیافت) افزایش دهد.

مصرف انرژی

با نگاهی به مصرف انرژی نمک‌زدایی، در مقایسه با مقدار برق مورد نیاز برای ورودی سلول الکترولیتی نیز بسیار ناچیز است. واحد اسمز معکوس فعلی حدود 3.0 کیلووات بر متر مکعب مصرف می کند. در مقابل، نیروگاه های آب شیرین کن حرارتی مصرف انرژی بسیار بالاتری دارند، از 40 تا 80 کیلووات ساعت بر متر مکعب، با نیازهای برق اضافی که بسته به فناوری آب شیرین کن از 5/2 تا 5 کیلووات ساعت بر متر مکعب است. با در نظر گرفتن حالت محافظه کارانه (یعنی تقاضای انرژی بیشتر) یک نیروگاه تولید همزمان، با فرض استفاده از پمپ حرارتی، تقاضای انرژی به حدود 0.7 کیلووات ساعت بر کیلوگرم هیدروژن تبدیل می شود. برای در نظر گرفتن این موضوع، نیاز برق سلول الکترولیتی حدود 50-55 کیلووات ساعت بر کیلوگرم است، بنابراین حتی در بدترین سناریو، نیاز انرژی برای نمک‌زدایی حدود 1٪ از کل انرژی ورودی به سیستم است.

یکی از چالش های نمک زدایی، دفع آب نمک است که می تواند بر اکوسیستم های دریایی محلی تأثیر بگذارد. این آب نمک را می توان برای کاهش اثرات زیست محیطی آن بیشتر تصفیه کرد، بنابراین 0.6-2.40 دلار دیگر در متر مکعب به هزینه آب اضافه می شود. علاوه بر این، کیفیت آب الکترولیتی سخت‌تر از آب آشامیدنی است و ممکن است هزینه‌های تصفیه بالاتری را به دنبال داشته باشد، اما انتظار می‌رود این میزان در مقایسه با انرژی ورودی کم باشد.

ردپای آب آب الکترولیتی برای تولید هیدروژن یک پارامتر مکان بسیار خاص است که به در دسترس بودن آب محلی، مصرف، تخریب و آلودگی بستگی دارد. تعادل اکوسیستم ها و تأثیر روندهای آب و هوایی بلند مدت باید در نظر گرفته شود. مصرف آب یک مانع بزرگ برای افزایش هیدروژن تجدیدپذیر خواهد بود.