Koľko vody je potrebné na výrobu vodíka elektrolýzou?

Koľko vody sa spotrebuje elektrolýzou

Prvý krok: Výroba vodíka

Spotreba vody sa skladá z dvoch krokov: výroby vodíka a výroby nosiča energie. Na výrobu vodíka je minimálna spotreba elektrolyzovanej vody približne 9 kilogramov vody na kilogram vodíka. Ak však vezmeme do úvahy proces demineralizácie vody, tento pomer sa môže pohybovať od 18 do 24 kilogramov vody na kilogram vodíka alebo dokonca až od 25,7 do 30,2.

Pre existujúci výrobný proces (reformovanie metánovou parou) je minimálna spotreba vody 4,5 kgH2O/kgH2 (potrebné na reakciu), berúc do úvahy procesnú vodu a chladenie, minimálna spotreba vody je 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.

Krok 2: Zdroje energie (obnoviteľná elektrina alebo zemný plyn)

Ďalšou zložkou je spotreba vody na výrobu obnoviteľnej elektriny a zemného plynu. Spotreba vody fotovoltaickej energie sa pohybuje medzi 50-400 l/MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2) a spotreba veternej energie medzi 5-45 l/MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2). Podobne produkcia plynu z bridlicového plynu (na základe údajov USA) sa môže zvýšiť z 1,14 kgH2O/kgH2 na 4,9 kgH2O/kgH2.

Na záver možno konštatovať, že priemerná celková spotreba vody vodíka pri výrobe fotovoltaickej energie a pri výrobe veternej energie je približne 32 a 22 kgH2O/kgH2. Neistoty pochádzajú zo slnečného žiarenia, životnosti a obsahu kremíka. Táto spotreba vody je rádovo rovnaká ako výroba vodíka zo zemného plynu (7,6 – 37 kgh2o/kgH2, s priemerom 22 kgH2O/kgH2).

Celková vodná stopa: Nižšia pri využívaní obnoviteľnej energie

Podobne ako pri emisiách CO2, predpokladom nízkej vodnej stopy pre elektrolytické cesty je využívanie obnoviteľných zdrojov energie. Ak sa len malá časť elektriny vyrába z fosílnych palív, spotreba vody spojená s elektrickou energiou je oveľa vyššia ako skutočná voda spotrebovaná počas elektrolýzy.

Napríklad pri výrobe elektriny z plynu je možné spotrebovať až 2 500 litrov vody na MWh. Je to tiež najlepší prípad pre fosílne palivá (zemný plyn). Ak sa uvažuje o splyňovaní uhlia, pri výrobe vodíka sa môže spotrebovať 31-31,8 kg H2O/kgH2 a pri výrobe uhlia 14,7 kgH2O/kgH2. Očakáva sa, že spotreba vody z fotovoltaiky a vetra bude časom klesať, keďže výrobné procesy budú efektívnejšie a energetický výstup na jednotku inštalovanej kapacity sa zlepší.

Celková spotreba vody v roku 2050

Očakáva sa, že svet bude v budúcnosti využívať mnohonásobne viac vodíka ako dnes. Napríklad IRENA World Energy Transitions Outlook odhaduje, že dopyt po vodíku v roku 2050 bude asi 74 EJ, z čoho asi dve tretiny budú pochádzať z obnoviteľného vodíka. Pre porovnanie, dnes (čistý vodík) je 8,4EJ.

Aj keby elektrolytický vodík dokázal pokryť dopyt po vodíku na celý rok 2050, spotreba vody by bola asi 25 miliárd metrov kubických. Nižšie uvedený obrázok porovnáva tento údaj s inými tokmi spotreby vody vyrobenými človekom. Poľnohospodárstvo využíva najväčšie množstvo 280 miliárd kubických metrov vody, kým priemysel využíva takmer 800 miliárd kubických metrov a mestá 470 miliárd kubických metrov. Súčasná spotreba vody na reformovanie zemného plynu a splyňovanie uhlia na výrobu vodíka je asi 1,5 miliardy metrov kubických.

Hoci sa teda očakáva spotreba veľkého množstva vody v dôsledku zmien v elektrolytických cestách a rastúceho dopytu, spotreba vody z výroby vodíka bude stále oveľa menšia ako iné toky používané ľuďmi. Ďalším referenčným bodom je, že spotreba vody na obyvateľa je medzi 75 (Luxembursko) a 1 200 (USA) kubických metrov za rok. Pri priemere 400 m3 / (na obyvateľa * rok) je celková produkcia vodíka v roku 2050 ekvivalentná produkcii v krajine so 62 miliónmi obyvateľov.

Koľko stojí voda a koľko energie sa spotrebuje

náklady

Elektrolytické články vyžadujú vysokokvalitnú vodu a vyžadujú úpravu vody. Nižšia kvalita vody vedie k rýchlejšej degradácii a kratšej životnosti. Mnohé prvky, vrátane membrán a katalyzátorov používaných v zásadách, ako aj membrány a porézne transportné vrstvy PEM, môžu byť nepriaznivo ovplyvnené nečistotami z vody, ako je železo, chróm, meď atď. Vodivosť vody musí byť menšia ako 1μS/ cm a celkový organický uhlík menej ako 50 µg/l.

Voda predstavuje relatívne malý podiel spotreby energie a nákladov. Najhorším scenárom pre oba parametre je odsoľovanie. Reverzná osmóza je hlavnou technológiou odsoľovania, ktorá predstavuje takmer 70 percent celosvetovej kapacity. Táto technológia stojí 1 900 – 2 000 USD / m³/d a jej krivka učenia je 15 %. Pri týchto investičných nákladoch sú náklady na úpravu približne 1 USD/m³ a môžu byť nižšie v oblastiach, kde sú náklady na elektrinu nízke.

Okrem toho sa náklady na dopravu zvýšia približne o 1 – 2 USD za m³. Aj v tomto prípade sú náklady na úpravu vody približne 0,05 USD/kgH2. Aby sme to uviedli do perspektívy, náklady na obnoviteľný vodík môžu byť 2 – 3 USD/kgH2, ak sú dostupné dobré obnoviteľné zdroje, zatiaľ čo náklady na priemerný zdroj sú 4 – 5 USD/kgH2.

Takže v tomto konzervatívnom scenári by voda stála menej ako 2 percentá z celkovej sumy. Použitie morskej vody môže zvýšiť množstvo získanej vody 2,5 až 5-krát (v zmysle koeficientu regenerácie).

Spotreba energie

Pri pohľade na spotrebu energie pri odsoľovaní je tiež veľmi malá v porovnaní s množstvom elektriny potrebnej na vstup do elektrolytického článku. Súčasná prevádzková jednotka reverznej osmózy spotrebuje približne 3,0 kW/m3. Naproti tomu zariadenia na tepelné odsoľovanie majú oveľa vyššiu spotrebu energie, ktorá sa pohybuje od 40 do 80 KWH/m3, pričom dodatočné požiadavky na energiu sa pohybujú od 2,5 do 5 KWH/m3 v závislosti od technológie odsoľovania. Ak vezmeme za príklad konzervatívny prípad (t. j. vyššiu energetickú náročnosť) kogeneračného zariadenia, za predpokladu použitia tepelného čerpadla by sa potreba energie prepočítala na približne 0,7 kWh/kg vodíka. Aby sme to uviedli do perspektívy, spotreba elektrickej energie elektrolytického článku je približne 50 – 55 kWh/kg, takže aj v najhoršom prípade je potreba energie na odsoľovanie približne 1 % z celkového energetického vstupu do systému.

Jednou z výziev odsoľovania je likvidácia slanej vody, ktorá môže mať vplyv na miestne morské ekosystémy. Táto soľanka sa môže ďalej upravovať, aby sa znížil jej vplyv na životné prostredie, čím sa k cene vody pridá ďalších 0,6 – 2,40 USD/m³. Okrem toho je kvalita elektrolytickej vody prísnejšia ako kvalita pitnej vody a môže viesť k vyšším nákladom na úpravu, no stále sa očakáva, že v porovnaní s príkonom budú nízke.

Vodná stopa elektrolytickej vody na výrobu vodíka je veľmi špecifický parameter lokality, ktorý závisí od miestnej dostupnosti vody, jej spotreby, degradácie a znečistenia. Mala by sa zvážiť rovnováha ekosystémov a vplyv dlhodobých klimatických trendov. Spotreba vody bude hlavnou prekážkou pri rozširovaní obnoviteľného vodíka.