Mennyi víz kell ahhoz, hogy elektrolízissel hidrogén keletkezzen?

Mennyi vizet fogyaszt az elektrolízis

Első lépés: Hidrogéntermelés

A vízfogyasztás két lépésből áll: a hidrogéntermelésből és az upstream energiahordozó termelésből. A hidrogén előállításához az elektrolizált víz minimális fogyasztása körülbelül 9 kilogramm víz kilogrammonként hidrogén. Figyelembe véve azonban a víz demineralizációs folyamatát, ez az arány 18-24 kilogramm víz/kg hidrogén, de akár 25,7-30,2 is lehet..

A meglévő gyártási folyamat (metán-gőzreformálás) esetén a minimális vízfogyasztás 4,5 kgH2O/kgH2 (a reakcióhoz szükséges), a technológiai vizet és a hűtést figyelembe véve a minimális vízfogyasztás 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.

2. lépés: Energiaforrások (megújuló villamos energia vagy földgáz)

Egy másik összetevő a vízfelhasználás megújuló villamos energia és földgáz előállítására. A fotovoltaikus energia vízfogyasztása 50-400 liter /MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2), a szélenergiaé 5-45 liter /MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2) között mozog. Hasonlóan, a palagázból származó gáztermelés (USA adatok alapján) 1,14 kgH2O/kgH2-ről 4,9 kgH2O/kgH2-re növelhető.

Összefoglalva, a fotovoltaikus energiatermelés és a szélenergia-termelés által termelt hidrogén átlagos teljes vízfogyasztása körülbelül 32, illetve 22 kgH2O/kgH2. A bizonytalanságok a napsugárzásból, az élettartamból és a szilíciumtartalomból adódnak. Ez a vízfogyasztás nagyságrendileg megegyezik a földgázból történő hidrogéntermeléssel (7,6-37 kgh2o /kgH2, átlagosan 22 kgH2O/kgH2).

Teljes vízlábnyom: Megújuló energia használata esetén kisebb

A CO2-kibocsátáshoz hasonlóan az elektrolitikus útvonalak alacsony vízlábnyomának előfeltétele a megújuló energiaforrások használata. Ha az elektromosságnak csak egy kis részét állítják elő fosszilis tüzelőanyagok felhasználásával, akkor az elektromos áramhoz kapcsolódó vízfogyasztás sokkal magasabb, mint az elektrolízis során ténylegesen elfogyasztott víz.

Például a gázenergia-termelés akár 2500 liter/MWh vizet is felhasználhat. Fosszilis tüzelőanyagok (földgáz) esetében is ez a legjobb megoldás. Ha figyelembe vesszük a szén elgázosítását, a hidrogéntermelés 31-31,8 kgH2O/kgH2, a széntermelés pedig 14,7 kgH2O/kgH2 fogyaszthat. A fotovoltaikából és a szélből származó vízfogyasztás idővel várhatóan csökkenni fog, ahogy a gyártási folyamatok hatékonyabbá válnak, és javul az egységnyi beépített kapacitásra jutó energiakibocsátás.

Teljes vízfogyasztás 2050-ben

A világ a jövőben várhatóan sokszor több hidrogént fog felhasználni, mint ma. Például az IRENA World Energy Transitions Outlook becslése szerint 2050-ben a hidrogénigény körülbelül 74 EJ lesz, amelynek körülbelül kétharmada megújuló hidrogénből származik majd. Összehasonlításképpen ma (tiszta hidrogén) 8,4EJ.

Még ha az elektrolitikus hidrogén kielégítené is a hidrogénigényt 2050 egészére, a vízfogyasztás körülbelül 25 milliárd köbméter lenne. Az alábbi ábra összehasonlítja ezt az adatot más mesterséges vízfogyasztási forrásokkal. A legtöbb, 280 milliárd köbméter vizet a mezőgazdaság, míg az ipar közel 800 milliárd köbmétert, a városok pedig 470 milliárd köbmétert használnak fel. A földgázreformálás és a szénelgázosítás jelenlegi vízfogyasztása a hidrogéntermeléshez körülbelül 1,5 milliárd köbméter.

Így, bár az elektrolitikus folyamatok változása és a növekvő igény miatt várhatóan nagy mennyiségű víz fogyasztása várható, a hidrogéntermelésből származó vízfogyasztás továbbra is jóval kisebb lesz, mint az emberek által használt egyéb áramlások. További referenciapont, hogy az egy főre jutó vízfogyasztás 75 (Luxemburg) és 1200 (USA) köbméter között van évente. Átlagosan 400 m3 / (egy főre vetítve * év) a teljes hidrogéntermelés 2050-ben egy 62 millió lakosú ország hidrogéntermelésének felel meg.

Mennyibe kerül a víz és mennyi energiát használnak fel

költség

Az elektrolitikus cellák jó minőségű vizet igényelnek, és vízkezelést igényelnek. A gyengébb minőségű víz gyorsabb lebomlást és rövidebb élettartamot eredményez. Sok elemet, beleértve a lúgokban használt membránokat és katalizátorokat, valamint a PEM membránjait és porózus szállítórétegeit, károsan befolyásolhatják a vízszennyeződések, például vas, króm, réz stb. cm és az összes szerves szén kevesebb, mint 50 µg/l.

A víz az energiafogyasztás és a költségek viszonylag kis részét teszi ki. Mindkét paraméter esetében a legrosszabb forgatókönyv a sótalanítás. A fordított ozmózis a sótalanítás fő technológiája, amely a globális kapacitás közel 70 százalékát teszi ki. A technológia ára 1900-2000 dollár/m³/d, tanulási görbéje pedig 15%. Ennél a beruházási költségnél a kezelési költség körülbelül 1 USD/m³, és alacsonyabb lehet azokon a területeken, ahol alacsonyak a villamosenergia-költségek.

Ezenkívül a szállítási költségek körülbelül 1-2 dollárral nőnek m³-enként. A vízkezelési költségek ebben az esetben is körülbelül 0,05 USD/kgH2. Ezt szem előtt tartva, a megújuló hidrogén költsége 2-3 USD/kgH2 lehet, ha jó megújuló erőforrások állnak rendelkezésre, míg az átlagos erőforrás költsége 4-5 USD/kgH2.

Tehát ebben a konzervatív forgatókönyvben a víz a teljes ár kevesebb mint 2 százalékába kerülne. A tengervíz felhasználása 2,5-5-szörösére növelheti a visszanyert víz mennyiségét (visszanyerési tényező szempontjából).

Energia fogyasztás

A sótalanítás energiafelhasználását tekintve az is nagyon kicsi az elektrolitikus cella betáplálásához szükséges villamos energia mennyiségéhez képest. A jelenleg működő fordított ozmózisos egység fogyasztása körülbelül 3,0 kW/m3. Ezzel szemben a termikus sótalanító üzemek energiafogyasztása jóval magasabb, 40-80 KWH/m3, a sótalanítási technológiától függően 2,5-5 KWH/m3 többletteljesítményigény mellett. Példaként egy kogenerációs erőmű konzervatív esetét (azaz nagyobb energiaigényt) tekintve, hőszivattyút feltételezve, az energiaigény körülbelül 0,7 kWh/kg hidrogénre alakulna át. Ezt szem előtt tartva, az elektrolitikus cella villamosenergia-igénye körülbelül 50-55 kWh/kg, így a sótalanítás energiaigénye még a legrosszabb esetben is a rendszer teljes energiabevitelének körülbelül 1%-a.

A sótalanítás egyik kihívása a sós víz ártalmatlanítása, amely hatással lehet a helyi tengeri ökoszisztémákra. Ez a sóoldat tovább kezelhető a környezeti hatás csökkentése érdekében, így további 0,6-2,40 USD /m³ hozzáadásával a víz költsége. Ezenkívül az elektrolitikus víz minősége szigorúbb, mint az ivóvíz, és magasabb kezelési költségeket eredményezhet, de ez várhatóan még mindig kicsi a bevitt teljesítményhez képest.

A hidrogéntermeléshez használt elektrolitikus víz vízlábnyoma egy nagyon specifikus helyparaméter, amely a helyi víz elérhetőségétől, fogyasztásától, lebomlásától és szennyezésétől függ. Figyelembe kell venni az ökoszisztémák egyensúlyát és a hosszú távú éghajlati trendek hatását. A vízfogyasztás nagy akadálya lesz a megújuló hidrogén felhasználásának.