Berapa banyak air yang diperlukan untuk membuat hidrogen melalui elektrolisis?

Berapa banyak air yang digunakan oleh elektrolisis

Langkah pertama: Pengeluaran hidrogen

Penggunaan air datang daripada dua langkah: pengeluaran hidrogen dan pengeluaran pembawa tenaga huluan. Untuk pengeluaran hidrogen, penggunaan minimum air elektrolisis adalah kira-kira 9 kilogram air per kilogram hidrogen. Walau bagaimanapun, dengan mengambil kira proses penyahmineralan air, nisbah ini boleh berkisar antara 18 hingga 24 kilogram air per kilogram hidrogen, atau bahkan setinggi 25.7 hingga 30.2.

Untuk proses pengeluaran sedia ada (pembaharuan wap metana), penggunaan air minimum ialah 4.5kgH2O/kgH2 (diperlukan untuk tindak balas), dengan mengambil kira air proses dan penyejukan, penggunaan air minimum ialah 6.4-32.2kgH2O/kgH2.

Langkah 2: Sumber tenaga (elektrik boleh diperbaharui atau gas asli)

Komponen lain ialah penggunaan air untuk menghasilkan tenaga elektrik dan gas asli yang boleh diperbaharui. Penggunaan air kuasa fotovoltan berbeza antara 50-400 liter /MWj (2.4-19kgH2O/kgH2) dan kuasa angin antara 5-45 liter /MWj (0.2-2.1kgH2O/kgH2). Begitu juga, pengeluaran gas daripada gas syal (berdasarkan data AS) boleh ditingkatkan daripada 1.14kgH2O/kgH2 kepada 4.9kgH2O/kgH2.

Kesimpulannya, purata jumlah penggunaan air hidrogen yang dijana oleh penjanaan kuasa fotovoltaik dan penjanaan kuasa angin adalah kira-kira 32 dan 22kgH2O/kgH2, masing-masing. Ketidakpastian datang daripada sinaran suria, seumur hidup dan kandungan silikon. Penggunaan air ini adalah pada urutan magnitud yang sama seperti pengeluaran hidrogen daripada gas asli (7.6-37 kgh2o /kgH2, dengan purata 22kgH2O/kgH2).

Jumlah jejak air: Lebih rendah apabila menggunakan tenaga boleh diperbaharui

Sama seperti pelepasan CO2, prasyarat untuk jejak air yang rendah untuk laluan elektrolitik ialah penggunaan sumber tenaga boleh diperbaharui. Jika hanya sebahagian kecil daripada tenaga elektrik dijana menggunakan bahan api fosil, penggunaan air yang berkaitan dengan elektrik adalah jauh lebih tinggi daripada air sebenar yang digunakan semasa elektrolisis.

Sebagai contoh, penjanaan kuasa gas boleh menggunakan sehingga 2,500 liter/MWj air. Ia juga merupakan kes terbaik untuk bahan api fosil (gas asli). Jika pengegasan arang batu dipertimbangkan, pengeluaran hidrogen boleh menggunakan 31-31.8kgH2O/kgH2 dan pengeluaran arang batu boleh menggunakan 14.7kgH2O/kgH2. Penggunaan air daripada fotovoltaik dan angin juga dijangka berkurangan dari semasa ke semasa apabila proses pembuatan menjadi lebih cekap dan pengeluaran tenaga bagi setiap unit kapasiti terpasang bertambah baik.

Jumlah penggunaan air pada tahun 2050

Dunia dijangka menggunakan lebih banyak hidrogen pada masa hadapan berbanding hari ini. Sebagai contoh, Tinjauan Peralihan Tenaga Dunia IRENA menganggarkan bahawa permintaan hidrogen pada tahun 2050 adalah kira-kira 74EJ, yang mana kira-kira dua pertiga akan datang daripada hidrogen boleh diperbaharui. Sebagai perbandingan, hari ini (hidrogen tulen) ialah 8.4EJ.

Walaupun hidrogen elektrolitik dapat memenuhi permintaan hidrogen untuk keseluruhan tahun 2050, penggunaan air akan menjadi kira-kira 25 bilion meter padu. Rajah di bawah membandingkan angka ini dengan aliran penggunaan air buatan manusia yang lain. Pertanian menggunakan jumlah terbesar 280 bilion meter padu air, manakala industri menggunakan hampir 800 bilion meter padu dan bandar menggunakan 470 bilion meter padu. Penggunaan air semasa pembaharuan gas asli dan pengegasan arang batu untuk pengeluaran hidrogen ialah kira-kira 1.5 bilion meter padu.

Oleh itu, walaupun sejumlah besar air dijangka digunakan disebabkan oleh perubahan dalam laluan elektrolitik dan permintaan yang semakin meningkat, penggunaan air daripada pengeluaran hidrogen masih akan jauh lebih kecil daripada aliran lain yang digunakan oleh manusia. Satu lagi titik rujukan ialah penggunaan air per kapita adalah antara 75 (Luxembourg) dan 1,200 (AS) meter padu setahun. Pada purata 400 m3 / (per kapita * tahun), jumlah pengeluaran hidrogen pada tahun 2050 adalah bersamaan dengan negara dengan 62 juta orang.

Berapa kos air dan berapa banyak tenaga yang digunakan

kos

Sel elektrolitik memerlukan air berkualiti tinggi dan memerlukan rawatan air. Air berkualiti rendah membawa kepada degradasi yang lebih cepat dan hayat yang lebih pendek. Banyak unsur, termasuk diafragma dan pemangkin yang digunakan dalam alkali, serta membran dan lapisan pengangkutan berliang PEM, boleh terjejas teruk oleh kekotoran air seperti besi, kromium, kuprum, dll. Kekonduksian air diperlukan kurang daripada 1μS/ cm dan jumlah karbon organik kurang daripada 50μg/L.

Air menyumbang sebahagian kecil penggunaan tenaga dan kos. Senario terburuk untuk kedua-dua parameter ialah penyahgaraman. Osmosis songsang ialah teknologi utama untuk penyahgaraman, menyumbang hampir 70 peratus kapasiti global. Teknologi ini berharga $1900- $2000 / m³/d dan mempunyai kadar lengkung pembelajaran sebanyak 15%. Pada kos pelaburan ini, kos rawatan adalah kira-kira $1 /m³, dan mungkin lebih rendah di kawasan yang kos elektriknya rendah.

Di samping itu, kos penghantaran akan meningkat kira-kira $1-2 setiap m³. Walaupun dalam kes ini, kos rawatan air adalah kira-kira $0.05 /kgH2. Untuk meletakkan ini dalam perspektif, kos hidrogen boleh diperbaharui boleh menjadi $2-3 /kgH2 jika sumber boleh diperbaharui yang baik tersedia, manakala kos purata sumber ialah $4-5 /kgH2.

Jadi dalam senario konservatif ini, kos air akan kurang daripada 2 peratus daripada jumlah keseluruhan. Penggunaan air laut boleh meningkatkan jumlah air pulih sebanyak 2.5 hingga 5 kali ganda (dari segi faktor pemulihan).

Penggunaan tenaga

Melihat kepada penggunaan tenaga penyahgaraman, ia juga sangat kecil berbanding jumlah elektrik yang diperlukan untuk memasukkan sel elektrolitik. Unit osmosis songsang operasi semasa menggunakan kira-kira 3.0 kW/m3. Sebaliknya, loji penyahgaraman terma mempunyai penggunaan tenaga yang jauh lebih tinggi, antara 40 hingga 80 KWH/m3, dengan keperluan kuasa tambahan antara 2.5 hingga 5 KWH/m3, bergantung pada teknologi penyahgaraman. Mengambil kes konservatif (iaitu permintaan tenaga yang lebih tinggi) bagi loji penjanaan bersama sebagai contoh, dengan mengandaikan penggunaan pam haba, permintaan tenaga akan ditukar kepada kira-kira 0.7kWj/kg hidrogen. Untuk meletakkan ini dalam perspektif, permintaan elektrik sel elektrolitik adalah kira-kira 50-55kWh/kg, jadi walaupun dalam senario kes terburuk, permintaan tenaga untuk penyahgaraman adalah kira-kira 1% daripada jumlah input tenaga kepada sistem.

Satu cabaran penyahgaraman ialah pelupusan air masin, yang boleh memberi kesan kepada ekosistem Marin tempatan. Air garam ini boleh dirawat selanjutnya untuk mengurangkan kesan alam sekitar, sekali gus menambahkan lagi $0.6-2.40 /m³ kepada kos air. Di samping itu, kualiti air elektrolitik adalah lebih ketat daripada air minuman dan mungkin mengakibatkan kos rawatan yang lebih tinggi, tetapi ini masih dijangka kecil berbanding dengan input kuasa.

Jejak air air elektrolitik untuk pengeluaran hidrogen adalah parameter lokasi yang sangat spesifik yang bergantung pada ketersediaan air tempatan, penggunaan, degradasi dan pencemaran. Keseimbangan ekosistem dan kesan trend iklim jangka panjang harus dipertimbangkan. Penggunaan air akan menjadi halangan utama untuk meningkatkan hidrogen boleh diperbaharui.