Gaano karaming tubig ang kinakailangan upang makagawa ng hydrogen sa pamamagitan ng electrolysis?

Gaano karaming tubig ang natupok ng electrolysis

Hakbang isa: produksyon ng hydrogen

Ang pagkonsumo ng tubig ay nagmumula sa dalawang hakbang: produksyon ng hydrogen at produksyon ng carrier ng upstream na enerhiya. Para sa produksyon ng hydrogen, ang pinakamababang pagkonsumo ng electrolyzed na tubig ay humigit-kumulang 9 kilo ng tubig kada kilo ng hydrogen. Gayunpaman, isinasaalang-alang ang proseso ng demineralization ng tubig, ang ratio na ito ay maaaring mula 18 hanggang 24 kilo ng tubig kada kilo ng hydrogen, o kahit kasing taas ng 25.7 hanggang 30.2.

Para sa umiiral na proseso ng produksyon (methane steam reforming), ang minimum na pagkonsumo ng tubig ay 4.5kgH2O/kgH2 (kinakailangan para sa reaksyon), isinasaalang-alang ang proseso ng tubig at paglamig, ang minimum na pagkonsumo ng tubig ay 6.4-32.2kgH2O/kgH2.

Hakbang 2: Mga mapagkukunan ng enerhiya (nababagong kuryente o natural na gas)

Ang isa pang bahagi ay ang pagkonsumo ng tubig upang makagawa ng renewable electricity at natural gas. Ang pagkonsumo ng tubig ng photovoltaic power ay nag-iiba sa pagitan ng 50-400 liters /MWh (2.4-19kgH2O/kgH2) at ng wind power sa pagitan ng 5-45 liters /MWh (0.2-2.1kgH2O/kgH2). Katulad nito, ang produksyon ng gas mula sa shale gas (batay sa data ng US) ay maaaring tumaas mula 1.14kgH2O/kgH2 hanggang 4.9kgH2O/kgH2.

Sa konklusyon, ang average na kabuuang pagkonsumo ng tubig ng hydrogen na nabuo ng photovoltaic power generation at wind power generation ay humigit-kumulang 32 at 22kgH2O/kgH2, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga kawalan ng katiyakan ay nagmumula sa solar radiation, panghabambuhay at nilalaman ng silikon. Ang pagkonsumo ng tubig na ito ay nasa parehong pagkakasunud-sunod ng magnitude gaya ng produksyon ng hydrogen mula sa natural na gas (7.6-37 kgh2o /kgH2, na may average na 22kgH2O/kgH2).

Kabuuang water footprint: Mas mababa kapag gumagamit ng renewable energy

Katulad ng mga CO2 emissions, isang kinakailangan para sa mababang water footprint para sa mga electrolytic na ruta ay ang paggamit ng renewable energy sources. Kung maliit na bahagi lamang ng kuryente ang nabuo gamit ang mga fossil fuel, ang pagkonsumo ng tubig na nauugnay sa kuryente ay mas mataas kaysa sa aktwal na tubig na nakonsumo sa panahon ng electrolysis.

Halimbawa, ang gas power generation ay maaaring gumamit ng hanggang 2,500 liters/MWh ng tubig. Ito rin ang pinakamahusay na kaso para sa fossil fuels (natural gas). Kung isasaalang-alang ang gasification ng karbon, ang produksyon ng hydrogen ay maaaring kumonsumo ng 31-31.8kgH2O/kgH2 at ang produksyon ng karbon ay maaaring kumonsumo ng 14.7kgH2O/kgH2. Ang pagkonsumo ng tubig mula sa photovoltaics at hangin ay inaasahan ding bababa sa paglipas ng panahon habang ang mga proseso ng pagmamanupaktura ay nagiging mas mahusay at ang output ng enerhiya sa bawat yunit ng naka-install na kapasidad ay bumubuti.

Kabuuang pagkonsumo ng tubig noong 2050

Ang mundo ay inaasahang gagamit ng maraming beses na mas maraming hydrogen sa hinaharap kaysa sa ngayon. Halimbawa, tinatantya ng IRENA's World Energy Transitions Outlook na ang pangangailangan ng hydrogen sa 2050 ay humigit-kumulang 74EJ, kung saan humigit-kumulang dalawang-katlo ang magmumula sa nababagong hydrogen. Sa paghahambing, ngayon (purong hydrogen) ay 8.4EJ.

Kahit na maaaring matugunan ng electrolytic hydrogen ang pangangailangan ng hydrogen para sa buong 2050, ang pagkonsumo ng tubig ay humigit-kumulang 25 bilyong metro kubiko. Inihahambing ng figure sa ibaba ang figure na ito sa iba pang gawa ng tao na mga stream ng pagkonsumo ng tubig. Ginagamit ng agrikultura ang pinakamalaking halaga ng 280 bilyong metro kubiko ng tubig, habang ang industriya ay gumagamit ng halos 800 bilyong metro kubiko at ang mga lungsod ay gumagamit ng 470 bilyong metro kubiko. Ang kasalukuyang pagkonsumo ng tubig ng natural gas reforming at coal gasification para sa produksyon ng hydrogen ay humigit-kumulang 1.5 bilyong metro kubiko.

Kaya, kahit na malaking halaga ng tubig ang inaasahang mauubos dahil sa mga pagbabago sa mga electrolytic pathway at lumalaking demand, ang pagkonsumo ng tubig mula sa produksyon ng hydrogen ay magiging mas maliit pa rin kaysa sa iba pang mga daloy na ginagamit ng mga tao. Ang isa pang reference point ay ang per capita na pagkonsumo ng tubig ay nasa pagitan ng 75 (Luxembourg) at 1,200 (US) cubic meters kada taon. Sa average na 400 m3 / (per capita * year), ang kabuuang produksyon ng hydrogen noong 2050 ay katumbas ng isang bansa na may 62 milyong katao.

Magkano ang halaga ng tubig at kung gaano karaming enerhiya ang ginagamit

gastos

Ang mga electrolytic cell ay nangangailangan ng mataas na kalidad ng tubig at nangangailangan ng paggamot sa tubig. Ang mababang kalidad ng tubig ay humahantong sa mas mabilis na pagkasira at mas maikling buhay. Maraming elemento, kabilang ang mga diaphragm at catalyst na ginagamit sa mga alkaline, pati na rin ang mga lamad at porous na transport layer ng PEM, ay maaaring maapektuhan ng mga dumi ng tubig tulad ng iron, chromium, copper, atbp. Kinakailangan ang conductivity ng tubig na mas mababa sa 1μS/ cm at kabuuang organikong carbon na mas mababa sa 50μg/L.

Ang tubig ay nagbibigay ng medyo maliit na bahagi ng pagkonsumo ng enerhiya at mga gastos. Ang pinakamasamang sitwasyon para sa parehong mga parameter ay ang desalination. Ang reverse osmosis ay ang pangunahing teknolohiya para sa desalination, na nagkakahalaga ng halos 70 porsiyento ng pandaigdigang kapasidad. Ang teknolohiya ay nagkakahalaga ng $1900- $2000 / m³/d at may learning curve rate na 15%. Sa halagang ito sa pamumuhunan, ang gastos sa paggamot ay humigit-kumulang $1 /m³, at maaaring mas mababa sa mga lugar kung saan mababa ang gastos sa kuryente.

Bilang karagdagan, ang mga gastos sa pagpapadala ay tataas ng humigit-kumulang $1-2 bawat m³. Kahit na sa kasong ito, ang mga gastos sa paggamot sa tubig ay humigit-kumulang $0.05 /kgH2. Upang ilagay ito sa perspektibo, ang halaga ng renewable hydrogen ay maaaring $2-3 /kgH2 kung magagamit ang mahusay na renewable resources, habang ang halaga ng average na mapagkukunan ay $4-5 /kgH2.

Kaya sa konserbatibong senaryo na ito, ang tubig ay nagkakahalaga ng mas mababa sa 2 porsiyento ng kabuuan. Ang paggamit ng tubig-dagat ay maaaring tumaas ang dami ng tubig na nabawi ng 2.5 hanggang 5 beses (sa mga tuntunin ng recovery factor).

Pagkonsumo ng enerhiya

Kung titingnan ang konsumo ng enerhiya ng desalination, napakaliit din nito kumpara sa dami ng kuryente na kailangan para ma-input ang electrolytic cell. Ang kasalukuyang operating reverse osmosis unit ay kumokonsumo ng humigit-kumulang 3.0 kW/m3. Sa kabaligtaran, ang mga thermal desalination plant ay may mas mataas na konsumo ng enerhiya, mula 40 hanggang 80 KWH/m3, na may mga karagdagang kinakailangan sa kuryente mula 2.5 hanggang 5 KWH/m3, depende sa teknolohiya ng desalination. Kung isasaalang-alang ang konserbatibong kaso (i.e. mas mataas na pangangailangan ng enerhiya) ng isang cogeneration plant bilang isang halimbawa, kung ipagpalagay na ang paggamit ng isang heat pump, ang pangangailangan ng enerhiya ay mako-convert sa humigit-kumulang 0.7kWh/kg ng hydrogen. Upang ilagay ito sa pananaw, ang demand ng kuryente ng electrolytic cell ay humigit-kumulang 50-55kWh/kg, kaya kahit na sa pinakamasamang sitwasyon, ang demand ng enerhiya para sa desalination ay humigit-kumulang 1% ng kabuuang input ng enerhiya sa system.

Ang isang hamon ng desalination ay ang pagtatapon ng tubig-alat, na maaaring magkaroon ng epekto sa mga lokal na Marine ecosystem. Ang brine na ito ay maaaring higit pang gamutin upang mabawasan ang epekto nito sa kapaligiran, kaya nagdaragdag ng isa pang $0.6-2.40 /m³ sa halaga ng tubig. Bilang karagdagan, ang kalidad ng electrolytic na tubig ay mas mahigpit kaysa sa inuming tubig at maaaring magresulta sa mas mataas na gastos sa paggamot, ngunit ito ay inaasahang maliit pa rin kumpara sa power input.

Ang water footprint ng electrolytic water para sa produksyon ng hydrogen ay isang napakaspesipikong parameter ng lokasyon na nakasalalay sa lokal na kakayahang magamit ng tubig, pagkonsumo, pagkasira at polusyon. Dapat isaalang-alang ang balanse ng mga ecosystem at ang epekto ng mga pangmatagalang uso sa klima. Ang pagkonsumo ng tubig ay magiging isang malaking balakid sa pagpapalaki ng nababagong hydrogen.