Сколько воды нужно для получения водорода электролизом?

Сколько воды расходуется при электролизе

Шаг первый: производство водорода

Потребление воды происходит из двух этапов: производства водорода и производства энергоносителей. Для производства водорода минимальный расход электролизованной воды составляет примерно 9 кг воды на килограмм водорода. Однако с учетом процесса обессоливания воды это соотношение может составлять от 18 до 24 килограммов воды на килограмм водорода и даже достигать 25,7-30,2..

Для существующего производственного процесса (паровая конверсия метана) минимальный расход воды составляет 4,5 кгH2O/кгH2 (необходимо для реакции), с учетом технологической воды и охлаждения минимальный расход воды составляет 6,4-32,2 кгH2O/кгH2.

Шаг 2: Источники энергии (возобновляемая электроэнергия или природный газ)

Еще одним компонентом является потребление воды для производства возобновляемой электроэнергии и природного газа. Потребление воды фотоэлектрической энергией варьируется в пределах 50-400 литров/МВтч (2,4-19 кгH2O/кгH2), а потребление воды ветровой энергией - между 5-45 литрами/МВтч (0,2-2,1кгH2O/кгH2). Точно так же добыча газа из сланцевого газа (по данным США) может быть увеличена с 1,14 кг H2O/кг H2 до 4,9 кг H2O/кг H2.

В заключение следует отметить, что среднее общее водопотребление водорода, вырабатываемого фотоэлектрической и ветровой электроэнергией, составляет около 32 и 22 кг H2O/кг H2 соответственно. Неопределенности связаны с солнечным излучением, сроком службы и содержанием кремния. Это потребление воды того же порядка, что и производство водорода из природного газа (7,6-37 кг·ч2о/кгH2, в среднем 22 кгH2O/кгH2).

Общий водный след: меньше при использовании возобновляемых источников энергии

Как и в случае с выбросами CO2, обязательным условием низкого водного следа для электролитических маршрутов является использование возобновляемых источников энергии. Если только небольшая часть электроэнергии вырабатывается с использованием ископаемого топлива, потребление воды, связанное с электричеством, намного выше, чем фактическое потребление воды во время электролиза.

Например, для производства электроэнергии на газе может использоваться до 2500 литров воды на МВтч. Это также лучший вариант для ископаемого топлива (природный газ). Если рассматривать газификацию угля, то производство водорода может потреблять 31-31,8 кг H2O/кг H2, а производство угля может потреблять 14,7 кг H2O/кг H2. Ожидается также, что потребление воды от фотоэлектрических и ветровых установок со временем уменьшится, поскольку производственные процессы станут более эффективными, а выход энергии на единицу установленной мощности улучшится.

Суммарное водопотребление в 2050 г.

Ожидается, что в будущем мир будет использовать во много раз больше водорода, чем сегодня. Например, согласно оценке IRENA World Energy Transitions Outlook, потребность в водороде в 2050 году составит около 74 ЭДж, из которых около двух третей придется на возобновляемый водород. Для сравнения, сегодня (чистый водород) 8,4 ЭДж.

Даже если бы электролитический водород мог удовлетворить спрос на водород на весь 2050 год, потребление воды составило бы около 25 миллиардов кубометров. На рисунке ниже эта цифра сравнивается с другими потоками искусственного водопотребления. Сельское хозяйство использует наибольшее количество 280 миллиардов кубометров воды, в то время как промышленность использует почти 800 миллиардов кубометров, а города используют 470 миллиардов кубометров. Текущий расход воды на риформинг природного газа и газификацию угля для производства водорода составляет около 1,5 млрд кубометров.

Таким образом, несмотря на то, что ожидается потребление большого количества воды из-за изменений в электролитических путях и растущего спроса, потребление воды при производстве водорода все же будет намного меньше, чем другие потоки, используемые людьми. Еще одним ориентиром является то, что потребление воды на душу населения составляет от 75 (Люксембург) до 1200 (США) кубометров в год. При среднем уровне 400 м3/(на душу населения*год) общее производство водорода в 2050 г. эквивалентно производству страны с населением 62 млн человек.

Сколько стоит вода и сколько энергии используется

расходы

Электролитические ячейки требуют воды высокого качества и требуют водоподготовки. Вода более низкого качества приводит к более быстрой деградации и сокращению срока службы. Многие элементы, в том числе диафрагмы и катализаторы, используемые в щелочных средах, а также мембраны и пористые транспортные слои PEM, могут подвергаться неблагоприятному воздействию примесей в воде, таких как железо, хром, медь и т. д. Проводимость воды должна быть менее 1 мкСм/см. см и общий органический углерод менее 50 мкг/л.

На воду приходится относительно небольшая доля энергопотребления и затрат. Наихудшим сценарием для обоих параметров является опреснение. Обратный осмос является основной технологией опреснения, на долю которой приходится почти 70 процентов мировых мощностей. Стоимость технологии составляет 1900–2000 долл. США за м³/сутки, а скорость обучения составляет 15 %. При таких инвестиционных затратах стоимость обработки составляет около 1 долл. США/м³ и может быть ниже в районах с низкими затратами на электроэнергию.

Кроме того, стоимость доставки увеличится примерно на 1-2 доллара за м³. Даже в этом случае затраты на водоподготовку составляют около 0,05 долл. США/кгH2. Чтобы представить это в перспективе, стоимость возобновляемого водорода может составлять 2-3 доллара США/кгH2, если доступны хорошие возобновляемые ресурсы, в то время как стоимость среднего ресурса составляет 4-5 долларов США/кгH2.

Таким образом, в этом консервативном сценарии вода будет стоить менее 2 процентов от общей суммы. Использование морской воды позволяет увеличить количество извлекаемой воды в 2,5-5 раз (по коэффициенту извлечения).

Потребление энергии

Глядя на энергопотребление опреснения, оно также очень мало по сравнению с количеством электроэнергии, необходимой для ввода электролитической ячейки. Текущая работающая установка обратного осмоса потребляет около 3,0 кВт/м3. Напротив, термические опреснительные установки имеют гораздо более высокое потребление энергии, от 40 до 80 кВтч/м3, с дополнительными потребностями в мощности от 2,5 до 5 кВтч/м3, в зависимости от технологии опреснения. Взяв в качестве примера консервативный случай (т.е. более высокую потребность в энергии) когенерационной установки, предполагая использование теплового насоса, потребность в энергии будет преобразована примерно в 0,7 кВтч/кг водорода. Для сравнения, потребность электролизера в электроэнергии составляет около 50-55 кВтч/кг, поэтому даже в худшем случае потребность в энергии для опреснения составляет около 1% от общей энергии, подводимой к системе.

Одной из проблем опреснения является утилизация соленой воды, которая может оказать влияние на местные морские экосистемы. Этот рассол можно дополнительно обработать, чтобы уменьшить его воздействие на окружающую среду, что увеличивает стоимость воды еще на 0,6–2,40 долл. США/м³. Кроме того, к качеству электролитической воды предъявляются более строгие требования, чем к питьевой воде, и это может привести к более высоким затратам на очистку, но ожидается, что они будут небольшими по сравнению с потребляемой мощностью.

Водный след электролитической воды для производства водорода является очень специфическим параметром местоположения, который зависит от местной доступности воды, потребления, деградации и загрязнения. Следует учитывать баланс экосистем и влияние долгосрочных климатических тенденций. Потребление воды будет основным препятствием для увеличения масштабов использования возобновляемого водорода.