ما هي كمية الماء اللازمة لصنع الهيدروجين بالتحليل الكهربائي؟

كمية المياه التي يستهلكها التحليل الكهربائي

الخطوة الأولى: إنتاج الهيدروجين

يأتي استهلاك المياه من خطوتين: إنتاج الهيدروجين وإنتاج ناقل الطاقة الأولي. بالنسبة لإنتاج الهيدروجين ، يبلغ الحد الأدنى لاستهلاك الماء المحلل بالكهرباء حوالي 9 كيلوغرامات من الماء لكل كيلوغرام من الهيدروجين. ومع ذلك ، مع الأخذ في الاعتبار عملية إزالة المعادن من الماء ، يمكن أن تتراوح هذه النسبة من 18 إلى 24 كيلوغرامًا من الماء لكل كيلوغرام من الهيدروجين ، أو حتى 25.7 إلى 30.2.

بالنسبة لعملية الإنتاج الحالية (إعادة تشكيل بخار الميثان) ، فإن الحد الأدنى لاستهلاك المياه هو 4.5kgH2O / kgH2 (مطلوب للتفاعل) ، مع الأخذ في الاعتبار مياه العملية والتبريد ، فإن الحد الأدنى لاستهلاك المياه هو 6.4-32.2kgH2O / kgH2.

الخطوة الثانية: مصادر الطاقة (كهرباء متجددة أو غاز طبيعي)

عنصر آخر هو استهلاك المياه لإنتاج الكهرباء المتجددة والغاز الطبيعي. يتراوح استهلاك المياه من الطاقة الكهروضوئية بين 50-400 لتر / ميغاواط ساعة (2.4-19 كيلوغرام في الساعة / كيلوغرام في الساعة) واستهلاك طاقة الرياح بين 5-45 لترًا / ميغاواط ساعة (0.2-2.1 كيلوغرام في الساعة / كيلوغرام في الساعة). وبالمثل ، يمكن زيادة إنتاج الغاز من الغاز الصخري (استنادًا إلى بيانات الولايات المتحدة) من 1.14kgH2O / kgH2 إلى 4.9kgH2O / kgH2.

في الختام ، يبلغ متوسط ​​إجمالي استهلاك الماء للهيدروجين الناتج عن توليد الطاقة الكهروضوئية وتوليد طاقة الرياح حوالي 32 و 22 كجمH2O / kgH2 ، على التوالي. تأتي حالات عدم اليقين من الإشعاع الشمسي والعمر ومحتوى السيليكون. يتم استهلاك هذا الماء بنفس الترتيب من حيث حجم إنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي (7.6-37 كيلوغرام / كيلوغرام في الساعة ، بمتوسط ​​22 كيلوغرام في الهيدروجين / كيلوغرام في الساعة).

إجمالي البصمة المائية: أقل عند استخدام الطاقة المتجددة

على غرار انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ، فإن أحد المتطلبات الأساسية لانخفاض البصمة المائية لمسارات التحليل الكهربائي هو استخدام مصادر الطاقة المتجددة. إذا تم توليد جزء صغير فقط من الكهرباء باستخدام الوقود الأحفوري ، فإن استهلاك المياه المرتبط بالكهرباء يكون أعلى بكثير من الماء الفعلي المستهلك أثناء التحليل الكهربائي.

على سبيل المثال ، يمكن أن يستخدم توليد الطاقة بالغاز ما يصل إلى 2500 لتر / ميجاوات ساعة من الماء. وهي أيضًا أفضل حالة للوقود الأحفوري (الغاز الطبيعي). إذا تم التفكير في تغويز الفحم ، يمكن أن يستهلك إنتاج الهيدروجين 31-31.8 كجمH2O / kgH2 ويمكن أن يستهلك إنتاج الفحم 14.7kgH2O / kgH2. من المتوقع أيضًا أن ينخفض ​​استهلاك المياه من الخلايا الكهروضوئية وطاقة الرياح بمرور الوقت حيث تصبح عمليات التصنيع أكثر كفاءة ويتحسن إنتاج الطاقة لكل وحدة من السعة المركبة.

إجمالي استهلاك المياه عام 2050

من المتوقع أن يستخدم العالم كميات من الهيدروجين في المستقبل عدة مرات أكثر مما يستخدمه اليوم. على سبيل المثال ، تقدر توقعات تحولات الطاقة العالمية الصادرة عن الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (إيرينا) أن الطلب على الهيدروجين في عام 2050 سيكون حوالي 74 إيجيل ، ثلثيها تقريبًا سيأتي من الهيدروجين المتجدد. بالمقارنة ، اليوم (الهيدروجين النقي) هو 8.4EJ.

حتى لو تمكن الهيدروجين الإلكتروليتي من تلبية الطلب على الهيدروجين طوال عام 2050 ، فإن استهلاك المياه سيكون حوالي 25 مليار متر مكعب. الشكل أدناه يقارن هذا الرقم بتدفقات استهلاك المياه الأخرى من صنع الإنسان. تستخدم الزراعة أكبر كمية من المياه تبلغ 280 مليار متر مكعب ، بينما تستخدم الصناعة ما يقرب من 800 مليار متر مكعب وتستخدم المدن 470 مليار متر مكعب. يبلغ استهلاك المياه الحالي لإصلاح الغاز الطبيعي وتغويز الفحم لإنتاج الهيدروجين حوالي 1.5 مليار متر مكعب.

وبالتالي ، على الرغم من أنه من المتوقع استهلاك كميات كبيرة من المياه بسبب التغيرات في مسارات التحليل الكهربائي وتزايد الطلب ، فإن استهلاك المياه من إنتاج الهيدروجين سيظل أقل بكثير من التدفقات الأخرى التي يستخدمها البشر. نقطة مرجعية أخرى هي أن نصيب الفرد من استهلاك المياه يتراوح بين 75 (لوكسمبورغ) و 1200 (الولايات المتحدة) متر مكعب في السنة. بمتوسط ​​400 متر مكعب / (للفرد * سنة) ، فإن إجمالي إنتاج الهيدروجين في عام 2050 يعادل إنتاج بلد يبلغ عدد سكانه 62 مليون نسمة.

ما هي تكلفة المياه وكمية الطاقة المستخدمة

يكلف

تتطلب الخلايا الالكتروليتية مياه عالية الجودة وتتطلب معالجة المياه. يؤدي انخفاض جودة المياه إلى تدهور أسرع وعمر أقصر. العديد من العناصر ، بما في ذلك الأغشية والعوامل الحفازة المستخدمة في القلويات ، وكذلك الأغشية وطبقات النقل المسامية لـ PEM ، يمكن أن تتأثر سلبًا بشوائب المياه مثل الحديد والكروم والنحاس وما إلى ذلك. سم والكربون العضوي الكلي أقل من 50 ميكروغرام / لتر.

تمثل المياه حصة صغيرة نسبيًا من استهلاك الطاقة وتكاليفها. السيناريو الأسوأ لكلا البارامترات هو تحلية المياه. التناضح العكسي هو التقنية الرئيسية لتحلية المياه ، وهو يمثل ما يقرب من 70 في المائة من القدرة العالمية. تكلف هذه التقنية 1900 دولار - 2000 دولار / متر مكعب / يوم ولها معدل منحنى تعليمي يبلغ 15٪. عند هذه التكلفة الاستثمارية ، تبلغ تكلفة المعالجة حوالي 1 دولار / متر مكعب ، وقد تكون أقل في المناطق التي تكون فيها تكاليف الكهرباء منخفضة.

بالإضافة إلى ذلك ، سترتفع تكاليف الشحن بحوالي 1-2 دولار لكل متر مكعب. حتى في هذه الحالة ، تبلغ تكاليف معالجة المياه حوالي 0.05 دولارًا أمريكيًا / كجم في الساعة 2. لوضع هذا في المنظور الصحيح ، يمكن أن تكون تكلفة الهيدروجين المتجدد 2-3 دولارات لكل كيلوغرام في الساعة إذا توفرت موارد متجددة جيدة ، في حين أن تكلفة متوسط ​​المورد هي 4-5 دولارات لكل كيلوغرام في الساعة.

لذلك في هذا السيناريو المحافظ ، ستكلف المياه أقل من 2٪ من الإجمالي. يمكن أن يؤدي استخدام مياه البحر إلى زيادة كمية المياه المستعادة بمقدار 2.5 إلى 5 مرات (من حيث عامل الاسترداد).

استهلاك الطاقة

بالنظر إلى استهلاك الطاقة في تحلية المياه ، فهي أيضًا صغيرة جدًا مقارنة بكمية الكهرباء اللازمة لإدخال الخلية الإلكتروليتية. تستهلك وحدة التناضح العكسي العاملة الحالية حوالي 3.0 كيلو واط / متر مكعب. في المقابل ، تتمتع محطات التحلية الحرارية باستهلاك طاقة أعلى بكثير ، يتراوح من 40 إلى 80 كيلو واط / متر مكعب ، مع متطلبات طاقة إضافية تتراوح من 2.5 إلى 5 كيلو واط / متر مكعب ، اعتمادًا على تقنية تحلية المياه. إذا أخذنا الحالة المحافظة (أي زيادة الطلب على الطاقة) لمحطة التوليد المشترك كمثال ، بافتراض استخدام مضخة حرارية ، سيتم تحويل الطلب على الطاقة إلى حوالي 0.7 كيلو واط في الساعة / كجم من الهيدروجين. لوضع هذا في الاعتبار ، يبلغ الطلب على الكهرباء لخلية التحليل الكهربائي حوالي 50-55 كيلو واط / كجم ، لذلك حتى في أسوأ الحالات ، يبلغ الطلب على الطاقة لتحلية المياه حوالي 1 ٪ من إجمالي مدخلات الطاقة للنظام.

يتمثل أحد تحديات تحلية المياه في التخلص من المياه المالحة ، والتي يمكن أن يكون لها تأثير على النظم البيئية البحرية المحلية. يمكن معالجة هذا المحلول الملحي بشكل أكبر لتقليل تأثيره البيئي ، وبالتالي إضافة 0.6-2.40 دولار / متر مكعب أخرى إلى تكلفة المياه. بالإضافة إلى ذلك ، تعد جودة المياه الإلكتروليتية أكثر صرامة من مياه الشرب وقد تؤدي إلى ارتفاع تكاليف المعالجة ، ولكن لا يزال من المتوقع أن يكون هذا صغيرًا مقارنة بإدخال الطاقة.

تعد البصمة المائية للمياه الإلكتروليتية لإنتاج الهيدروجين معلمة موقع محددة للغاية تعتمد على توافر المياه المحلية واستهلاكها وتدهورها وتلوثها. ينبغي النظر في توازن النظم البيئية وتأثير الاتجاهات المناخية طويلة الأجل. سيكون استهلاك المياه عقبة رئيسية أمام زيادة الهيدروجين المتجدد.