Cần bao nhiêu nước để tạo ra hydro bằng cách điện phân?

Điện phân tiêu thụ bao nhiêu nước

Bước một: Sản xuất hydro

Tiêu thụ nước đến từ hai bước: sản xuất hydro và sản xuất chất mang năng lượng ngược dòng. Để sản xuất hydro, mức tiêu thụ nước điện phân tối thiểu là khoảng 9 kg nước trên một kg hydro. Tuy nhiên, có tính đến quá trình khử khoáng của nước, tỷ lệ này có thể dao động từ 18 đến 24 kg nước trên mỗi kg hydro, hoặc thậm chí cao tới 25,7 đến 30,2.

Đối với quy trình sản xuất hiện tại (reforming hơi metan), mức tiêu thụ nước tối thiểu là 4,5kgH2O/kgH2 (cần cho phản ứng), có tính đến nước xử lý và làm mát, mức tiêu thụ nước tối thiểu là 6,4-32,2kgH2O/kgH2.

Bước 2: Nguồn năng lượng (điện tái tạo hoặc khí đốt tự nhiên)

Một thành phần khác là tiêu thụ nước để sản xuất điện tái tạo và khí đốt tự nhiên. Mức tiêu thụ nước của năng lượng quang điện dao động trong khoảng 50-400 lít/MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) và của năng lượng gió trong khoảng 5-45 lít/MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Tương tự, sản lượng khí từ khí đá phiến (dựa trên dữ liệu của Hoa Kỳ) có thể tăng từ 1,14kgH2O/kgH2 lên 4,9kgH2O/kgH2.

Tóm lại, tổng mức tiêu thụ nước trung bình của hydro được tạo ra bởi phát điện quang điện và phát điện gió lần lượt là khoảng 32 và 22kgH2O/kgH2. Sự không chắc chắn đến từ bức xạ mặt trời, tuổi thọ và hàm lượng silicon. Mức tiêu thụ nước này tương đương với mức sản xuất hydro từ khí tự nhiên (7,6-37 kgh2o/kgH2, với mức trung bình là 22kgH2O/kgH2).

Tổng dấu chân nước: Thấp hơn khi sử dụng năng lượng tái tạo

Tương tự như lượng khí thải CO2, điều kiện tiên quyết để giảm lượng nước sử dụng cho các tuyến đường điện phân là sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Nếu chỉ một phần nhỏ điện năng được tạo ra bằng nhiên liệu hóa thạch, lượng nước tiêu thụ liên quan đến điện sẽ cao hơn nhiều so với lượng nước thực tế tiêu thụ trong quá trình điện phân.

Ví dụ, phát điện khí đốt có thể sử dụng tới 2.500 lít/MWh nước. Đây cũng là trường hợp tốt nhất đối với nhiên liệu hóa thạch (khí tự nhiên). Nếu tính khí hóa than, sản xuất hydro có thể tiêu thụ 31-31,8kgH2O/kgH2 và sản xuất than có thể tiêu thụ 14,7kgH2O/kgH2. Tiêu thụ nước từ quang điện và gió cũng dự kiến ​​sẽ giảm theo thời gian khi các quy trình sản xuất trở nên hiệu quả hơn và sản lượng năng lượng trên một đơn vị công suất lắp đặt được cải thiện.

Tổng lượng nước tiêu thụ năm 2050

Thế giới dự kiến ​​sẽ sử dụng nhiều hydro hơn trong tương lai so với hiện nay. Ví dụ, Triển vọng Chuyển đổi Năng lượng Thế giới của IRENA ước tính rằng nhu cầu hydro vào năm 2050 sẽ vào khoảng 74EJ, trong đó khoảng hai phần ba sẽ đến từ hydro tái tạo. Để so sánh, ngày nay (hydro tinh khiết) là 8,4EJ.

Ngay cả khi hydro điện phân có thể đáp ứng nhu cầu hydro cho cả năm 2050, lượng nước tiêu thụ sẽ vào khoảng 25 tỷ mét khối. Hình dưới đây so sánh con số này với các dòng tiêu thụ nước nhân tạo khác. Nông nghiệp sử dụng lượng nước lớn nhất là 280 tỷ mét khối, trong khi công nghiệp sử dụng gần 800 tỷ mét khối và các thành phố sử dụng 470 tỷ mét khối. Mức tiêu thụ nước hiện tại của quá trình cải tạo khí tự nhiên và khí hóa than để sản xuất hydro là khoảng 1,5 tỷ mét khối.

Do đó, mặc dù dự kiến ​​sẽ tiêu thụ một lượng lớn nước do những thay đổi trong quá trình điện phân và nhu cầu ngày càng tăng, lượng nước tiêu thụ từ sản xuất hydro vẫn sẽ nhỏ hơn nhiều so với các dòng chảy khác mà con người sử dụng. Một điểm tham chiếu khác là mức tiêu thụ nước bình quân đầu người là từ 75 (Luxembourg) đến 1.200 (Mỹ) mét khối mỗi năm. Ở mức trung bình 400 m3/(đầu người * năm), tổng sản lượng hydro vào năm 2050 tương đương với sản lượng của một quốc gia 62 triệu dân.

Bao nhiêu chi phí nước và bao nhiêu năng lượng được sử dụng

trị giá

Các tế bào điện phân yêu cầu nước chất lượng cao và yêu cầu xử lý nước. Nước có chất lượng thấp hơn dẫn đến suy thoái nhanh hơn và tuổi thọ ngắn hơn. Nhiều yếu tố, bao gồm màng ngăn và chất xúc tác được sử dụng trong kiềm, cũng như màng và lớp vận chuyển xốp của PEM, có thể bị ảnh hưởng bất lợi bởi các tạp chất trong nước như sắt, crom, đồng, v.v. Độ dẫn điện của nước được yêu cầu phải nhỏ hơn 1μS/ cm và tổng lượng cacbon hữu cơ nhỏ hơn 50μg/L.

Nước chiếm một phần tương đối nhỏ trong tiêu thụ năng lượng và chi phí. Trường hợp xấu nhất cho cả hai tham số là khử muối. Thẩm thấu ngược là công nghệ chính để khử muối, chiếm gần 70% công suất toàn cầu. Công nghệ này có giá $1900- $2000 / m³/d và có tỷ lệ đường cong học tập là 15%. Với chi phí đầu tư này, chi phí xử lý vào khoảng $1/m³ và có thể thấp hơn ở những khu vực có chi phí điện năng thấp.

Ngoài ra, chi phí vận chuyển sẽ tăng khoảng $1-2 mỗi m³. Ngay cả trong trường hợp này, chi phí xử lý nước vào khoảng 0,05 USD/kgH2. Nói một cách dễ hiểu, chi phí của hydro tái tạo có thể là $2-3 /kgH2 nếu có sẵn nguồn tài nguyên tái tạo tốt, trong khi chi phí của tài nguyên trung bình là $4-5 /kgH2.

Vì vậy, trong kịch bản thận trọng này, nước sẽ tốn ít hơn 2 phần trăm tổng số. Việc sử dụng nước biển có thể làm tăng lượng nước thu hồi từ 2,5 đến 5 lần (xét về hệ số thu hồi).

Tiêu thụ năng lượng

Nhìn vào mức tiêu thụ năng lượng của quá trình khử muối, nó cũng rất nhỏ so với lượng điện năng cần thiết để đưa vào tế bào điện phân. Thiết bị thẩm thấu ngược đang hoạt động hiện tại tiêu thụ khoảng 3,0 kW/m3. Ngược lại, các nhà máy khử muối nhiệt có mức tiêu thụ năng lượng cao hơn nhiều, từ 40 đến 80 KWH/m3, với yêu cầu điện năng bổ sung từ 2,5 đến 5 KWH/m3, tùy thuộc vào công nghệ khử muối. Lấy trường hợp thận trọng (nghĩa là nhu cầu năng lượng cao hơn) của nhà máy đồng phát làm ví dụ, giả sử sử dụng máy bơm nhiệt, nhu cầu năng lượng sẽ được chuyển đổi thành khoảng 0,7 kWh/kg hydro. Nói một cách dễ hiểu, nhu cầu điện năng của tế bào điện phân là khoảng 50-55kWh/kg, do đó, ngay cả trong trường hợp xấu nhất, nhu cầu năng lượng để khử muối là khoảng 1% tổng năng lượng đầu vào của hệ thống.

Một thách thức của quá trình khử muối là xử lý nước mặn, có thể ảnh hưởng đến hệ sinh thái biển địa phương. Nước muối này có thể được xử lý thêm để giảm tác động môi trường, do đó làm tăng thêm $0,6-2,40 /m³ vào chi phí nước. Ngoài ra, chất lượng nước điện phân nghiêm ngặt hơn so với nước uống và có thể dẫn đến chi phí xử lý cao hơn, nhưng điều này vẫn được cho là nhỏ so với điện năng đầu vào.

Dấu chân nước của nước điện phân để sản xuất hydro là một tham số vị trí rất cụ thể phụ thuộc vào nguồn nước sẵn có, mức tiêu thụ, suy thoái và ô nhiễm của địa phương. Sự cân bằng của các hệ sinh thái và tác động của các xu hướng khí hậu dài hạn cần được xem xét. Tiêu thụ nước sẽ là một trở ngại lớn trong việc nhân rộng quy mô hydro tái tạo.