Электролиз арқылы сутегін алу үшін қанша су қажет?

Электролизге қанша су жұмсалады

Бірінші қадам: сутегі өндірісі

Суды тұтыну екі кезеңнен тұрады: сутегі өндірісі және жоғары ағынды энергия тасымалдаушы өндірісі. Сутегі өндірісі үшін электролизденген судың ең аз шығыны сутегінің килограммына шамамен 9 килограмм суды құрайды. Дегенмен, судың минералсыздану процесін ескере отырып, бұл арақатынас сутегінің килограммына 18-ден 24 килограммға дейін, тіпті 25,7-ден 30,2-ге дейін болуы мүмкін..

Қолданыстағы өндірістік процесс (метан буының риформингі) үшін ең аз су шығыны 4,5кгН2О/кгН2 (реакция үшін қажет), технологиялық суды және салқындатуды ескере отырып, ең аз су шығыны 6,4-32,2кгН2О/кгН2 құрайды.

2-қадам: Энергия көздері (жаңартылатын электр энергиясы немесе табиғи газ)

Тағы бір құрамдас – жаңартылатын электр энергиясы мен табиғи газды өндіру үшін суды тұтыну. Фотоэлектрлік қуаттың суды тұтынуы 50-400 литр/МВт/сағ (2,4-19кгН2О/кгН2) және жел қуатындағы 5-45 литр/МВт (0,2-2,1кгН2О/кгН2) арасында ауытқиды. Сол сияқты тақтатас газынан газ өндіруді (АҚШ деректері негізінде) 1,14 кгН2О/кгН2-ден 4,9 кгН2О/кгН2-ге дейін арттыруға болады.

Қорытындылай келе, фотоэлектрлік электр энергиясын өндіру және жел энергиясын өндіру нәтижесінде алынған сутегінің орташа жалпы су тұтынуы сәйкесінше шамамен 32 және 22кгН2О/кгН2 құрайды. Белгісіздіктер күн радиациясынан, өмір сүру ұзақтығынан және кремний мазмұнынан туындайды. Бұл суды тұтыну табиғи газдан сутегі өндірумен бірдей дәрежеде (7,6-37 кгсағ/кгН2, орташа есеппен 22кгН2О/кгН2).

Жалпы су ізі: жаңартылатын энергияны пайдаланған кезде төмендейді

CO2 шығарындыларына ұқсас, электролиттік жолдар үшін судың төмен ізінің алғышарты жаңартылатын энергия көздерін пайдалану болып табылады. Егер қазбалы отынды пайдалану арқылы электр энергиясының аз ғана бөлігі өндірілсе, электр энергиясына байланысты су шығыны электролиз кезінде тұтынылатын нақты судан әлдеқайда жоғары болады.

Мысалы, газ қуатын өндіру 2500 литр/МВт/сағ суды пайдалана алады. Бұл сондай-ақ қазба отындары (табиғи газ) үшін ең жақсы жағдай. Көмірді газдандыруды қарастыратын болсақ, сутегі өндірісі 31-31,8 кгН2О/кгН2, ал көмір өндірісі 14,7 кгН2О/кгН2 тұтынуы мүмкін. Өндіріс процестері тиімдірек және орнатылған қуат бірлігіне энергия өндіру жақсарған сайын фотоэлектрлік және желден су тұтыну да азаяды деп күтілуде.

Жалпы су тұтыну 2050 ж

Әлем болашақта сутегін бүгінгіден бірнеше есе көп пайдаланады деп күтілуде. Мысалы, IRENA-ның World Energy Transitions Outlook 2050 жылы сутегі сұранысы шамамен 74EJ болады деп есептейді, оның шамамен үштен екісі жаңартылатын сутегіден келеді. Салыстыру үшін бүгінгі күні (таза сутегі) 8,4ЭДж құрайды.

Электролиттік сутегі бүкіл 2050 жылы сутегі қажеттілігін қанағаттандыра алатын болса да, суды тұтыну шамамен 25 миллиард текше метрді құрайды. Төмендегі суретте бұл көрсеткіш басқа да қолдан жасалған су тұтыну ағындарымен салыстырылады. Ең көп суды ауыл шаруашылығы 280 миллиард текше метр, ал өнеркәсіп 800 миллиард текше метрге жуық, қалалар 470 миллиард текше метр суды пайдаланады. Табиғи газды риформинг және сутегі өндіру үшін көмірді газдандырудың ағымдағы су тұтынуы шамамен 1,5 миллиард текше метрді құрайды.

Осылайша, электролиттік жолдардың өзгеруіне және өсіп келе жатқан сұранысқа байланысты көп мөлшерде су тұтынылады деп күтілсе де, сутегі өндірісінен су тұтыну әлі де адамдар пайдаланатын басқа ағындарға қарағанда әлдеқайда аз болады. Тағы бір анықтамалық көрсеткіш, жан басына шаққандағы су тұтыну жылына 75 (Люксембург) мен 1200 (АҚШ) текше метрді құрайды. Орташа есеппен 400 м3 / (жан басына * жыл) сутегінің жалпы өндірісі 2050 жылы 62 миллион халқы бар елдің деңгейіне тең.

Су қанша тұрады және қанша энергия жұмсалады

құны

Электролиттік жасушалар жоғары сапалы суды қажет етеді және суды өңдеуді қажет етеді. Төмен сапалы су тезірек тозуға және қызмет ету мерзімінің қысқаруына әкеледі. Көптеген элементтер, соның ішінде сілтілерде қолданылатын диафрагмалар мен катализаторлар, сондай-ақ PEM мембраналары мен кеуекті тасымалдау қабаттары темір, хром, мыс және т.б. сияқты су қоспаларынан теріс әсер етуі мүмкін. Су өткізгіштігі 1μS/ кем болуы керек. см және жалпы органикалық көміртегі 50μг/л-ден аз.

Су энергияны тұтыну мен шығындардың салыстырмалы түрде аз бөлігін құрайды. Екі параметр үшін де ең нашар сценарий - тұзсыздандыру. Кері осмос тұзсыздандырудың негізгі технологиясы болып табылады, ол әлемдік қуаттың 70 пайызын құрайды. Технологияның құны $1900- $2000/м³/күн және оқу қисығының жылдамдығы 15% құрайды. Бұл инвестициялық құн бойынша өңдеу құны шамамен $1/м³ құрайды және электр энергиясының құны төмен аймақтарда төмен болуы мүмкін.

Сонымен қатар, тасымалдау құны бір м³ үшін шамамен 1-2 долларға артады. Тіпті бұл жағдайда суды тазарту құны шамамен $0,05 / кгН2 құрайды. Мұны перспективаға келтіру үшін жаңартылатын сутегінің құны жақсы жаңартылатын ресурстар болған жағдайда $2-3/кгН2 болуы мүмкін, ал орташа ресурстың құны $4-5/кгН2 құрайды.

Осылайша, бұл консервативті сценарийде су жалпы соманың 2 пайызынан аз тұрады. Теңіз суын пайдалану алынған судың мөлшерін 2,5-тен 5 есеге дейін арттыруға болады (қайта алу коэффициенті бойынша).

Энергияны тұтыну

Тұзсыздандырудың энергия шығынын қарастыратын болсақ, ол электролиттік элементті енгізу үшін қажет электр энергиясының мөлшерімен салыстырғанда өте аз. Ағымдағы жұмыс істейтін кері осмос қондырғысы шамамен 3,0 кВт/м3 тұтынады. Керісінше, термиялық тұщыландыру қондырғылары 40-тан 80 кВтсағ/м3-ге дейін, ал тұщыту технологиясына байланысты 2,5-тен 5 кВт/м3-ке дейінгі қосымша қуат талаптары бар энергияны тұтыну әлдеқайда жоғары. Мысал ретінде когенерациялық қондырғының консервативті жағдайын (яғни энергияның жоғары сұранысын) алсақ, жылу сорғысын пайдалануды болжасақ, энергияға сұраныс шамамен 0,7 кВт/кг сутегіге айналады. Осыны перспективаға келтіру үшін электролиттік элементтің электр энергиясына сұранысы шамамен 50-55 кВт/кг құрайды, сондықтан ең нашар сценарийде де тұзсыздандыруға арналған энергияға сұраныс жүйеге түсетін жалпы энергияның шамамен 1% құрайды.

Тұщыландырудың бір қиындығы – жергілікті теңіз экожүйесіне әсер етуі мүмкін тұзды суды кәдеге жарату. Бұл тұзды ерітіндінің қоршаған ортаға тигізетін әсерін азайту үшін одан әрі өңдеуге болады, осылайша су құнына тағы $0,6-2,40/м³ қосады. Сонымен қатар, электролиттік судың сапасы ауыз суға қарағанда қатаңырақ және тазалау шығындарының жоғарылауына әкелуі мүмкін, бірақ бұл әлі де қуат көзімен салыстырғанда аз болады деп күтілуде.

Сутегі өндіруге арналған электролиттік судың су ізі жергілікті судың қолжетімділігіне, тұтынуына, тозуы мен ластануына байланысты өте нақты орналасу параметрі болып табылады. Экожүйелердің теңгерімін және ұзақ мерзімді климаттық үрдістердің әсерін ескеру қажет. Суды тұтыну жаңартылатын сутегінің ауқымын арттыруға үлкен кедергі болады.