ต้องใช้น้ำเท่าไหร่ในการสร้างไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า?

ปริมาณน้ำที่ใช้โดยอิเล็กโทรไลซิส

ขั้นตอนที่หนึ่ง: การผลิตไฮโดรเจน

การใช้น้ำมาจากสองขั้นตอน: การผลิตไฮโดรเจนและการผลิตพาหะพลังงานต้นน้ำ สำหรับการผลิตไฮโดรเจน การใช้น้ำอิเล็กโทรไลซ์ขั้นต่ำคือประมาณ 9 กิโลกรัมต่อน้ำหนึ่งกิโลกรัมของไฮโดรเจน อย่างไรก็ตาม เมื่อคำนึงถึงกระบวนการลดแร่ธาตุของน้ำแล้ว อัตราส่วนนี้สามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่ 18 ถึง 24 กิโลกรัมของน้ำต่อไฮโดรเจนหนึ่งกิโลกรัม หรือแม้แต่สูงถึง 25.7 ถึง 30.2.

สำหรับกระบวนการผลิตที่มีอยู่ (การปฏิรูปไอน้ำมีเทน) การใช้น้ำขั้นต่ำคือ 4.5kgH2O/kgH2 (จำเป็นสำหรับปฏิกิริยา) โดยคำนึงถึงน้ำในกระบวนการและการหล่อเย็น การใช้น้ำขั้นต่ำคือ 6.4-32.2kgH2O/kgH2

ขั้นตอนที่ 2: แหล่งพลังงาน (ไฟฟ้าหมุนเวียนหรือก๊าซธรรมชาติ)

อีกองค์ประกอบหนึ่งคือการใช้น้ำเพื่อผลิตไฟฟ้าทดแทนและก๊าซธรรมชาติ ปริมาณการใช้น้ำของไฟฟ้าโซลาร์เซลล์จะแตกต่างกันไประหว่าง 50-400 ลิตร /MWh (2.4-19kgH2O/kgH2) และพลังงานลมระหว่าง 5-45 ลิตร /MWh (0.2-2.1kgH2O/kgH2) ในทำนองเดียวกัน การผลิตก๊าซจากชั้นหิน (จากข้อมูลของสหรัฐอเมริกา) สามารถเพิ่มจาก 1.14kgH2O/kgH2 เป็น 4.9kgH2O/kgH2

โดยสรุป ปริมาณการใช้น้ำโดยรวมโดยเฉลี่ยของไฮโดรเจนที่เกิดจากการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์และการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลมอยู่ที่ประมาณ 32 และ 22kgH2O/kgH2 ตามลำดับ ความไม่แน่นอนมาจากรังสีดวงอาทิตย์ อายุการใช้งาน และปริมาณซิลิกอน ปริมาณการใช้น้ำนี้อยู่ในระดับเดียวกับการผลิตไฮโดรเจนจากก๊าซธรรมชาติ (7.6-37 kgh2o /kgH2 โดยมีค่าเฉลี่ย 22kgH2O/kgH2)

รอยเท้าน้ำทั้งหมด: ลดลงเมื่อใช้พลังงานหมุนเวียน

เช่นเดียวกับการปล่อย CO2 ข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับรอยเท้าน้ำที่ต่ำสำหรับเส้นทางอิเล็กโทรไลต์คือการใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียน หากผลิตไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยโดยใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล ปริมาณการใช้น้ำที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้าจะสูงกว่าน้ำจริงที่ใช้ในระหว่างการอิเล็กโทรลิซิสมาก

ตัวอย่างเช่น การผลิตไฟฟ้าจากก๊าซสามารถใช้น้ำได้ถึง 2,500 ลิตร/MWh นอกจากนี้ยังเป็นกรณีที่ดีที่สุดสำหรับเชื้อเพลิงฟอสซิล (ก๊าซธรรมชาติ) หากพิจารณาการแปรสภาพเป็นแก๊สจากถ่านหิน การผลิตไฮโดรเจนสามารถใช้ 31-31.8kgH2O/kgH2 และการผลิตถ่านหินสามารถใช้ 14.7kgH2O/kgH2 ปริมาณการใช้น้ำจากเซลล์แสงอาทิตย์และลมคาดว่าจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป เนื่องจากกระบวนการผลิตมีประสิทธิภาพมากขึ้นและผลผลิตพลังงานต่อหน่วยของกำลังการผลิตติดตั้งดีขึ้น

ปริมาณการใช้น้ำทั้งหมดในปี 2593

โลกคาดว่าจะใช้ไฮโดรเจนในอนาคตมากกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบันหลายเท่า ตัวอย่างเช่น World Energy Transitions Outlook ของ IRENA ประมาณการว่าความต้องการไฮโดรเจนในปี 2050 จะอยู่ที่ประมาณ 74EJ ซึ่งประมาณสองในสามจะมาจากไฮโดรเจนที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ โดยการเปรียบเทียบ วันนี้ (ไฮโดรเจนบริสุทธิ์) คือ 8.4EJ

แม้ว่าไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้าจะสามารถตอบสนองความต้องการไฮโดรเจนตลอดทั้งปี 2050 ปริมาณการใช้น้ำจะอยู่ที่ประมาณ 25 พันล้านลูกบาศก์เมตร รูปด้านล่างเปรียบเทียบตัวเลขนี้กับธารน้ำที่มนุษย์สร้างขึ้นอื่นๆ การเกษตรใช้น้ำในปริมาณมากที่สุด 280 พันล้านลูกบาศก์เมตร ในขณะที่ภาคอุตสาหกรรมใช้เกือบ 800 พันล้านลูกบาศก์เมตร และเมืองต่างๆ ใช้น้ำ 470 พันล้านลูกบาศก์เมตร ปริมาณการใช้น้ำในปัจจุบันของการปฏิรูปก๊าซธรรมชาติและการทำให้เป็นก๊าซถ่านหินเพื่อการผลิตไฮโดรเจนอยู่ที่ประมาณ 1.5 พันล้านลูกบาศก์เมตร

ดังนั้น แม้ว่าคาดว่าจะใช้น้ำปริมาณมากเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของเส้นทางอิเล็กโทรไลต์และความต้องการที่เพิ่มขึ้น แต่การใช้น้ำจากการผลิตไฮโดรเจนจะยังคงน้อยกว่าการไหลอื่นๆ ที่มนุษย์ใช้ อีกจุดอ้างอิงคือการใช้น้ำต่อหัวอยู่ระหว่าง 75 (ลักเซมเบิร์ก) ถึง 1,200 (สหรัฐอเมริกา) ลูกบาศก์เมตรต่อปี โดยเฉลี่ย 400 ลบ.ม. / (ต่อหัว * ปี) การผลิตไฮโดรเจนทั้งหมดในปี 2593 เทียบเท่ากับประชากร 62 ล้านคนในประเทศ

ค่าน้ำเท่าไหร่และใช้พลังงานเท่าไหร่

ค่าใช้จ่าย

เซลล์อิเล็กโทรไลต์ต้องการน้ำคุณภาพสูงและต้องการการบำบัดน้ำ น้ำที่มีคุณภาพต่ำจะนำไปสู่การย่อยสลายที่เร็วขึ้นและอายุที่สั้นลง องค์ประกอบหลายอย่าง รวมถึงไดอะแฟรมและตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในด่าง ตลอดจนเมมเบรนและชั้นขนส่งที่มีรูพรุนของ PEM อาจได้รับผลกระทบในทางลบจากสิ่งเจือปนในน้ำ เช่น เหล็ก โครเมียม ทองแดง ฯลฯ ค่าการนำไฟฟ้าของน้ำจะต้องน้อยกว่า 1μS/ ซม. และอินทรีย์คาร์บอนรวมน้อยกว่า 50μg/L

น้ำคิดเป็นสัดส่วนการใช้พลังงานและค่าใช้จ่ายค่อนข้างน้อย สถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุดสำหรับทั้งสองพารามิเตอร์คือการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล ระบบ Reverse Osmosis เป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับการกลั่นน้ำทะเล ซึ่งคิดเป็นเกือบร้อยละ 70 ของกำลังการผลิตทั่วโลก เทคโนโลยีนี้มีราคาตั้งแต่ 1,900 ถึง 2,000 เหรียญสหรัฐฯ / ลบ.ม./วัน และมีอัตราช่วงการเรียนรู้ที่ 15% ด้วยต้นทุนการลงทุนนี้ ค่าบำบัดจะอยู่ที่ประมาณ 1 เหรียญสหรัฐต่อลูกบาศก์เมตร และอาจต่ำกว่านี้ในพื้นที่ที่ค่าไฟฟ้าต่ำ

นอกจากนี้ ค่าขนส่งจะเพิ่มขึ้นประมาณ 1-2 ดอลลาร์ต่อลูกบาศก์เมตร แม้ในกรณีนี้ ค่าใช้จ่ายในการบำบัดน้ำจะอยู่ที่ประมาณ 0.05 ดอลลาร์/กก.H2 ในมุมมองนี้ ต้นทุนของไฮโดรเจนหมุนเวียนอาจอยู่ที่ $2-3 /kgH2 หากมีทรัพยากรหมุนเวียนที่ดี ในขณะที่ต้นทุนของทรัพยากรเฉลี่ยอยู่ที่ $4-5 /kgH2

ดังนั้นในสถานการณ์ที่อนุรักษ์นิยมนี้ น้ำจะมีราคาน้อยกว่า 2 เปอร์เซ็นต์ของทั้งหมด การใช้น้ำทะเลสามารถเพิ่มปริมาณน้ำที่กู้คืนได้ 2.5 ถึง 5 เท่า (ในแง่ของปัจจัยการกู้คืน)

การใช้พลังงาน

เมื่อพิจารณาจากการใช้พลังงานของการกลั่นน้ำทะเลแล้ว ยังถือว่าน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาณไฟฟ้าที่ต้องใช้ในการป้อนเซลล์อิเล็กโทรไลต์ หน่วยรีเวิร์สออสโมซิสที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบันกินไฟประมาณ 3.0 กิโลวัตต์/ลบ.ม. ในทางตรงกันข้าม โรงกลั่นน้ำทะเลมีการใช้พลังงานที่สูงกว่ามาก ตั้งแต่ 40 ถึง 80 KWH/m3 โดยมีความต้องการพลังงานเพิ่มเติมตั้งแต่ 2.5 ถึง 5 KWH/m3 ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีการกลั่นน้ำทะเล ยกตัวอย่างกรณีอนุรักษ์นิยม (เช่น ความต้องการพลังงานที่สูงขึ้น) ของโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนร่วม สมมติว่าใช้ปั๊มความร้อน ความต้องการพลังงานจะถูกแปลงเป็นไฮโดรเจนประมาณ 0.7 กิโลวัตต์ชั่วโมง/กิโลกรัม ในมุมมองนี้ ความต้องการไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรไลต์อยู่ที่ประมาณ 50-55kWh/กก. ดังนั้นแม้ในสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด ความต้องการพลังงานสำหรับการแยกเกลือออกจากน้ำทะเลจะอยู่ที่ประมาณ 1% ของพลังงานทั้งหมดที่ป้อนเข้าระบบ

ความท้าทายประการหนึ่งของการแยกเกลือออกจากน้ำทะเลคือการกำจัดน้ำเกลือ ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศทางทะเลในท้องถิ่น น้ำเกลือนี้สามารถบำบัดเพิ่มเติมเพื่อลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมได้ จึงเพิ่มต้นทุนน้ำอีก 0.6-2.40 ดอลลาร์/ลบ.ม. นอกจากนี้ คุณภาพของน้ำอิเล็กโทรไลต์ยังเข้มงวดกว่าน้ำดื่ม และอาจทำให้ค่าใช้จ่ายในการบำบัดสูงขึ้น แต่คาดว่าจะยังน้อยเมื่อเทียบกับกำลังไฟฟ้าเข้า

รอยเท้าน้ำของน้ำอิเล็กโทรไลต์สำหรับการผลิตไฮโดรเจนเป็นพารามิเตอร์ตำแหน่งที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งขึ้นอยู่กับการมีน้ำใช้ในท้องถิ่น การบริโภค การย่อยสลาย และมลพิษ ควรคำนึงถึงความสมดุลของระบบนิเวศและผลกระทบของแนวโน้มสภาพภูมิอากาศในระยะยาว การใช้น้ำจะเป็นอุปสรรคสำคัญในการเพิ่มไฮโดรเจนหมุนเวียน