전기분해로 수소를 만드는 데 얼마나 많은 물이 필요합니까?

전기분해로 소비되는 물의 양

1단계: 수소 생산

물 소비는 수소 생산과 업스트림 에너지 캐리어 생산의 두 단계로 이루어집니다. 수소 생산을 위해 전해수의 최소 소비량은 수소 1kg당 약 9kg의 물입니다. 그러나 물의 탈염 과정을 고려하면 이 비율은 수소 1kg당 물 18~24kg, 심지어 25.7~30.2까지 높아질 수 있습니다..

기존 생산 공정(메탄 증기 개질)의 경우 최소 물 소비량은 4.5kgH2O/kgH2(반응에 필요)이며, 공정수 및 냉각을 고려하면 최소 물 소비량은 6.4-32.2kgH2O/kgH2입니다.

2단계: 에너지원(재생 전기 또는 천연 가스)

또 다른 구성 요소는 재생 가능한 전기와 천연 가스를 생산하기 위한 물 소비입니다. 태양광 발전의 물 소비량은 50~400리터/MWh(2.4~19kgH2O/kgH2)이며 풍력 발전의 물 소비량은 5~45리터/MWh(0.2~2.1kgH2O/kgH2)입니다. 유사하게, 셰일 가스로부터의 가스 생산(미국 데이터 기준)은 1.14kgH2O/kgH2에서 4.9kgH2O/kgH2로 증가할 수 있습니다.

결론적으로 태양광 발전과 풍력 발전으로 발생하는 수소의 평균 총 물 소비량은 각각 약 32, 22kgH2O/kgH2이다. 불확실성은 태양 복사, 수명 및 실리콘 함량에서 비롯됩니다. 이 물 소비량은 천연 가스(7.6-37 kgh2o /kgH2, 평균 22kgH2O/kgH2)에서 수소를 생산하는 것과 같은 규모입니다.

총 물발자국: 재생 에너지 사용 시 감소

CO2 배출과 유사하게 전해 경로의 물 발자국을 줄이기 위한 전제 조건은 재생 에너지원의 사용입니다. 전기의 일부만 화석 연료를 사용하여 생성되는 경우 전기와 관련된 물 소비량은 전기 분해 중에 소비되는 실제 물보다 훨씬 많습니다.

예를 들어 가스 발전은 최대 2,500리터/MWh의 물을 사용할 수 있습니다. 또한 화석 연료(천연 가스)에 대한 최상의 사례입니다. 석탄 가스화를 고려하면 수소 생산은 31~31.8kgH2O/kgH2, 석탄 생산은 14.7kgH2O/kgH2를 소비할 수 있다. 제조 공정이 보다 효율적이 되고 설치 용량 단위당 에너지 출력이 향상됨에 따라 태양광 및 풍력의 물 소비량도 시간이 지남에 따라 감소할 것으로 예상됩니다.

2050년 총 물 소비량

세계는 미래에 현재보다 몇 배 더 많은 수소를 사용할 것으로 예상됩니다. 예를 들어, IRENA의 세계 에너지 전환 전망(World Energy Transitions Outlook)에서는 2050년 수소 수요가 약 74EJ가 될 것이며 그 중 약 2/3가 재생 가능한 수소에서 나올 것이라고 추정합니다. 이에 비해 오늘날(순수 수소)은 8.4EJ입니다.

전해수소가 2050년 전체의 수소 수요를 충족할 수 있다고 해도 물 소비량은 약 250억 입방미터가 될 것입니다. 아래 그림은 이 수치를 다른 인공 물 소비 흐름과 비교한 것입니다. 농업은 2,800억 입방미터의 물을 가장 많이 사용하는 반면, 산업은 거의 8,000억 입방미터, 도시는 4,700억 입방미터를 사용합니다. 수소 생산을 위한 천연 가스 개질 및 석탄 가스화의 현재 물 소비량은 약 15억 입방미터입니다.

따라서 전기 분해 경로의 변화와 수요 증가로 인해 많은 양의 물이 소비될 것으로 예상되지만 수소 생산을 위한 물 소비량은 여전히 ​​인간이 사용하는 다른 흐름보다 훨씬 적을 것입니다. 또 다른 기준점은 1인당 물 소비량이 연간 75(룩셈부르크)에서 1,200(US) 입방미터 사이라는 것입니다. 평균 400m3/(1인당 *년)의 경우 2050년 총 수소 생산량은 6,200만 명의 국가와 맞먹습니다.

얼마나 많은 물 비용과 얼마나 많은 에너지가 사용되는지

비용

전해 전지에는 고품질의 물이 필요하며 수처리가 필요합니다. 수질이 낮으면 분해 속도가 빨라지고 수명이 짧아집니다. 알칼리에 사용되는 다이어프램과 촉매, PEM의 멤브레인 및 다공성 수송층을 포함한 많은 요소는 철, 크롬, 구리 등과 같은 물 불순물에 의해 악영향을 받을 수 있습니다. 물 전도도는 1μS/ 미만이어야 합니다. cm 및 50μg/L 미만의 총 유기 탄소.

물은 에너지 소비와 비용에서 상대적으로 작은 부분을 차지합니다. 두 매개 변수에 대한 최악의 시나리오는 담수화입니다. 역삼투압은 전 세계 담수화 용량의 거의 70%를 차지하는 담수화의 주요 기술입니다. 이 기술은 $1900-$2000/m³/d의 비용이 들며 학습 곡선 비율은 15%입니다. 이 투자 비용에서 처리 비용은 $1/m³ 정도이며 전기 요금이 저렴한 지역에서는 더 낮을 수 있습니다.

또한 운송 비용은 m³당 약 $1-2 증가합니다. 이 경우에도 수처리 비용은 약 $0.05/kgH2입니다. 이러한 관점에서 볼 때 재생 가능한 수소의 비용은 우수한 재생 가능 자원을 사용할 수 있는 경우 $2-3/kgH2인 반면 평균 자원의 비용은 $4-5/kgH2입니다.

따라서 이 보수적인 시나리오에서 물은 총 비용의 2% 미만이 됩니다. 해수를 이용하면 물 회수량을 2.5~5배(회수율 기준) 늘릴 수 있다.

에너지 소비

담수화의 에너지 소모량을 보면 전해조에 투입하는 데 필요한 전기량에 비하면 매우 적다. 현재 작동 중인 역삼투 장치는 약 3.0kW/m3를 소비합니다. 대조적으로 열 담수화 플랜트는 담수화 기술에 따라 2.5 ~ 5KWH/m3 범위의 추가 전력 요구 사항과 함께 40 ~ 80KWH/m3 범위의 훨씬 더 높은 에너지 소비가 있습니다. 열병합 발전소의 보수적인 경우(즉, 더 높은 에너지 수요)를 예로 들어 열 펌프를 사용한다고 가정하면 에너지 수요는 약 0.7kWh/kg의 수소로 변환됩니다. 이를 감안하면 전해조의 전기 수요는 약 50~55kWh/kg이므로 최악의 경우에도 담수화를 위한 에너지 수요는 시스템에 투입되는 총 에너지의 약 1% 수준이다.

담수화의 한 가지 과제는 지역 해양 생태계에 영향을 미칠 수 있는 염수 처리입니다. 이 소금물은 환경에 미치는 영향을 줄이기 위해 추가로 처리할 수 있으므로 물 비용에 $0.6-2.40/m³를 더 추가할 수 있습니다. 또한 전해수는 음용수보다 수질이 까다로워 처리 비용이 높을 수 있지만, 이는 여전히 투입되는 전력에 비해 적을 것으로 예상된다.

수소 생산을 위한 전해수의 물 발자국은 지역의 물 가용성, 소비, 분해 및 오염에 따라 달라지는 매우 특정한 위치 매개변수입니다. 생태계의 균형과 장기적인 기후 경향의 영향을 고려해야 합니다. 물 소비는 재생 가능한 수소를 확장하는 데 주요 장애물이 될 것입니다.