電気分解で水素を作るにはどれくらいの水が必要ですか?

電気分解で消費される水の量

ステップ 1: 水素製造

水の消費は、水素の生成と上流のエネルギー担体の生成という 2 つの段階から生じます。水素製造の場合、電解水の最小消費量は、水素 1 キログラムあたり約 9 キログラムの水です。ただし、水の脱塩プロセスを考慮すると、この比率は、水素 1 キログラムあたり 18 から 24 キログラムの水、さらには 25.7 から 30.2 にまで及ぶ可能性があります。.

既存の製造プロセス（メタン水蒸気改質）の場合、最小水消費量は 4.5kgH2O/kgH2（反応に必要）であり、プロセス水と冷却を考慮すると、最小水消費量は 6.4-32.2kgH2O/kgH2 です。

ステップ 2: エネルギー源 (再生可能電力または天然ガス)

もう 1 つの要素は、再生可能電力と天然ガスを生産するための水の消費です。太陽光発電の水消費量は 50 ～ 400 リットル /MWh (2.4 ～ 19kgH2O/kgH2) で、風力発電の水消費量は 5 ～ 45 リットル /MWh (0.2 ～ 2.1kgH2O/kgH2) です。同様に、シェールガスからのガス生産量 (米国のデータに基づく) は、1.14kgH2O/kgH2 から 4.9kgH2O/kgH2 に増やすことができます。

結論として、太陽光発電と風力発電で生成された水素の平均総水消費量は、それぞれ約 32 と 22kgH2O/kgH2 です。不確実性は、日射量、寿命、およびシリコン含有量から生じます。この水の消費量は、天然ガスからの水素生産と同程度です (7.6-37 kgh2o /kgH2、平均 22kgH2O/kgH2)。

水の総使用量: 再生可能エネルギーを使用すると削減

CO2 排出量と同様に、電解ルートの水のフットプリントを小さくするための前提条件は、再生可能エネルギー源を使用することです。電気のごく一部しか化石燃料を使用して生成されない場合、電気に関連する水の消費量は、電気分解中に消費される実際の水よりもはるかに多くなります。

たとえば、ガス発電では最大 2,500 リットル/MWh の水を使用できます。また、化石燃料（天然ガス）にも最適です。石炭のガス化を考慮すると、水素の生産は 31 ～ 31.8kgH2O/kgH2 を消費し、石炭の生産は 14.7kgH2O/kgH2 を消費する可能性があります。太陽光発電と風力による水の消費量も、製造プロセスがより効率的になり、設備容量あたりのエネルギー出力が向上するにつれて、時間の経過とともに減少すると予想されます。

2050年の総水使用量

世界は将来、現在の何倍もの水素を使用すると予想されています。たとえば、IRENA の World Energy Transitions Outlook では、2050 年の水素需要は約 74EJ であり、そのうち約 3 分の 2 が再生可能水素によるものであると推定しています。比較すると、現在（純水素）は 8.4EJ です。

電解水素が 2050 年全体の水素需要を満たすことができたとしても、水消費量は約 250 億立方メートルになります。下の図は、この数字を他の人工的な水消費の流れと比較したものです。農業は 2,800 億立方メートルの最大量の水を使用しますが、産業は約 8,000 億立方メートル、都市は 4,700 億立方メートルを使用します。水素製造のための天然ガス改質および石炭ガス化の現在の水消費量は、約 15 億立方メートルです。

したがって、電解経路の変化と需要の増加により、大量の水が消費されることが予想されますが、水素生成による水の消費は、人間が使用する他のフローよりもはるかに少なくなります。もう 1 つの基準点は、1 人あたりの水消費量が 75 (ルクセンブルグ) から 1,200 (米国) 立方メートル/年であることです。平均 400 m3 / (1 人あたり * 年) で、2050 年の総水素生産量は 6,200 万人の国の生産量に相当します。

水のコストとエネルギーの使用量

料金

電解セルには高品質の水が必要であり、水処理が必要です。水質が悪いと劣化が早くなり、寿命が短くなります。膜や PEM の多孔質輸送層と同様に、隔膜やアルカリで使用される触媒を含む多くの要素は、鉄、クロム、銅などの水の不純物によって悪影響を受ける可能性があります。水の伝導率は 1μS/未満である必要がありますcm と総有機炭素 50 μ g/L 未満。

水がエネルギー消費とコストに占める割合は比較的小さい。両方のパラメーターの最悪のシナリオは淡水化です。逆浸透は淡水化の主要な技術であり、世界の容量​​の約 70% を占めています。この技術の費用は $1900 ～ $2000 / m³/日で、学習曲線の割合は 15% です。この投資コストでは、処理コストは約 1 ドル/m³ であり、電気料金が安い地域ではさらに安くなる可能性があります。

さらに、送料は m³ あたり約 1 ～ 2 ドル高くなります。この場合でも、水処理コストは約 0.05 ドル/kgH2 です。これを概観すると、再生可能水素のコストは、良好な再生可能資源が利用可能であれば 2 ～ 3 ドル /kgH2 になる可能性がありますが、平均的なリソースのコストは 4 ～ 5 ドル /kgH2 です。

したがって、この保守的なシナリオでは、水のコストは全体の 2% 未満になります。海水を利用することで、水の回収量を2.5～5倍（回収率換算）にすることができます。

エネルギー消費

淡水化のエネルギー消費量を見ると、電解槽に投入するのに必要な電力量に比べても非常に小さいです。現在稼働中の逆浸透ユニットは、約 3.0 kW/m3 を消費します。対照的に、熱淡水化プラントのエネルギー消費量は 40 ～ 80 KWH/m3 とはるかに高く、淡水化技術に応じて 2.5 ～ 5 KWH/m3 の追加電力が必要になります。熱電併給プラントの控えめなケース (つまり、より高いエネルギー需要) を例にとると、ヒートポンプの使用を想定すると、エネルギー需要は約 0.7kWh/kg の水素に変換されます。これを概観すると、電解セルの電力需要は約 50 ～ 55kWh/kg であるため、最悪のシナリオでも、淡水化のエネルギー需要はシステムへの総エネルギー入力の約 1% です。

淡水化の課題の 1 つは塩水の廃棄であり、これは地域の海洋生態系に影響を与える可能性があります。この塩水はさらに処理して環境への影響を減らすことができるため、水のコストがさらに 0.6 ～ 2.40 ドル/m³ 追加されます。また、電解水は飲料水よりも水質が厳しく、処理コストが高くなる可能性がありますが、それでも投入電力に比べれば小さいと予想されます。

水素製造用の電解水のウォーター フットプリントは、地域の水の利用可能性、消費、劣化、および汚染に依存する、非常に特殊な場所のパラメーターです。生態系のバランスと長期的な気候傾向の影響を考慮する必要があります。水の消費量は、再生可能水素をスケールアップする上で大きな障害となります。