Hvor mye vann skal til for å lage hydrogen ved elektrolyse?

Hvor mye vann forbrukes ved elektrolyse

Trinn én: Hydrogenproduksjon

Vannforbruket kommer fra to trinn: hydrogenproduksjon og oppstrøms energibærerproduksjon. For hydrogenproduksjon er minimumsforbruket av elektrolysert vann omtrent 9 kilo vann per kilo hydrogen. Men med tanke på demineraliseringsprosessen av vann, kan dette forholdet variere fra 18 til 24 kilo vann per kilo hydrogen, eller til og med så høyt som 25,7 til 30,2.

For den eksisterende produksjonsprosessen (metandampreformering) er minimum vannforbruk 4,5 kgH2O/kgH2 (kreves for reaksjon), tatt i betraktning prosessvann og kjøling, er minimum vannforbruk 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.

Trinn 2: Energikilder (fornybar elektrisitet eller naturgass)

En annen komponent er vannforbruk for å produsere fornybar elektrisitet og naturgass. Vannforbruket til solcellekraft varierer mellom 50-400 liter /MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) og for vindkraft mellom 5-45 liter /MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Tilsvarende kan gassproduksjonen fra skifergass (basert på amerikanske data) økes fra 1,14kgH2O/kgH2 til 4,9kgH2O/kgH2.

Som konklusjon er det gjennomsnittlige totale vannforbruket av hydrogen generert ved solcellekraftproduksjon og vindkraftproduksjon henholdsvis ca. 32 og 22 kgH2O/kgH2. Usikkerhetene kommer fra solinnstråling, levetid og silisiuminnhold. Dette vannforbruket er i samme størrelsesorden som hydrogenproduksjon fra naturgass (7,6-37 kgh2o /kgH2, med et gjennomsnitt på 22kgH2O/kgH2).

Totalt vannavtrykk: Lavere ved bruk av fornybar energi

I likhet med CO2-utslipp er en forutsetning for lavt vannfotavtrykk for elektrolyseruter bruk av fornybare energikilder. Hvis bare en liten brøkdel av elektrisiteten genereres ved bruk av fossilt brensel, er vannforbruket knyttet til elektrisitet mye høyere enn det faktiske vannet som forbrukes under elektrolyse.

For eksempel kan gasskraftproduksjon bruke opptil 2500 liter /MWh vann. Det er også det beste tilfellet for fossilt brensel (naturgass). Hvis kullgassifisering vurderes, kan hydrogenproduksjon forbruke 31-31,8 kgH2O/kgH2 og kullproduksjon kan forbruke 14,7kgH2O/kgH2. Vannforbruket fra solceller og vind forventes også å avta over tid ettersom produksjonsprosessene blir mer effektive og energiproduksjonen per enhet installert kapasitet forbedres.

Totalt vannforbruk i 2050

Verden forventes å bruke mange ganger mer hydrogen i fremtiden enn den gjør i dag. For eksempel anslår IRENAs World Energy Transitions Outlook at etterspørselen etter hydrogen i 2050 vil være om lag 74EJ, hvorav omtrent to tredjedeler vil komme fra fornybart hydrogen. Til sammenligning er i dag (rent hydrogen) 8,4EJ.

Selv om elektrolytisk hydrogen kunne dekke etterspørselen etter hydrogen i hele 2050, ville vannforbruket være på rundt 25 milliarder kubikkmeter. Figuren nedenfor sammenligner dette tallet med andre menneskeskapte vannforbruksstrømmer. Landbruket bruker den største mengden på 280 milliarder kubikkmeter vann, mens industrien bruker nesten 800 milliarder kubikkmeter og byer bruker 470 milliarder kubikkmeter. Dagens vannforbruk av naturgassreformering og kullgassifisering for hydrogenproduksjon er om lag 1,5 milliarder kubikkmeter.

Selv om store mengder vann forventes å bli forbrukt på grunn av endringer i elektrolytiske veier og økende etterspørsel, vil vannforbruket fra hydrogenproduksjon fortsatt være mye mindre enn andre strømmer som brukes av mennesker. Et annet referansepunkt er at vannforbruket per innbygger er mellom 75 (Luxembourg) og 1200 (USA) kubikkmeter per år. Med et gjennomsnitt på 400 m3 / (per innbygger * år) tilsvarer den totale hydrogenproduksjonen i 2050 den i et land med 62 millioner mennesker.

Hvor mye vann koster og hvor mye energi som brukes

koste

Elektrolytiske celler krever vann av høy kvalitet og krever vannbehandling. Lavere vannkvalitet fører til raskere nedbrytning og kortere levetid. Mange grunnstoffer, inkludert membraner og katalysatorer som brukes i alkalier, så vel som membranene og porøse transportlagene til PEM, kan bli negativt påvirket av vannforurensninger som jern, krom, kobber osv. Vannledningsevnen er nødvendig å være mindre enn 1¼S/ cm og totalt organisk karbon mindre enn 50μg/L.

Vann står for en relativt liten andel av energiforbruk og kostnader. Det verste scenarioet for begge parametere er avsalting. Omvendt osmose er hovedteknologien for avsalting, og står for nesten 70 prosent av den globale kapasiteten. Teknologien koster $1900- $2000/m³/d og har en læringskurverate på 15%. Ved denne investeringskostnaden er behandlingskostnaden ca. $1/m³, og kan være lavere i områder der strømkostnadene er lave.

I tillegg vil fraktkostnadene øke med ca $1-2 per m³. Selv i dette tilfellet er vannbehandlingskostnadene rundt $0,05 /kgH2. For å sette dette i perspektiv, kan kostnaden for fornybart hydrogen være $2-3 /kgH2 hvis gode fornybare ressurser er tilgjengelige, mens kostnaden for den gjennomsnittlige ressursen er $4-5 /kgH2.

Så i dette konservative scenariet vil vann koste mindre enn 2 prosent av totalen. Bruk av sjøvann kan øke mengden vann som gjenvinnes med 2,5 til 5 ganger (i form av utvinningsfaktor).

Energiforbruk

Ser vi på energiforbruket ved avsalting, er det også veldig lite sammenlignet med mengden elektrisitet som trengs for å tilføre elektrolysecellen. Den nåværende driftsomvendte osmoseenheten bruker ca. 3,0 kW/m3. I motsetning til dette har termiske avsaltingsanlegg mye høyere energiforbruk, fra 40 til 80 KWH/m3, med ekstra kraftbehov fra 2,5 til 5 KWH/m3, avhengig av avsaltingsteknologien. Ta det konservative tilfellet (dvs. høyere energibehov) med et kraftvarmeanlegg som et eksempel, forutsatt bruk av en varmepumpe, vil energibehovet bli konvertert til ca. 0,7 kWh/kg hydrogen. For å sette dette i perspektiv er elektrisitetsbehovet til elektrolysecellen ca. 50-55kWh/kg, så selv i verste fall er energibehovet for avsalting ca. 1 % av den totale energitilførselen til systemet.

En utfordring med avsalting er deponering av saltvann, som kan ha innvirkning på lokale marine økosystemer. Denne saltlaken kan behandles ytterligere for å redusere dens miljøpåvirkning, og dermed legge ytterligere 0,6-2,40 USD/m³ til vannkostnadene. I tillegg er elektrolytisk vannkvalitet strengere enn drikkevann og kan gi høyere behandlingskostnader, men dette forventes fortsatt å være lite sammenlignet med krafttilførselen.

Vannavtrykket til elektrolytisk vann for hydrogenproduksjon er en veldig spesifikk lokaliseringsparameter som avhenger av lokal vanntilgjengelighet, forbruk, nedbrytning og forurensning. Balansen mellom økosystemer og virkningen av langsiktige klimatrender bør vurderes. Vannforbruk vil være et stort hinder for å skalere opp fornybart hydrogen.