Hoeveel water is er nodig om waterstof te maken door middel van elektrolyse?

Hoeveel water wordt verbruikt door elektrolyse

Stap één: Waterstofproductie

Het waterverbruik komt uit twee stappen: de productie van waterstof en de stroomopwaartse productie van energiedragers. Voor de productie van waterstof is het minimale verbruik van geëlektrolyseerd water ongeveer 9 kilogram water per kilogram waterstof. Rekening houdend met het demineralisatieproces van water kan deze verhouding echter variëren van 18 tot 24 kilogram water per kilogram waterstof, of zelfs zo hoog als 25,7 tot 30,2.

Voor het bestaande productieproces (methaanstoomreforming) is het minimale waterverbruik 4,5 kgH2O/kgH2 (benodigd voor reactie), rekening houdend met proceswater en koeling is het minimale waterverbruik 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.

Stap 2: Energiebronnen (hernieuwbare elektriciteit of aardgas)

Een ander onderdeel is het waterverbruik voor de productie van hernieuwbare elektriciteit en aardgas. Het waterverbruik van fotovoltaïsche energie varieert tussen 50-400 liter /MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) en dat van windenergie tussen 5-45 liter /MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Evenzo kan de gasproductie uit schaliegas (gebaseerd op Amerikaanse gegevens) worden verhoogd van 1,14 kgH2O/kgH2 tot 4,9 kgH2O/kgH2.

Concluderend, het gemiddelde totale waterverbruik van waterstof gegenereerd door fotovoltaïsche energieopwekking en windenergieproductie is respectievelijk ongeveer 32 en 22 kgH2O/kgH2. De onzekerheden komen voort uit zonnestraling, levensduur en siliciumgehalte. Dit waterverbruik ligt in dezelfde orde van grootte als de waterstofproductie uit aardgas (7,6-37 kgh2o/kgH2, met een gemiddelde van 22 kgH2O/kgH2).

Totale watervoetafdruk: lager bij gebruik van hernieuwbare energie

Net als bij CO2-emissies, is het gebruik van hernieuwbare energiebronnen een voorwaarde voor een lage watervoetafdruk voor elektrolytische routes. Als slechts een klein deel van de elektriciteit wordt opgewekt met fossiele brandstoffen, is het waterverbruik dat gepaard gaat met elektriciteit veel hoger dan het daadwerkelijke waterverbruik bij elektrolyse.

De opwekking van energie op gas kan bijvoorbeeld tot 2.500 liter/MWh water gebruiken. Het is ook het beste geval voor fossiele brandstoffen (aardgas). Als kolenvergassing wordt overwogen, kan de waterstofproductie 31-31,8 kgH2O/kgH2 verbruiken en kan de kolenproductie 14,7 kgH2O/kgH2 verbruiken. Het waterverbruik van fotovoltaïsche zonne-energie en wind zal naar verwachting in de loop van de tijd ook afnemen naarmate productieprocessen efficiënter worden en de energie-output per eenheid geïnstalleerd vermogen verbetert.

Totaal waterverbruik in 2050

De verwachting is dat de wereld in de toekomst vele malen meer waterstof zal gebruiken dan nu het geval is. IRENA's World Energy Transitions Outlook schat bijvoorbeeld dat de vraag naar waterstof in 2050 ongeveer 74 EJ zal bedragen, waarvan ongeveer tweederde afkomstig zal zijn van hernieuwbare waterstof. Ter vergelijking: vandaag is (zuivere waterstof) 8,4 EJ.

Zelfs als elektrolytische waterstof in heel 2050 aan de waterstofvraag zou kunnen voldoen, zou het waterverbruik ongeveer 25 miljard kubieke meter bedragen. Onderstaande figuur vergelijkt dit cijfer met andere door de mens veroorzaakte waterverbruiksstromen. Landbouw gebruikt de grootste hoeveelheid van 280 miljard kubieke meter water, terwijl de industrie bijna 800 miljard kubieke meter gebruikt en steden 470 miljard kubieke meter. Het huidige waterverbruik van aardgasreforming en kolenvergassing voor waterstofproductie is ongeveer 1,5 miljard kubieke meter.

Dus hoewel er naar verwachting grote hoeveelheden water zullen worden verbruikt als gevolg van veranderingen in de elektrolytische routes en de groeiende vraag, zal het waterverbruik van de waterstofproductie nog steeds veel kleiner zijn dan andere stromen die door mensen worden gebruikt. Een ander referentiepunt is dat het waterverbruik per hoofd van de bevolking tussen de 75 (Luxemburg) en 1.200 (VS) kubieke meter per jaar ligt. Met een gemiddelde van 400 m3 / (per capita * jaar) is de totale waterstofproductie in 2050 gelijk aan die van een land met 62 miljoen inwoners.

Hoeveel water kost en hoeveel energie er wordt gebruikt

kosten

Elektrolytische cellen hebben water van hoge kwaliteit nodig en vereisen waterbehandeling. Water van lagere kwaliteit leidt tot snellere afbraak en kortere levensduur. Veel elementen, waaronder diafragma's en katalysatoren die worden gebruikt in alkaliën, evenals de membranen en poreuze transportlagen van PEM, kunnen nadelig worden beïnvloed door wateronzuiverheden zoals ijzer, chroom, koper, enz. De geleidbaarheid van water moet lager zijn dan 1μS/ cm en totale organische koolstof minder dan 50μg/L.

Water heeft een relatief klein aandeel in het energieverbruik en de kosten. Het slechtste scenario voor beide parameters is ontzilting. Omgekeerde osmose is de belangrijkste technologie voor ontzilting, goed voor bijna 70 procent van de wereldwijde capaciteit. De technologie kost $ 1900- $ 2000 / m³/d en heeft een leercurve van 15%. Bij deze investeringskosten bedragen de behandelingskosten ongeveer $ 1 /m³, en kunnen lager zijn in gebieden waar de elektriciteitskosten laag zijn.

Bovendien stijgen de verzendkosten met ongeveer $ 1-2 per m³. Zelfs in dit geval bedragen de waterbehandelingskosten ongeveer $ 0,05 /kgH2. Om dit in perspectief te plaatsen: de kosten van hernieuwbare waterstof kunnen $2-3/kgH2 bedragen als er goede hernieuwbare bronnen beschikbaar zijn, terwijl de kosten van de gemiddelde grondstof $4-5/kgH2 bedragen.

Dus in dit conservatieve scenario zou water minder dan 2 procent van het totaal kosten. Door het gebruik van zeewater kan de hoeveelheid teruggewonnen water 2,5 tot 5 keer groter worden (in termen van terugwinningsfactor).

Energieverbruik

Kijkend naar het energieverbruik van ontzilting, is het ook erg klein in vergelijking met de hoeveelheid elektriciteit die nodig is om de elektrolytische cel te voeden. De huidige werkende omgekeerde osmose unit verbruikt ongeveer 3,0 kW/m3. Daarentegen hebben thermische ontziltingsinstallaties een veel hoger energieverbruik, variërend van 40 tot 80 KWH/m3, met extra vermogensvereisten van 2,5 tot 5 KWH/m3, afhankelijk van de ontziltingstechnologie. Als we het conservatieve geval (d.w.z. hogere energievraag) van een warmtekrachtkoppelingsinstallatie als voorbeeld nemen, uitgaande van het gebruik van een warmtepomp, zou de energievraag worden omgerekend naar ongeveer 0,7 kWh/kg waterstof. Om dit in perspectief te plaatsen: de elektriciteitsvraag van de elektrolytische cel is ongeveer 50-55 kWh/kg, dus zelfs in het slechtste geval is de energievraag voor ontzilting ongeveer 1% van de totale energietoevoer naar het systeem.

Een van de uitdagingen van ontzilting is de verwijdering van zout water, dat een impact kan hebben op lokale mariene ecosystemen. Deze pekel kan verder worden behandeld om de impact op het milieu te verminderen, waardoor nog eens $ 0,6-2,40 /m³ aan de waterkosten wordt toegevoegd. Bovendien is de kwaliteit van elektrolytisch water strenger dan die van drinkwater en kan dit leiden tot hogere zuiveringskosten, maar deze zullen naar verwachting nog steeds klein zijn in vergelijking met het opgenomen vermogen.

De watervoetafdruk van elektrolytisch water voor waterstofproductie is een zeer specifieke locatieparameter die afhangt van de lokale waterbeschikbaarheid, het verbruik, degradatie en vervuiling. Er moet rekening worden gehouden met het evenwicht van ecosystemen en de impact van klimaattrends op de lange termijn. Het waterverbruik zal een grote belemmering vormen voor het opschalen van hernieuwbare waterstof.