Hvor meget vand forbruges ved elektrolyse
Trin et: Hydrogenproduktion
Vandforbruget stammer fra to trin: brintproduktion og opstrøms energibærerproduktion. Til brintproduktion er minimumsforbruget af elektrolyseret vand cirka 9 kilogram vand pr. kilogram brint. Men når man tager højde for vandets demineraliseringsproces, kan dette forhold variere fra 18 til 24 kilogram vand pr. kilogram brint, eller endda så højt som 25,7 til 30,2..
For den eksisterende produktionsproces (metandampreformering) er minimumsvandforbruget 4,5 kgH2O/kgH2 (krævet til reaktion). Under hensyntagen til procesvand og køling er minimumsvandforbruget 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.
Trin 2: Energikilder (vedvarende elektricitet eller naturgas)
En anden komponent er vandforbruget til produktion af vedvarende elektricitet og naturgas. Vandforbruget fra solcelleanlæg varierer mellem 50-400 liter/MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2) og fra vindkraft mellem 5-45 liter/MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2). Tilsvarende kan gasproduktionen fra skifergas (baseret på amerikanske data) øges fra 1,14 kgH2O/kgH2 til 4,9 kgH2O/kgH2.
Afslutningsvis er det gennemsnitlige samlede vandforbrug for brint genereret ved solcelleproduktion og vindkraftproduktion henholdsvis omkring 32 og 22 kgH2O/kgH2. Usikkerhederne stammer fra solstråling, levetid og siliciumindhold. Dette vandforbrug er i samme størrelsesorden som brintproduktion fra naturgas (7,6-37 kgh2o/kgH2, med et gennemsnit på 22 kgH2O/kgH2).
Samlet vandaftryk: Lavere ved brug af vedvarende energi
Ligesom med CO2-udledning er en forudsætning for et lavt vandaftryk for elektrolyseruter brugen af vedvarende energikilder. Hvis kun en lille del af elektriciteten genereres ved hjælp af fossile brændstoffer, er vandforbruget forbundet med elektricitet meget højere end det faktiske vandforbrug under elektrolyse.
For eksempel kan gasproduktion bruge op til 2.500 liter/MWh vand. Det er også det bedste eksempel for fossile brændstoffer (naturgas). Hvis man tager kulforgasning i betragtning, kan brintproduktion forbruge 31-31,8 kgH2O/kgH2, og kulproduktion kan forbruge 14,7 kgH2O/kgH2. Vandforbruget fra solceller og vind forventes også at falde over tid, efterhånden som fremstillingsprocesserne bliver mere effektive, og energiproduktionen pr. enhed installeret kapacitet forbedres.
Samlet vandforbrug i 2050
Verden forventes at bruge mange gange mere brint i fremtiden end i dag. For eksempel anslår IRENAs World Energy Transitions Outlook, at brintbehovet i 2050 vil være omkring 74 EJ, hvoraf omkring to tredjedele vil komme fra vedvarende brint. Til sammenligning er det i dag (ren brint) 8,4 EJ.
Selv hvis elektrolytisk brint kunne dække brintbehovet i hele 2050, ville vandforbruget være omkring 25 milliarder kubikmeter. Figuren nedenfor sammenligner dette tal med andre menneskeskabte vandforbrugsstrømme. Landbruget bruger den største mængde på 280 milliarder kubikmeter vand, mens industrien bruger næsten 800 milliarder kubikmeter, og byerne bruger 470 milliarder kubikmeter. Det nuværende vandforbrug til naturgasreformering og kulforgasning til brintproduktion er omkring 1,5 milliarder kubikmeter.
Selvom det forventes, at der vil blive forbrugt store mængder vand på grund af ændringer i elektrolyseveje og en stigende efterspørgsel, vil vandforbruget fra brintproduktion stadig være meget mindre end andre vandstrømme, der anvendes af mennesker. Et andet referencepunkt er, at vandforbruget pr. indbygger ligger mellem 75 (Luxembourg) og 1.200 (USA) kubikmeter om året. Med et gennemsnit på 400 m3 / (pr. indbygger * år) svarer den samlede brintproduktion i 2050 til et land med 62 millioner indbyggere.
Hvor meget vand koster, og hvor meget energi der bruges
koste
Elektrolytiske celler kræver vand af høj kvalitet og kræver vandbehandling. Vand af lavere kvalitet fører til hurtigere nedbrydning og kortere levetid. Mange elementer, herunder membraner og katalysatorer, der anvendes i alkaliske stoffer, samt membraner og porøse transportlag i PEM, kan blive negativt påvirket af vandurenheder såsom jern, krom, kobber osv. Vandledningsevnen skal være mindre end 1 μS/cm, og det samlede organiske kulstof skal være mindre end 50 μg/L.
Vand tegner sig for en relativt lille andel af energiforbruget og omkostningerne. Det værst tænkelige scenarie for begge parametre er afsaltning. Omvendt osmose er den primære teknologi til afsaltning og tegner sig for næsten 70 procent af den globale kapacitet. Teknologien koster $1900-$2000 / m³/d og har en indlæringskurve på 15%. Med denne investeringsomkostning er behandlingsomkostningerne omkring $1 /m³ og kan være lavere i områder, hvor elomkostningerne er lave.
Derudover vil forsendelsesomkostningerne stige med omkring 1-2 dollars pr. m³. Selv i dette tilfælde er omkostningerne til vandbehandling omkring 0,05 dollars /kgH2. For at sætte dette i perspektiv kan omkostningerne ved vedvarende brint være 2-3 dollars /kgH2, hvis gode vedvarende ressourcer er tilgængelige, mens omkostningerne ved den gennemsnitlige ressource er 4-5 dollars /kgH2.
Så i dette konservative scenarie ville vand koste mindre end 2 procent af det samlede beløb. Brugen af havvand kan øge mængden af vand, der genvindes, med 2,5 til 5 gange (målt på genvindingsfaktor).
Energiforbrug
Når man ser på energiforbruget til afsaltning, er det også meget lille sammenlignet med den mængde elektricitet, der er nødvendig for at tilføre den elektrolysecelle. Den nuværende omvendte osmoseenhed forbruger omkring 3,0 kW/m3. I modsætning hertil har termiske afsaltningsanlæg et meget højere energiforbrug, der spænder fra 40 til 80 kWH/m3, med yderligere effektkrav, der spænder fra 2,5 til 5 kWH/m3, afhængigt af afsaltningsteknologien. Hvis man tager det konservative tilfælde (dvs. højere energiforbrug) af et kraftvarmeværk som eksempel, og antager brugen af en varmepumpe, ville energiforbruget blive omregnet til omkring 0,7 kWh/kg brint. For at sætte dette i perspektiv er elforbruget til den elektrolysecelle omkring 50-55 kWh/kg, så selv i værste fald er energiforbruget til afsaltning omkring 1% af den samlede energitilførsel til systemet.
En udfordring ved afsaltning er bortskaffelsen af saltvand, hvilket kan have en indvirkning på lokale marine økosystemer. Denne saltlage kan behandles yderligere for at reducere dens miljøpåvirkning, hvilket øger vandomkostningerne yderligere med 0,6-2,40 USD/m³. Derudover er elektrolytisk vandkvalitet strengere end drikkevandskvalitet og kan resultere i højere behandlingsomkostninger, men dette forventes stadig at være lille sammenlignet med strømforbruget.
Vandaftrykket af elektrolytisk vand til brintproduktion er en meget specifik lokationsparameter, der afhænger af lokal vandtilgængelighed, forbrug, nedbrydning og forurening. Balancen i økosystemer og virkningen af langsigtede klimatendenser bør tages i betragtning. Vandforbrug vil være en væsentlig hindring for opskalering af vedvarende brint.
Opslagstidspunkt: 8. marts 2023