Wie viel Wasser wird bei der Elektrolyse verbraucht?

Wie viel Wasser wird bei der Elektrolyse verbraucht?

Schritt eins: Wasserstoffproduktion

Der Wasserverbrauch resultiert aus zwei Schritten: der Wasserstoffproduktion und der vorgelagerten Energieträgerproduktion. Für die Wasserstoffproduktion beträgt der Mindestverbrauch an elektrolysiertem Wasser etwa 9 Kilogramm Wasser pro Kilogramm Wasserstoff. Unter Berücksichtigung der Demineralisierung kann dieses Verhältnis jedoch zwischen 18 und 24 Kilogramm Wasser pro Kilogramm Wasserstoff oder sogar bis zu 25,7 bis 30,2 Kilogramm liegen..

 

Für den bestehenden Produktionsprozess (Methan-Dampfreformierung) beträgt der minimale Wasserverbrauch 4,5 kg H2O/kg H2 (für die Reaktion erforderlich), unter Berücksichtigung von Prozesswasser und Kühlung beträgt der minimale Wasserverbrauch 6,4-32,2 kg H2O/kg H2.

 

Schritt 2: Energiequellen (erneuerbarer Strom oder Erdgas)

Ein weiterer Faktor ist der Wasserverbrauch für die Erzeugung von Strom und Erdgas aus erneuerbaren Energien. Der Wasserverbrauch von Photovoltaikanlagen liegt zwischen 50 und 400 Litern/MWh (2,4–19 kg H₂O/kg H₂), der von Windkraftanlagen zwischen 5 und 45 Litern/MWh (0,2–2,1 kg H₂O/kg H₂). Ebenso kann die Erdgasproduktion aus Schiefergas (basierend auf US-Daten) von 1,14 kg H₂O/kg H₂ auf 4,9 kg H₂O/kg H₂ gesteigert werden.

 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der durchschnittliche Gesamtwasserverbrauch für die Wasserstofferzeugung aus Photovoltaik bzw. Windkraft etwa 32 bzw. 22 kg H₂O/kg H₂ beträgt. Die Unsicherheiten ergeben sich aus der Sonneneinstrahlung, der Lebensdauer und dem Siliziumgehalt. Dieser Wasserverbrauch liegt in der gleichen Größenordnung wie der Wasserverbrauch bei der Wasserstoffproduktion aus Erdgas (7,6–37 kg H₂O/kg H₂, im Durchschnitt 22 kg H₂O/kg H₂).

 

Gesamter Wasserfußabdruck: Geringer bei Nutzung erneuerbarer Energien

Ähnlich wie bei den CO₂-Emissionen ist die Nutzung erneuerbarer Energien eine Voraussetzung für einen geringen Wasserverbrauch bei elektrolytischen Verfahren. Wird nur ein kleiner Teil des Stroms aus fossilen Brennstoffen erzeugt, ist der damit verbundene Wasserverbrauch deutlich höher als der tatsächliche Wasserverbrauch während der Elektrolyse.

 

Beispielsweise kann die Gaskraftwerksverstromung bis zu 2.500 Liter Wasser pro Megawattstunde (MWh) verbrauchen. Dies ist auch der günstigste Fall für fossile Brennstoffe (Erdgas). Bei der Kohlevergasung liegt der Wasserverbrauch bei der Wasserstoffproduktion bei 31–31,8 kg H₂O/kg H₂ und bei der Kohleproduktion bei 14,7 kg H₂O/kg H₂. Auch der Wasserverbrauch von Photovoltaik- und Windkraftanlagen dürfte mit der Zeit sinken, da die Produktionsprozesse effizienter werden und die Energieausbeute pro installierter Leistungseinheit steigt.

 

Gesamtwasserverbrauch im Jahr 2050

Es wird erwartet, dass die Welt in Zukunft ein Vielfaches an Wasserstoff verbrauchen wird. So schätzt beispielsweise der IRENA-Bericht „World Energy Transitions Outlook“, dass der Wasserstoffbedarf im Jahr 2050 bei etwa 74 EJ liegen wird, wovon rund zwei Drittel aus erneuerbarem Wasserstoff stammen werden. Zum Vergleich: Der heutige Bedarf an reinem Wasserstoff beträgt 8,4 EJ.

 

Selbst wenn elektrolytisch erzeugter Wasserstoff den Wasserstoffbedarf für das gesamte Jahr 2050 decken könnte, würde der Wasserverbrauch etwa 25 Milliarden Kubikmeter betragen. Die folgende Abbildung vergleicht diesen Wert mit anderen anthropogenen Wasserverbrauchsströmen. Die Landwirtschaft verbraucht mit 280 Milliarden Kubikmetern den größten Anteil, gefolgt von der Industrie mit fast 800 Milliarden Kubikmetern und den Städten mit 470 Milliarden Kubikmetern. Derzeit liegt der Wasserverbrauch für die Erdgasreformierung und die Kohlevergasung zur Wasserstoffproduktion bei etwa 1,5 Milliarden Kubikmetern.

Obwohl aufgrund veränderter Elektrolyseprozesse und steigender Nachfrage mit einem erhöhten Wasserverbrauch zu rechnen ist, wird der Wasserverbrauch für die Wasserstoffproduktion deutlich geringer sein als der anderer vom Menschen genutzter Wassermengen. Zum Vergleich: Der Pro-Kopf-Wasserverbrauch liegt zwischen 75 (Luxemburg) und 1.200 (USA) Kubikmetern pro Jahr. Bei einem Durchschnittsverbrauch von 400 m³ pro Kopf und Jahr entspricht die gesamte Wasserstoffproduktion im Jahr 2050 dem Bedarf eines Landes mit 62 Millionen Einwohnern.

 

Wie viel Wasser kostet und wie viel Energie verbraucht wird

 

kosten

Elektrolysezellen benötigen hochwertiges Wasser und eine entsprechende Wasseraufbereitung. Wasser minderer Qualität führt zu schnellerem Verschleiß und kürzerer Lebensdauer. Viele Komponenten, darunter Membranen und Katalysatoren in alkalischen Systemen sowie die Membranen und porösen Transportschichten von PEM-Zellen, können durch Wasserverunreinigungen wie Eisen, Chrom, Kupfer usw. beeinträchtigt werden. Die Wasserleitfähigkeit muss unter 1 μS/cm und der Gehalt an organischem Kohlenstoff unter 50 μg/L liegen.

 

Wasser hat einen relativ geringen Anteil am Energieverbrauch und den damit verbundenen Kosten. Der ungünstigste Fall für beide Parameter ist die Meerwasserentsalzung. Umkehrosmose ist die wichtigste Technologie zur Meerwasserentsalzung und deckt fast 70 Prozent der weltweiten Kapazität ab. Die Technologie kostet 1900–2000 US-Dollar/m³/d und hat eine Lernkurve von 15 %. Bei diesen Investitionskosten belaufen sich die Aufbereitungskosten auf etwa 1 US-Dollar/m³ und können in Gebieten mit niedrigen Stromkosten sogar noch geringer ausfallen.

 

Zusätzlich steigen die Transportkosten um etwa 1–2 US-Dollar pro m³. Selbst dann belaufen sich die Kosten für die Wasseraufbereitung auf etwa 0,05 US-Dollar/kgH₂. Zum Vergleich: Die Kosten für erneuerbaren Wasserstoff können bei guten erneuerbaren Ressourcen 2–3 US-Dollar/kgH₂ betragen, während die Kosten für durchschnittliche Ressourcen bei 4–5 US-Dollar/kgH₂ liegen.

 

In diesem konservativen Szenario würden die Wasserkosten also weniger als 2 Prozent der Gesamtkosten betragen. Durch die Nutzung von Meerwasser kann die zurückgewonnene Wassermenge um das 2,5- bis 5-Fache (bezogen auf den Rückgewinnungsfaktor) erhöht werden.

 

Energieverbrauch

Der Energieverbrauch der Entsalzung ist im Vergleich zum Strombedarf der Elektrolysezelle sehr gering. Die derzeit betriebene Umkehrosmoseanlage verbraucht etwa 3,0 kW/m³. Thermische Entsalzungsanlagen hingegen haben einen deutlich höheren Energieverbrauch von 40 bis 80 kWh/m³, zuzüglich eines weiteren Strombedarfs von 2,5 bis 5 kWh/m³, abhängig von der Entsalzungstechnologie. Am Beispiel eines Blockheizkraftwerks mit Wärmepumpe (d. h. höherem Energiebedarf) ergibt sich ein Energiebedarf von etwa 0,7 kWh/kg Wasserstoff. Zum Vergleich: Der Strombedarf der Elektrolysezelle liegt bei etwa 50–55 kWh/kg. Selbst im ungünstigsten Fall beträgt der Energiebedarf für die Entsalzung somit nur etwa 1 % des gesamten Energieeintrags in das System.

 

Eine Herausforderung bei der Meerwasserentsalzung ist die Entsorgung des Salzwassers, das Auswirkungen auf lokale Meeresökosysteme haben kann. Diese Sole kann weiter aufbereitet werden, um ihre Umweltbelastung zu reduzieren, wodurch die Wasserkosten um weitere 0,6–2,40 $/m³ steigen. Darüber hinaus sind die Anforderungen an die Wasserqualität bei der Elektrolyse strenger als bei Trinkwasser, was zu höheren Aufbereitungskosten führen kann. Diese dürften jedoch im Vergleich zum Energieaufwand gering sein.

Der Wasserfußabdruck von Elektrolysewasser für die Wasserstoffproduktion ist ein standortspezifischer Parameter, der von der lokalen Wasserverfügbarkeit, dem Verbrauch, der Wasserzersetzung und der Verschmutzung abhängt. Das Gleichgewicht der Ökosysteme und die Auswirkungen langfristiger Klimatrends müssen berücksichtigt werden. Der Wasserverbrauch stellt ein großes Hindernis für die Ausweitung der Produktion von erneuerbarem Wasserstoff dar.