Berapa banyak air yang dikonsumsi oleh elektrolisis?

Berapa banyak air yang dikonsumsi oleh elektrolisis

Langkah pertama: Produksi hidrogen

Konsumsi air berasal dari dua langkah: produksi hidrogen dan produksi pembawa energi hulu. Untuk produksi hidrogen, konsumsi minimum air elektrolisis adalah sekitar 9 kilogram air per kilogram hidrogen. Namun, dengan mempertimbangkan proses demineralisasi air, rasio ini dapat berkisar antara 18 hingga 24 kilogram air per kilogram hidrogen, atau bahkan setinggi 25,7 hingga 30,2.

 

Untuk proses produksi yang ada (metana steam reforming), konsumsi air minimum adalah 4,5kgH2O/kgH2 (diperlukan untuk reaksi), dengan memperhitungkan air proses dan pendinginan, konsumsi air minimum adalah 6,4-32,2kgH2O/kgH2.

 

Langkah 2: Sumber energi (listrik terbarukan atau gas alam)

Komponen lainnya adalah konsumsi air untuk menghasilkan listrik terbarukan dan gas alam. Konsumsi air untuk tenaga fotovoltaik bervariasi antara 50-400 liter/MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) dan tenaga angin antara 5-45 liter/MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Demikian pula, produksi gas dari gas serpih (berdasarkan data AS) dapat ditingkatkan dari 1,14kgH2O/kgH2 menjadi 4,9kgH2O/kgH2.

 

Sebagai kesimpulan, rata-rata total konsumsi air hidrogen yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga fotovoltaik dan pembangkit listrik tenaga angin masing-masing sekitar 32 dan 22 kgH2O/kgH2. Ketidakpastian berasal dari radiasi matahari, masa pakai, dan kandungan silikon. Konsumsi air ini berada pada urutan yang sama besarnya dengan produksi hidrogen dari gas alam (7,6-37 kgh2o/kgH2, dengan rata-rata 22 kgH2O/kgH2).

 

Total jejak air: Lebih rendah saat menggunakan energi terbarukan

Mirip dengan emisi CO2, prasyarat untuk jejak air yang rendah untuk rute elektrolitik adalah penggunaan sumber energi terbarukan. Jika hanya sebagian kecil listrik yang dihasilkan menggunakan bahan bakar fosil, konsumsi air yang terkait dengan listrik jauh lebih tinggi daripada air aktual yang dikonsumsi selama elektrolisis.

 

Misalnya, pembangkit listrik tenaga gas dapat menggunakan hingga 2.500 liter/MWh air. Ini juga merupakan kasus terbaik untuk bahan bakar fosil (gas alam). Jika gasifikasi batu bara dipertimbangkan, produksi hidrogen dapat mengonsumsi 31-31,8 kgH2O/kgH2 dan produksi batu bara dapat mengonsumsi 14,7 kgH2O/kgH2. Konsumsi air dari fotovoltaik dan angin juga diperkirakan akan menurun seiring waktu karena proses manufaktur menjadi lebih efisien dan keluaran energi per unit kapasitas terpasang meningkat.

 

Total konsumsi air pada tahun 2050

Dunia diperkirakan akan menggunakan hidrogen berkali-kali lebih banyak di masa depan daripada saat ini. Misalnya, World Energy Transitions Outlook IRENA memperkirakan bahwa permintaan hidrogen pada tahun 2050 akan mencapai sekitar 74 EJ, yang sekitar dua pertiganya akan berasal dari hidrogen terbarukan. Sebagai perbandingan, saat ini (hidrogen murni) adalah 8,4 EJ.

 

Bahkan jika hidrogen elektrolit dapat memenuhi permintaan hidrogen sepanjang tahun 2050, konsumsi air akan mencapai sekitar 25 miliar meter kubik. Gambar di bawah ini membandingkan angka ini dengan aliran konsumsi air buatan manusia lainnya. Pertanian menggunakan jumlah air terbesar, yaitu 280 miliar meter kubik, sementara industri menggunakan hampir 800 miliar meter kubik dan kota-kota menggunakan 470 miliar meter kubik. Konsumsi air saat ini untuk reformasi gas alam dan gasifikasi batu bara untuk produksi hidrogen adalah sekitar 1,5 miliar meter kubik.

Dengan demikian, meskipun sejumlah besar air diperkirakan akan dikonsumsi karena perubahan jalur elektrolit dan permintaan yang meningkat, konsumsi air dari produksi hidrogen akan tetap jauh lebih kecil daripada aliran lain yang digunakan oleh manusia. Titik acuan lainnya adalah bahwa konsumsi air per kapita adalah antara 75 (Luksemburg) dan 1.200 (AS) meter kubik per tahun. Dengan rata-rata 400 m3 / (per kapita * tahun), total produksi hidrogen pada tahun 2050 setara dengan negara berpenduduk 62 juta orang.

 

Berapa biaya air dan berapa banyak energi yang digunakan

 

biaya

Sel elektrolit memerlukan air berkualitas tinggi dan memerlukan pengolahan air. Air berkualitas rendah menyebabkan degradasi lebih cepat dan masa pakai lebih pendek. Banyak elemen, termasuk diafragma dan katalis yang digunakan dalam alkali, serta membran dan lapisan pengangkut berpori dari PEM, dapat terpengaruh secara negatif oleh kotoran air seperti besi, kromium, tembaga, dll. Konduktivitas air harus kurang dari 1μS/cm dan total karbon organik kurang dari 50μg/L.

 

Air hanya menyumbang porsi yang relatif kecil dari konsumsi dan biaya energi. Skenario terburuk untuk kedua parameter tersebut adalah desalinasi. Reverse osmosis adalah teknologi utama untuk desalinasi, yang mencakup hampir 70 persen dari kapasitas global. Teknologi ini menghabiskan biaya $1900-$2000/m³/hari dan memiliki tingkat kurva pembelajaran sebesar 15%. Dengan biaya investasi ini, biaya pengolahan sekitar $1/m³, dan mungkin lebih rendah di daerah dengan biaya listrik rendah.

 

Selain itu, biaya pengiriman akan meningkat sekitar $1-2 per m³. Bahkan dalam kasus ini, biaya pengolahan air sekitar $0,05/kgH2. Sebagai perbandingan, biaya hidrogen terbarukan dapat mencapai $2-3/kgH2 jika sumber daya terbarukan yang baik tersedia, sedangkan biaya sumber daya rata-rata adalah $4-5/kgH2.

 

Jadi dalam skenario konservatif ini, biaya air akan kurang dari 2 persen dari total biaya. Penggunaan air laut dapat meningkatkan jumlah air yang dipulihkan sebanyak 2,5 hingga 5 kali (dalam hal faktor pemulihan).

 

Konsumsi energi

Jika melihat konsumsi energi desalinasi, konsumsi energi tersebut juga sangat kecil jika dibandingkan dengan jumlah listrik yang dibutuhkan untuk memasukkan sel elektrolit. Unit reverse osmosis yang beroperasi saat ini mengonsumsi sekitar 3,0 kW/m3. Sebaliknya, pabrik desalinasi termal memiliki konsumsi energi yang jauh lebih tinggi, berkisar antara 40 hingga 80 KWH/m3, dengan kebutuhan daya tambahan berkisar antara 2,5 hingga 5 KWH/m3, tergantung pada teknologi desalinasi. Mengambil kasus konservatif (yaitu permintaan energi yang lebih tinggi) dari pabrik kogenerasi sebagai contoh, dengan asumsi penggunaan pompa panas, permintaan energi akan diubah menjadi sekitar 0,7 kWh/kg hidrogen. Untuk menempatkannya dalam perspektif, permintaan listrik sel elektrolit adalah sekitar 50-55 kWh/kg, jadi bahkan dalam skenario terburuk, permintaan energi untuk desalinasi adalah sekitar 1% dari total energi yang dimasukkan ke dalam sistem.

 

Salah satu tantangan desalinasi adalah pembuangan air garam, yang dapat berdampak pada ekosistem laut setempat. Air garam ini dapat diolah lebih lanjut untuk mengurangi dampaknya terhadap lingkungan, sehingga menambah biaya air sebesar $0,6-2,40/m³. Selain itu, kualitas air elektrolit lebih ketat daripada air minum dan dapat mengakibatkan biaya pengolahan yang lebih tinggi, tetapi biaya ini diperkirakan masih kecil dibandingkan dengan daya yang dibutuhkan.

Jejak air dari air elektrolit untuk produksi hidrogen merupakan parameter lokasi yang sangat spesifik yang bergantung pada ketersediaan, konsumsi, degradasi, dan polusi air setempat. Keseimbangan ekosistem dan dampak tren iklim jangka panjang harus dipertimbangkan. Konsumsi air akan menjadi kendala utama dalam meningkatkan skala hidrogen terbarukan.