Berapa banyak air yang dikonsumsi oleh elektrolisis?

Berapa banyak air yang dikonsumsi oleh elektrolisis?

Langkah pertama: Produksi hidrogen

Konsumsi air berasal dari dua tahap: produksi hidrogen dan produksi pembawa energi hulu. Untuk produksi hidrogen, konsumsi minimum air hasil 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 kilogram..

 

Untuk proses produksi yang ada (reformasi uap metana), konsumsi air minimum adalah 4,5 kgH2O/kgH2 (diperlukan untuk reaksi), dengan mempertimbangkan air proses dan pendinginan, konsumsi air minimum adalah 6,4-32,2 kgH2O/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 pembangkit listrik fotovoltaik bervariasi antara 50-400 liter/MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2) dan untuk pembangkit listrik tenaga angin antara 5-45 liter/MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2). Demikian pula, produksi gas dari gas serpih (berdasarkan data AS) dapat ditingkatkan dari 1,14 kgH2O/kgH2 menjadi 4,9 kgH2O/kgH2.

 

Kesimpulannya, rata-rata total konsumsi air untuk hidrogen yang dihasilkan oleh pembangkit listrik fotovoltaik dan pembangkit listrik tenaga angin masing-masing sekitar 32 dan 22 kgH2O/kgH2. Ketidakpastian tersebut berasal dari radiasi matahari, umur pakai, dan kandungan silikon. Konsumsi air ini berada pada orde besaran yang sama dengan produksi hidrogen dari gas alam (7,6-37 kgH2O/kgH2, dengan rata-rata 22 kgH2O/kgH2).

 

Jejak air total: Lebih rendah bila menggunakan energi terbarukan

Mirip dengan emisi CO2, prasyarat untuk jejak air yang rendah pada jalur 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 yang sebenarnya dikonsumsi selama elektrolisis.

 

Sebagai contoh, pembangkit listrik tenaga gas dapat menggunakan hingga 2.500 liter/MWh air. Ini juga merupakan skenario terbaik untuk bahan bakar fosil (gas alam). Jika gasifikasi batubara dipertimbangkan, produksi hidrogen dapat mengonsumsi 31-31,8 kgH2O/kgH2 dan produksi batubara 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 output 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, Laporan Prospek Transisi Energi Dunia IRENA memperkirakan bahwa permintaan hidrogen pada tahun 2050 akan mencapai sekitar 74 EJ, di mana sekitar dua pertiganya akan berasal dari hidrogen terbarukan. Sebagai perbandingan, saat ini (hidrogen murni) adalah 8,4 EJ.

 

Sekalipun hidrogen elektrolitik dapat memenuhi permintaan hidrogen sepanjang tahun 2050, konsumsi air akan mencapai sekitar 25 miliar meter kubik. Gambar di bawah ini membandingkan angka tersebut dengan aliran konsumsi air buatan manusia lainnya. Pertanian menggunakan jumlah terbesar, yaitu 280 miliar meter kubik air, 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 batubara untuk produksi hidrogen adalah sekitar 1,5 miliar meter kubik.

Dengan demikian, meskipun sejumlah besar air diperkirakan akan dikonsumsi karena perubahan jalur elektrolitik dan meningkatnya permintaan, konsumsi air dari produksi hidrogen akan tetap jauh lebih kecil daripada aliran air lain yang digunakan manusia. Titik acuan lainnya adalah konsumsi air per kapita berkisar 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 produksi hidrogen untuk negara dengan 62 juta penduduk.

 

Berapa biaya air dan berapa banyak energi yang digunakan?

 

biaya

Sel elektrolitik membutuhkan 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 sel alkali, serta membran dan lapisan transpor berpori dari PEM, dapat terpengaruh secara negatif oleh pengotor air seperti besi, kromium, tembaga, dll. Konduktivitas air harus kurang dari 1μS/cm dan total karbon organik kurang dari 50μg/L.

 

Air hanya menyumbang sebagian kecil dari konsumsi dan biaya energi. Skenario terburuk untuk kedua parameter tersebut adalah desalinasi. Osmosis terbalik adalah teknologi utama untuk desalinasi, yang mencakup hampir 70 persen dari kapasitas global. Teknologi ini berbiaya $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 yang rendah.

 

Selain itu, biaya pengiriman akan meningkat sekitar $1-2 per m³. Bahkan dalam kasus ini, biaya pengolahan air sekitar $0,05/kgH2. Untuk memberikan perspektif, biaya hidrogen terbarukan bisa 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, air akan menelan biaya 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 dilihat dari konsumsi energi desalinasi, jumlahnya juga sangat kecil dibandingkan dengan jumlah listrik yang dibutuhkan untuk memasukkan energi ke dalam sel elektrolitik. Unit osmosis balik yang beroperasi saat ini mengkonsumsi 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 contoh kasus konservatif (yaitu permintaan energi yang lebih tinggi) dari pembangkit listrik kogenerasi, dengan asumsi penggunaan pompa panas, permintaan energi akan dikonversi menjadi sekitar 0,7 kWh/kg hidrogen. Untuk memberikan perspektif, permintaan listrik sel elektrolitik sekitar 50-55 kWh/kg, jadi bahkan dalam skenario terburuk, permintaan energi untuk desalinasi hanya sekitar 1% dari total energi yang dimasukkan ke dalam sistem.

 

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

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