Hoeveel water wordt er verbruikt bij elektrolyse?

Hoeveel water wordt er verbruikt bij elektrolyse?

Stap één: Waterstofproductie

Het waterverbruik bestaat uit twee stappen: waterstofproductie en de productie van de energiedragers die eraan voorafgaan. Voor de waterstofproductie 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 oplopen tot 25,7 tot 30,2 kilogram..

 

Voor het bestaande productieproces (methaanstoomreforming) bedraagt ​​het minimale waterverbruik 4,5 kg H₂O/kg H₂ (nodig voor de reactie). Rekening houdend met proceswater en koeling, bedraagt ​​het minimale waterverbruik 6,4-32,2 kg H₂O/kg H₂.

 

Stap 2: Energiebronnen (hernieuwbare elektriciteit of aardgas)

Een andere factor is het waterverbruik voor de productie van hernieuwbare elektriciteit en aardgas. Het waterverbruik van zonne-energie varieert tussen 50 en 400 liter/MWh (2,4-19 kg H₂O/kg H₂) en dat van windenergie tussen 5 en 45 liter/MWh (0,2-2,1 kg H₂O/kg H₂). Op vergelijkbare wijze kan de gasproductie uit schaliegas (gebaseerd op Amerikaanse gegevens) worden verhoogd van 1,14 kg H₂O/kg H₂ tot 4,9 kg H₂O/kg H₂.

 

Samenvattend bedraagt ​​het gemiddelde totale waterverbruik voor waterstof opgewekt door zonne-energie en windenergie respectievelijk ongeveer 32 en 22 kg H₂O/kg H₂. De onzekerheden zijn te wijten aan zonnestraling, levensduur en siliciumgehalte. Dit waterverbruik is van dezelfde orde van grootte als waterstofproductie uit aardgas (7,6-37 kg H₂O/kg H₂, met een gemiddelde van 22 kg H₂O/kg H₂).

 

Totale watervoetafdruk: lager bij gebruik van hernieuwbare energie

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

 

Zo kan gasgestookte elektriciteitsopwekking tot wel 2.500 liter water per MWh verbruiken. Dit is tevens het gunstigste scenario voor fossiele brandstoffen (aardgas). Bij kolenvergassing kan de waterstofproductie 31-31,8 kg H₂O per kg H₂ verbruiken en de kolenproductie 14,7 kg H₂O per kg H₂. Het waterverbruik van zonne- en windenergie zal naar verwachting in de loop der tijd afnemen naarmate productieprocessen efficiënter worden en de energieopbrengst per eenheid geïnstalleerd vermogen toeneemt.

 

Totale waterconsumptie in 2050

De wereld zal naar verwachting in de toekomst vele malen meer waterstof gebruiken dan nu. Zo schat IRENA in haar World Energy Transitions Outlook dat de vraag naar waterstof in 2050 ongeveer 74 EJ zal bedragen, waarvan ongeveer twee derde afkomstig zal zijn van hernieuwbare waterstof. Ter vergelijking: vandaag de dag is dat (pure waterstof) 8,4 EJ.

 

Zelfs als elektrolytische waterstof de waterstofvraag voor heel 2050 zou kunnen dekken, zou het waterverbruik ongeveer 25 miljard kubieke meter bedragen. De onderstaande afbeelding vergelijkt dit met andere door de mens veroorzaakte waterverbruiksstromen. De landbouw gebruikt de grootste hoeveelheid water, namelijk 280 miljard kubieke meter, terwijl de industrie bijna 800 miljard kubieke meter gebruikt en steden 470 miljard kubieke meter. Het huidige waterverbruik van aardgasreforming en kolenvergassing voor waterstofproductie bedraagt ​​ongeveer 1,5 miljard kubieke meter.

Hoewel er dus naar verwachting grote hoeveelheden water zullen worden verbruikt als gevolg van veranderingen in elektrolytische processen en een groeiende vraag, zal het waterverbruik voor waterstofproductie nog steeds veel lager zijn dan dat van andere menselijke waterstromen. Een ander referentiepunt is dat het waterverbruik per hoofd van de bevolking tussen de 75 (Luxemburg) en 1200 (VS) kubieke meter per jaar ligt. Met een gemiddelde van 400 m³ per hoofd van de bevolking per jaar, is de totale waterstofproductie in 2050 gelijk aan die van een land met 62 miljoen inwoners.

 

Hoeveel kost water en hoeveel energie wordt er verbruikt?

 

kosten

Elektrolytische cellen vereisen water van hoge kwaliteit en waterzuivering. Water van lagere kwaliteit leidt tot snellere degradatie en een kortere levensduur. Veel onderdelen, waaronder membranen en katalysatoren die in alkalische cellen worden gebruikt, evenals de membranen en poreuze transportlagen van PEM-cellen, kunnen nadelig worden beïnvloed door onzuiverheden in het water zoals ijzer, chroom, koper, enz. De watergeleidbaarheid moet lager zijn dan 1 μS/cm en het totale organische koolstofgehalte lager dan 50 μg/L.

 

Water is verantwoordelijk voor een relatief klein deel van het energieverbruik en de kosten. Het worstcasescenario voor beide parameters is ontzilting. Omgekeerde osmose is de belangrijkste technologie voor ontzilting en vertegenwoordigt bijna 70 procent van de wereldwijde capaciteit. De technologie kost $1900-$2000 per m³ per dag en heeft een leercurve van 15%. Bij deze investeringskosten bedragen de behandelingskosten ongeveer $1 per m³, en kunnen ze lager liggen in gebieden met lage elektriciteitskosten.

 

Bovendien zullen de verzendkosten met ongeveer $1-2 per m³ stijgen. Zelfs in dit geval bedragen de kosten voor waterzuivering ongeveer $0,05/kgH2. Ter vergelijking: de kosten van hernieuwbare waterstof kunnen $2-3/kgH2 bedragen als er goede hernieuwbare bronnen beschikbaar zijn, terwijl de kosten van de gemiddelde bron $4-5/kgH2 zijn.

 

In dit conservatieve scenario zouden de waterkosten dus minder dan 2 procent van het totaal bedragen. Het gebruik van zeewater kan de hoeveelheid teruggewonnen water met een factor 2,5 tot 5 verhogen (gemeten aan de hand van de terugwinningsfactor).

 

Energieverbruik

Kijkend naar het energieverbruik van ontzilting, is dit ook erg laag in vergelijking met de hoeveelheid elektriciteit die nodig is om de elektrolytische cel te voeden. De huidige omgekeerde osmose-installatie verbruikt ongeveer 3,0 kW/m³. Thermische ontziltingsinstallaties daarentegen hebben een veel hoger energieverbruik, variërend van 40 tot 80 kWh/m³, met een extra energiebehoefte van 2,5 tot 5 kWh/m³, afhankelijk van de ontziltingstechnologie. Neem bijvoorbeeld het conservatieve geval (d.w.z. hogere energiebehoefte) van een warmtekrachtkoppelingsinstallatie, uitgaande van het gebruik van een warmtepomp. De energiebehoefte zou dan omgerekend ongeveer 0,7 kWh/kg waterstof bedragen. Ter vergelijking: de elektriciteitsbehoefte van de elektrolytische cel is ongeveer 50-55 kWh/kg. Zelfs in het slechtste geval is de energiebehoefte voor ontzilting dus slechts ongeveer 1% van de totale energie-input van het systeem.

 

Een van de uitdagingen bij ontzilting is de afvoer van zout water, wat een impact kan hebben op lokale mariene ecosystemen. Deze pekel kan verder worden behandeld om de milieubelasting te verminderen, wat de waterkosten met nog eens $0,6-2,40/m³ verhoogt. Bovendien zijn de eisen voor de waterkwaliteit bij elektrolytische ontzilting strenger dan voor drinkwater, wat kan leiden tot hogere behandelingskosten. Deze kosten zullen echter naar verwachting nog steeds gering zijn in vergelijking met het energieverbruik.

De watervoetafdruk van elektrolytisch water voor waterstofproductie is een zeer locatiegebonden parameter die afhangt van de lokale beschikbaarheid, het verbruik, de degradatie en de vervuiling van water. Het evenwicht van ecosystemen en de impact van langetermijnklimaatontwikkelingen moeten in overweging worden genomen. Waterverbruik zal een belangrijk obstakel vormen voor de opschaling van hernieuwbare waterstof.