Hoeveel water wordt verbruikt door elektrolyse?
Stap één: Waterstofproductie
Waterverbruik vindt plaats in twee stappen: waterstofproductie en upstream-productie van energiedragers. Voor waterstofproductie bedraagt 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 25,7 tot 30,2..
Voor het bestaande productieproces (methaanstoomreforming) bedraagt het minimale waterverbruik 4,5 kg H2O/kg H2 (benodigd 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 component 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 H₂O) en dat van windenergie tussen 5 en 45 liter/MWh (0,2-2,1 kg H₂O/kg H₂O). Op vergelijkbare wijze kan de gasproductie uit schaliegas (gebaseerd op Amerikaanse gegevens) worden verhoogd van 1,14 kg H₂O/kg H₂O naar 4,9 kg H₂O/kg H₂O.
Concluderend kan gesteld worden dat het gemiddelde totale waterverbruik van waterstof, opgewekt door fotovoltaïsche energieopwekking en windenergie, respectievelijk ongeveer 32 en 22 kg H₂O/kg H₂ bedraagt. De onzekerheden komen voort uit zonnestraling, levensduur en siliciumgehalte. Dit waterverbruik is van dezelfde grootteorde 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 elektrolyse. Als slechts een klein deel van de elektriciteit wordt opgewekt met fossiele brandstoffen, is het waterverbruik dat gepaard gaat met elektriciteit veel hoger dan het daadwerkelijke waterverbruik tijdens elektrolyse.
Zo kan gasgestookte elektriciteit tot 2500 liter water per MWh verbruiken. Dit is ook het beste scenario voor fossiele brandstoffen (aardgas). Als we rekening houden met kolenvergassing, kan waterstofproductie 31-31,8 kg H₂O/kg H₂O verbruiken en kolenproductie 14,7 kg H₂O/kg H₂O. Ook het waterverbruik van zonne-energie en windenergie zal naar verwachting in de loop der tijd afnemen, naarmate de productieprocessen efficiënter worden en de energie-opbrengst per eenheid geïnstalleerd vermogen toeneemt.
Totaal waterverbruik in 2050
De wereld zal naar verwachting in de toekomst vele malen meer waterstof gebruiken dan nu. Zo schat IRENA's World Energy Transitions Outlook dat de vraag naar waterstof in 2050 ongeveer 74 EJ zal bedragen, waarvan ongeveer tweederde afkomstig zal zijn van hernieuwbare waterstof. Ter vergelijking: momenteel (pure waterstof) is dat 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 figuur vergelijkt dit cijfer met andere door de mens geproduceerde waterstromen. De landbouw gebruikt het grootste deel, namelijk 280 miljard kubieke meter, terwijl de industrie bijna 800 miljard kubieke meter water verbruikt en steden 470 miljard kubieke meter. Het huidige waterverbruik van aardgasreforming en kolenvergassing voor waterstofproductie bedraagt ongeveer 1,5 miljard kubieke meter.
Hoewel er 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 kleiner zijn dan dat van andere door mensen gebruikte waterstromen. Een ander referentiepunt is dat het waterverbruik per hoofd van de bevolking tussen de 75 (Luxemburgse) en 1200 (Amerikaanse) 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 water kost en hoeveel energie er wordt verbruikt
kosten
Elektrolytische cellen vereisen water van hoge kwaliteit en waterzuivering. Water van lagere kwaliteit leidt tot snellere degradatie en een kortere levensduur. Veel elementen, waaronder membranen en katalysatoren die in alkalische oplossingen worden gebruikt, evenals de membranen en poreuze transportlagen van PEM, kunnen nadelig worden beïnvloed door waterverontreinigingen zoals ijzer, chroom, koper, enz. De geleidbaarheid van het water moet minder dan 1 μS/cm bedragen en de totale hoeveelheid organische koolstof minder dan 50 μg/l.
Water vertegenwoordigt 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 is goed voor bijna 70 procent van de wereldwijde capaciteit. De technologie kost $ 1900- $ 2000 per m³/dag en heeft een leercurve van 15%. Bij deze investeringskosten bedragen de zuiveringskosten ongeveer $ 1 per m³, en kunnen ze lager zijn in gebieden met lage elektriciteitskosten.
Bovendien zullen de transportkosten met ongeveer $ 1-2 per m³ stijgen. Zelfs in dit geval bedragen de kosten voor waterzuivering ongeveer $ 0,05 per kg H₂. Ter vergelijking: de kosten van hernieuwbare waterstof kunnen $ 2-3 per kg H₂ bedragen als er goede hernieuwbare bronnen beschikbaar zijn, terwijl de kosten van de gemiddelde bron $ 4-5 per kg H₂ bedragen.
In dit conservatieve scenario zou water dus minder dan 2 procent van de totale kosten kosten. Het gebruik van zeewater kan de hoeveelheid gewonnen water met een factor 2,5 tot 5 verhogen (in termen van terugwinningsfactor).
Energieverbruik
Kijkend naar het energieverbruik van ontzilting, is dit ook zeer laag in vergelijking met de hoeveelheid elektriciteit die nodig is om de elektrolytische cel te voeden. De huidige operationele omgekeerde-osmose-eenheid verbruikt ongeveer 3,0 kW/m3. Thermische ontziltingsinstallaties daarentegen hebben een veel hoger energieverbruik, variërend van 40 tot 80 kWh/m3, met een extra stroombehoefte variërend van 2,5 tot 5 kWh/m3, afhankelijk van de ontziltingstechnologie. Als we het conservatieve geval (d.w.z. een hogere energievraag) van een warmtekrachtkoppelingsinstallatie als voorbeeld nemen, uitgaande van het gebruik van een warmtepomp, zou de energievraag worden omgezet in ongeveer 0,7 kWh/kg waterstof. Ter vergelijking: de elektriciteitsvraag van de elektrolytische cel is ongeveer 50-55 kWh/kg, dus zelfs in het ergste geval bedraagt de energievraag voor ontzilting ongeveer 1% van de totale energie-input van het systeem.
Een uitdaging bij ontzilting is de afvoer van zout water, wat gevolgen kan hebben voor lokale mariene ecosystemen. Deze pekel kan verder worden gezuiverd om de milieu-impact te verminderen, wat de waterkosten met $ 0,6-2,40 per m³ verhoogt. Bovendien is de kwaliteit van elektrolytisch water strenger dan die van drinkwater en kan dit leiden tot hogere zuiveringskosten, maar deze zullen naar verwachting nog steeds gering zijn in vergelijking met het energieverbruik.
De watervoetafdruk van elektrolytisch water voor waterstofproductie is een zeer specifieke locatieparameter die afhankelijk is van de lokale beschikbaarheid, consumptie, degradatie en vervuiling van water. Er moet rekening worden gehouden met de balans van ecosystemen en de impact van klimaattrends op de lange termijn. Waterverbruik zal een groot obstakel vormen voor de opschaling van hernieuwbare waterstof.
Plaatsingstijd: 08-03-2023