Hvor mye vann forbrukes ved elektrolyse?

Hvor mye vann forbrukes ved elektrolyse

Trinn én: Hydrogenproduksjon

Vannforbruket kommer fra to trinn: hydrogenproduksjon og oppstrøms energibærerproduksjon. For hydrogenproduksjon er minimumsforbruket av elektrolysert vann omtrent 9 kilogram vann per kilogram hydrogen. Når man imidlertid tar hensyn til demineraliseringsprosessen for vann, kan dette forholdet variere fra 18 til 24 kilogram vann per kilogram hydrogen, eller til og med så høyt som 25,7 til 30,2..

 

For den eksisterende produksjonsprosessen (metandampreformering) er minimumsvannforbruket 4,5 kgH2O/kgH2 (nødvendig for reaksjon). Med tanke på prosessvann og kjøling er minimumsvannforbruket 6,4–32,2 kgH2O/kgH2.

 

Trinn 2: Energikilder (fornybar elektrisitet eller naturgass)

En annen komponent er vannforbruket for å produsere fornybar elektrisitet og naturgass. Vannforbruket for solcelleanlegg varierer mellom 50–400 liter/MWh (2,4–19 kgH2O/kgH2) og for vindkraft mellom 5–45 liter/MWh (0,2–2,1 kgH2O/kgH2). Tilsvarende kan gassproduksjonen fra skifergass (basert på amerikanske data) økes fra 1,14 kgH2O/kgH2 til 4,9 kgH2O/kgH2.

 

Avslutningsvis er det gjennomsnittlige totale vannforbruket for hydrogen generert ved solcelleproduksjon og vindkraftproduksjon henholdsvis omtrent 32 og 22 kgH2O/kgH2. Usikkerhetene kommer fra solstråling, levetid og silisiuminnhold. Dette vannforbruket er i samme størrelsesorden som hydrogenproduksjon fra naturgass (7,6–37 kgh2o/kgH2, med et gjennomsnitt på 22 kgH2O/kgH2).

 

Totalt vannavtrykk: Lavere ved bruk av fornybar energi

I likhet med CO2-utslipp er en forutsetning for et lavt vannavtrykk for elektrolyseruter bruk av fornybare energikilder. Hvis bare en liten andel av elektrisiteten genereres ved hjelp av fossilt brensel, er vannforbruket knyttet til elektrisitet mye høyere enn det faktiske vannet som forbrukes under elektrolyse.

 

For eksempel kan gasskraftproduksjon bruke opptil 2500 liter/MWh vann. Det er også det beste tilfellet for fossilt brensel (naturgass). Hvis man vurderer kullforgassing, kan hydrogenproduksjon forbruke 31–31,8 kgH2O/kgH2 og kullproduksjon kan forbruke 14,7 kgH2O/kgH2. Vannforbruket fra solceller og vindkraft forventes også å avta over tid etter hvert som produksjonsprosessene blir mer effektive og energiproduksjonen per enhet installert kapasitet forbedres.

 

Totalt vannforbruk i 2050

Verden forventes å bruke mange ganger mer hydrogen i fremtiden enn den gjør i dag. For eksempel anslår IRENAs World Energy Transitions Outlook at hydrogenbehovet i 2050 vil være omtrent 74 EJ, hvorav omtrent to tredjedeler vil komme fra fornybar hydrogen. Til sammenligning er dagens (ren hydrogen) 8,4 EJ.

 

Selv om elektrolytisk hydrogen kunne dekke hydrogenbehovet for hele 2050, ville vannforbruket være omtrent 25 milliarder kubikkmeter. Figuren nedenfor sammenligner dette tallet med andre menneskeskapte vannforbruksstrømmer. Jordbruket bruker den største mengden på 280 milliarder kubikkmeter vann, mens industrien bruker nesten 800 milliarder kubikkmeter og byene bruker 470 milliarder kubikkmeter. Det nåværende vannforbruket til naturgassreformering og kullforgassing for hydrogenproduksjon er omtrent 1,5 milliarder kubikkmeter.

Selv om det forventes at store mengder vann vil bli forbrukt på grunn av endringer i elektrolyseveier og økende etterspørsel, vil vannforbruket fra hydrogenproduksjon fortsatt være mye mindre enn andre strømmer som brukes av mennesker. Et annet referansepunkt er at vannforbruket per innbygger er mellom 75 (Luxembourg) og 1200 (USA) kubikkmeter per år. Med et gjennomsnitt på 400 m3 / (per innbygger * år) tilsvarer den totale hydrogenproduksjonen i 2050 den i et land med 62 millioner mennesker.

 

Hvor mye vann koster og hvor mye energi brukes

 

koste

Elektrolyseceller krever vann av høy kvalitet og krever vannbehandling. Vann av lavere kvalitet fører til raskere nedbrytning og kortere levetid. Mange elementer, inkludert diafragmaer og katalysatorer som brukes i alkaliske stoffer, samt membraner og porøse transportlag i PEM, kan bli negativt påvirket av vannforurensninger som jern, krom, kobber osv. Vannledningsevnen må være mindre enn 1 μS/cm og totalt organisk karbon mindre enn 50 μg/L.

 

Vann står for en relativt liten andel av energiforbruket og kostnadene. Verst tenkelige scenario for begge parameterne er avsalting. Omvendt osmose er den viktigste teknologien for avsalting, og står for nesten 70 prosent av den globale kapasiteten. Teknologien koster $1900–$2000/m³/d og har en læringskurve på 15 %. Med denne investeringskostnaden er behandlingskostnaden omtrent $1/m³, og kan være lavere i områder der strømkostnadene er lave.

 

I tillegg vil fraktkostnadene øke med omtrent 1–2 dollar per m³. Selv i dette tilfellet er vannbehandlingskostnadene omtrent 0,05 dollar/kgH2. For å sette dette i perspektiv kan kostnaden for fornybar hydrogen være 2–3 dollar/kgH2 hvis gode fornybare ressurser er tilgjengelige, mens kostnaden for en gjennomsnittlig ressurs er 4–5 dollar/kgH2.

 

Så i dette konservative scenariet ville vann koste mindre enn 2 prosent av totalen. Bruk av sjøvann kan øke mengden vann som utvinnes med 2,5 til 5 ganger (når det gjelder utvinningsfaktor).

 

Energiforbruk

Når man ser på energiforbruket til avsalting, er det også svært lite sammenlignet med mengden strøm som trengs for å mate den elektrolysecellen. Den nåværende omvendte osmoseenheten bruker omtrent 3,0 kW/m3. I motsetning til dette har termiske avsaltingsanlegg et mye høyere energiforbruk, fra 40 til 80 kWH/m3, med ytterligere effektbehov fra 2,5 til 5 kWH/m3, avhengig av avsaltingsteknologien. Hvis vi tar det konservative tilfellet (dvs. høyere energibehov) for et kraftvarmeverk som et eksempel, og antar bruk av en varmepumpe, vil energibehovet bli konvertert til omtrent 0,7 kWh/kg hydrogen. For å sette dette i perspektiv er strømbehovet til den elektrolysecellen omtrent 50–55 kWh/kg, så selv i verste fall er energibehovet til avsalting omtrent 1 % av den totale energitilførselen til systemet.

 

En utfordring med avsalting er avhending av saltvann, noe som kan påvirke lokale marine økosystemer. Denne saltlaken kan behandles ytterligere for å redusere miljøpåvirkningen, og dermed øke vannkostnaden ytterligere med 0,6–2,40 dollar/m³. I tillegg er elektrolytisk vannkvalitet strengere enn drikkevann, og kan føre til høyere behandlingskostnader, men dette forventes fortsatt å være lite sammenlignet med strømforbruket.

Vannavtrykket til elektrolytisk vann for hydrogenproduksjon er en svært spesifikk lokasjonsparameter som avhenger av lokal vanntilgjengelighet, forbruk, nedbrytning og forurensning. Balansen i økosystemer og virkningen av langsiktige klimatrender bør vurderes. Vannforbruk vil være et stort hinder for oppskalering av fornybar hydrogen.