Hur mycket vatten förbrukas vid elektrolys
Steg ett: Vätgasproduktion
Vattenförbrukningen sker i två steg: vätgasproduktion och uppströms energibärarproduktion. För vätgasproduktion är den minsta förbrukningen av elektrolyserat vatten cirka 9 kilogram vatten per kilogram vätgas. Med hänsyn till vattnets avmineraliseringsprocess kan detta förhållande dock variera från 18 till 24 kilogram vatten per kilogram vätgas, eller till och med så högt som 25,7 till 30,2..
För den befintliga produktionsprocessen (metanångreformering) är den lägsta vattenförbrukningen 4,5 kgH2O/kgH2 (krävs för reaktion). Med hänsyn till processvatten och kylning är den lägsta vattenförbrukningen 6,4–32,2 kgH2O/kgH2.
Steg 2: Energikällor (förnybar el eller naturgas)
En annan komponent är vattenförbrukningen för att producera förnybar el och naturgas. Vattenförbrukningen för solcellsenergi varierar mellan 50–400 liter/MWh (2,4–19 kgH2O/kgH2) och för vindkraft mellan 5–45 liter/MWh (0,2–2,1 kgH2O/kgH2). På liknande sätt kan gasproduktionen från skiffergas (baserat på amerikanska data) ökas från 1,14 kgH2O/kgH2 till 4,9 kgH2O/kgH2.
Sammanfattningsvis är den genomsnittliga totala vattenförbrukningen för vätgas genererad från solcellsproduktion respektive vindkraftproduktion cirka 32 respektive 22 kgH2O/kgH2. Osäkerheterna kommer från solstrålning, livslängd och kiselinnehåll. Denna vattenförbrukning är i samma storleksordning som vätgasproduktion från naturgas (7,6–37 kgh2o/kgH2, med ett genomsnitt på 22 kgH2O/kgH2).
Totalt vattenavtryck: Lägre vid användning av förnybar energi
I likhet med koldioxidutsläpp är en förutsättning för ett lågt vattenavtryck för elektrolysrutter användningen av förnybara energikällor. Om bara en liten andel av elen genereras med fossila bränslen är vattenförbrukningen i samband med el mycket högre än det faktiska vatten som förbrukas under elektrolys.
Till exempel kan gaskraftproduktion använda upp till 2 500 liter/MWh vatten. Det är också det bästa fallet för fossila bränslen (naturgas). Om man beaktar kolförgasning kan vätgasproduktion förbruka 31–31,8 kgH2O/kgH2 och kolproduktion kan förbruka 14,7 kgH2O/kgH2. Vattenförbrukningen från solceller och vindkraft förväntas också minska med tiden i takt med att tillverkningsprocesserna blir effektivare och energiproduktionen per installerad kapacitetsenhet förbättras.
Total vattenförbrukning år 2050
Världen förväntas använda många gånger mer vätgas i framtiden än den gör idag. Till exempel uppskattar IRENAs World Energy Transitions Outlook att vätgasbehovet år 2050 kommer att vara cirka 74 EJ, varav cirka två tredjedelar kommer att komma från förnybar vätgas. Som jämförelse är dagens (ren vätgas) 8,4 EJ.
Även om elektrolytisk vätgas skulle kunna möta vätgasbehovet för hela 2050, skulle vattenförbrukningen vara cirka 25 miljarder kubikmeter. Figuren nedan jämför denna siffra med andra konstgjorda vattenförbrukningsströmmar. Jordbruket använder den största mängden på 280 miljarder kubikmeter vatten, medan industrin använder nästan 800 miljarder kubikmeter och städer använder 470 miljarder kubikmeter. Den nuvarande vattenförbrukningen för naturgasreformering och kolförgasning för vätgasproduktion är cirka 1,5 miljarder kubikmeter.
Även om stora mängder vatten förväntas förbrukas på grund av förändringar i elektrolytiska vägar och en växande efterfrågan, kommer vattenförbrukningen från vätgasproduktion fortfarande att vara mycket mindre än andra flöden som används av människor. En annan referenspunkt är att vattenförbrukningen per capita ligger mellan 75 (Luxemburg) och 1 200 (USA) kubikmeter per år. Med ett genomsnitt på 400 m3 / (per capita * år) motsvarar den totala vätgasproduktionen år 2050 den i ett land med 62 miljoner invånare.
Hur mycket vatten kostar och hur mycket energi förbrukas
kosta
Elektrolytiska celler kräver vatten av hög kvalitet och kräver vattenrening. Vatten av lägre kvalitet leder till snabbare nedbrytning och kortare livslängd. Många element, inklusive membran och katalysatorer som används i alkaliska material, såväl som membran och porösa transportlager i PEM, kan påverkas negativt av vattenföroreningar som järn, krom, koppar etc. Vattenledningsförmågan måste vara mindre än 1 μS/cm och totalt organiskt kol mindre än 50 μg/L.
Vatten står för en relativt liten andel av energiförbrukningen och kostnaderna. Det värsta tänkbara scenariot för båda parametrarna är avsaltning. Omvänd osmos är den huvudsakliga tekniken för avsaltning och står för nästan 70 procent av den globala kapaciteten. Tekniken kostar 1 900–2 000 dollar/m³/dag och har en inlärningskurva på 15 %. Vid denna investeringskostnad är reningskostnaden cirka 1 dollar/m³ och kan vara lägre i områden där elkostnaderna är låga.
Dessutom kommer fraktkostnaderna att öka med cirka 1–2 dollar per m³. Även i detta fall är vattenreningskostnaderna cirka 0,05 dollar/kgH2. För att sätta detta i perspektiv kan kostnaden för förnybar vätgas vara 2–3 dollar/kgH2 om bra förnybara resurser finns tillgängliga, medan kostnaden för en genomsnittlig resurs är 4–5 dollar/kgH2.
Så i detta konservativa scenario skulle vatten kosta mindre än 2 procent av den totala kostnaden. Användningen av havsvatten kan öka mängden vatten som återvinns med 2,5 till 5 gånger (i termer av återvinningsfaktor).
Energiförbrukning
Om man tittar på energiförbrukningen för avsaltningen är den också mycket liten jämfört med den mängd el som behövs för att mata in den elektrolytiska cellen. Den nuvarande omvända osmosenheten förbrukar cirka 3,0 kW/m3. Däremot har termiska avsaltningsanläggningar en mycket högre energiförbrukning, från 40 till 80 kWH/m3, med ytterligare effektbehov från 2,5 till 5 kWH/m3, beroende på avsaltningstekniken. Om man tar det konservativa fallet (dvs. högre energibehov) för ett kraftvärmeverk som exempel, och antar användning av en värmepump, skulle energibehovet omvandlas till cirka 0,7 kWh/kg väte. För att sätta detta i perspektiv är elbehovet för den elektrolytiska cellen cirka 50–55 kWh/kg, så även i värsta tänkbara scenariot är energibehovet för avsaltningen cirka 1 % av den totala energitillförseln till systemet.
En utmaning med avsaltning är bortskaffandet av saltvatten, vilket kan påverka lokala marina ekosystem. Denna saltlösning kan renas ytterligare för att minska dess miljöpåverkan, vilket ökar vattenkostnaden med ytterligare 0,6–2,40 USD/m³. Dessutom är elektrolytiskt vatten av högre kvalitet än dricksvatten och kan resultera i högre reningskostnader, men dessa förväntas fortfarande vara små jämfört med energitillförseln.
Vattenavtrycket för elektrolytiskt vatten för vätgasproduktion är en mycket specifik platsparameter som beror på lokal vattentillgång, förbrukning, nedbrytning och föroreningar. Balansen i ekosystemen och effekterna av långsiktiga klimattrender bör beaktas. Vattenförbrukning kommer att vara ett stort hinder för att skala upp förnybar vätgas.
Publiceringstid: 8 mars 2023