Hvor meget vand forbruges ved elektrolyse?

Hvor meget vand forbruges ved elektrolyse

Trin et: Brintproduktion

Vandforbruget kommer fra to trin: brintproduktion og opstrøms energibærerproduktion. Til brintproduktion er minimumsforbruget af elektrolyseret vand cirka 9 kg vand pr. kg brint. Men under hensyntagen til demineraliseringsprocessen af ​​vand kan dette forhold variere fra 18 til 24 kg vand pr. kg brint, eller endda så højt som 25,7 til 30,2.

 

For den eksisterende produktionsproces (methandampreformering) er minimumsvandforbruget 4,5 kgH2O/kgH2 (kræves for reaktion), idet der tages højde for procesvand og køling, er minimumsvandforbruget 6,4-32,2kgH2O/kgH2.

 

Trin 2: Energikilder (vedvarende elektricitet eller naturgas)

En anden komponent er vandforbrug til at producere vedvarende elektricitet og naturgas. Vandforbruget for solcellekraft varierer mellem 50-400 liter /MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) og for vindkraft mellem 5-45 liter /MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Tilsvarende kan gasproduktion fra skifergas (baseret på amerikanske data) øges fra 1,14 kgH2O/kgH2 til 4,9 kgH2O/kgH2.

 

Som konklusion kan det konkluderes, at det gennemsnitlige samlede vandforbrug af brint genereret ved solcelleproduktion og vindkraftproduktion er henholdsvis omkring 32 og 22 kgH2O/kgH2. Usikkerhederne kommer fra solstråling, levetid og siliciumindhold. Dette vandforbrug er i samme størrelsesorden som brintproduktion fra naturgas (7,6-37 kgh2o /kgH2, med et gennemsnit på 22kgH2O/kgH2).

 

Samlet vandaftryk: Lavere ved brug af vedvarende energi

I lighed med CO2-emissioner er en forudsætning for et lavt vandaftryk til elektrolytiske ruter brugen af ​​vedvarende energikilder. Hvis kun en lille del af elektriciteten produceres ved hjælp af fossile brændstoffer, er vandforbruget forbundet med elektricitet meget højere end det faktiske vand, der forbruges under elektrolyse.

 

For eksempel kan gasproduktion bruge op til 2.500 liter /MWh vand. Det er også det bedste tilfælde for fossile brændstoffer (naturgas). Hvis kulforgasning overvejes, kan brintproduktion forbruge 31-31,8 kgH2O/kgH2 og kulproduktion kan forbruge 14,7kgH2O/kgH2. Vandforbruget fra solceller og vind forventes også at falde over tid, efterhånden som fremstillingsprocesserne bliver mere effektive, og energiproduktionen pr. enhed installeret kapacitet forbedres.

 

Samlet vandforbrug i 2050

Verden forventes at bruge mange gange mere brint i fremtiden, end den gør i dag. For eksempel anslår IRENAs World Energy Transitions Outlook, at efterspørgslen efter brint i 2050 vil være omkring 74EJ, hvoraf omkring to tredjedele vil komme fra vedvarende brint. Til sammenligning er i dag (ren brint) 8,4EJ.

 

Selv hvis elektrolytisk brint kunne dække brintbehovet i hele 2050, ville vandforbruget være omkring 25 milliarder kubikmeter. Nedenstående figur sammenligner dette tal med andre menneskeskabte vandforbrugsstrømme. Landbruget bruger den største mængde på 280 milliarder kubikmeter vand, mens industrien bruger næsten 800 milliarder kubikmeter og byer bruger 470 milliarder kubikmeter. Det nuværende vandforbrug til naturgasreformering og kulforgasning til brintproduktion er omkring 1,5 milliarder kubikmeter.

Selvom store mængder vand forventes at blive forbrugt på grund af ændringer i elektrolytiske veje og stigende efterspørgsel, vil vandforbruget fra brintproduktion stadig være meget mindre end andre strømme, der bruges af mennesker. Et andet referencepunkt er, at vandforbruget pr. indbygger er mellem 75 (Luxembourg) og 1.200 (USA) kubikmeter om året. Med et gennemsnit på 400 m3 / (per capita * år) svarer den samlede brintproduktion i 2050 til den i et land med 62 millioner mennesker.

 

Hvor meget vand koster og hvor meget energi der bruges

 

koste

Elektrolytiske celler kræver vand af høj kvalitet og kræver vandbehandling. Vand af lavere kvalitet fører til hurtigere nedbrydning og kortere levetid. Mange grundstoffer, herunder membraner og katalysatorer, der anvendes i alkalier, såvel som membraner og porøse transportlag af PEM, kan blive negativt påvirket af vandurenheder såsom jern, krom, kobber osv. Vandledningsevnen skal være mindre end 1μS/ cm og samlet organisk kulstof mindre end 50μg/L.

 

Vand står for en relativt lille andel af energiforbruget og omkostningerne. Det værst tænkelige scenarie for begge parametre er afsaltning. Omvendt osmose er den vigtigste teknologi til afsaltning og tegner sig for næsten 70 procent af den globale kapacitet. Teknologien koster $1900- $2000/m³/d og har en indlæringskurve på 15%. Ved denne investeringsomkostning er behandlingsomkostningerne omkring $1/m³ og kan være lavere i områder, hvor elomkostningerne er lave.

 

Derudover vil forsendelsesomkostningerne stige med omkring $1-2 pr. m³. Selv i dette tilfælde er omkostningerne til vandbehandling omkring $0,05/kgH2. For at sætte dette i perspektiv kan omkostningerne ved vedvarende brint være $2-3/kgH2, hvis gode vedvarende ressourcer er tilgængelige, mens omkostningerne ved den gennemsnitlige ressource er $4-5/kgH2.

 

Så i dette konservative scenarie ville vand koste mindre end 2 procent af det samlede beløb. Brugen af ​​havvand kan øge mængden af ​​genvundet vand med 2,5 til 5 gange (i form af indvindingsfaktor).

 

Energiforbrug

Ser man på energiforbruget ved afsaltning, er det også meget lille sammenlignet med mængden af ​​elektricitet, der skal til for at tilføre elektrolysecellen. Den nuværende omvendte osmoseenhed bruger omkring 3,0 kW/m3. I modsætning hertil har termiske afsaltningsanlæg et meget højere energiforbrug, der spænder fra 40 til 80 KWH/m3, med yderligere effektkrav fra 2,5 til 5 KWH/m3, afhængigt af afsaltningsteknologien. Tager man det konservative tilfælde (dvs. højere energibehov) med et kraftvarmeværk som eksempel, og antager brugen af ​​en varmepumpe, ville energibehovet blive omregnet til ca. 0,7 kWh/kg brint. For at sætte dette i perspektiv er elektrolysecellens elbehov omkring 50-55 kWh/kg, så selv i værste tilfælde er energibehovet til afsaltning omkring 1 % af den samlede energitilførsel til systemet.

 

En udfordring ved afsaltning er bortskaffelsen af ​​saltvand, som kan have en indvirkning på lokale marine økosystemer. Denne saltlage kan behandles yderligere for at reducere dens miljøpåvirkning og dermed tilføje yderligere 0,6-2,40 USD/m³ til prisen på vand. Derudover er den elektrolytiske vandkvalitet strengere end drikkevandet og kan resultere i højere behandlingsomkostninger, men denne forventes stadig at være lille i forhold til strømtilførslen.

Vandaftrykket af elektrolytisk vand til brintproduktion er en meget specifik lokaliseringsparameter, der afhænger af lokal vandtilgængelighed, forbrug, nedbrydning og forurening. Balancen mellem økosystemer og indvirkningen af ​​langsigtede klimatendenser bør overvejes. Vandforbrug vil være en stor hindring for at opskalere vedvarende brint.