Wie viel Wasser wird durch Elektrolyse verbraucht?

Wie viel Wasser wird bei der Elektrolyse verbraucht?

Schritt eins: Wasserstoffproduktion

Der Wasserverbrauch erfolgt in zwei Schritten: der Wasserstoffproduktion und der vorgelagerten Energieträgerproduktion. Für die Wasserstoffproduktion beträgt der Mindestverbrauch an elektrolysiertem Wasser etwa 9 Kilogramm Wasser pro Kilogramm Wasserstoff. Unter Berücksichtigung des Entmineralisierungsprozesses von Wasser kann dieses Verhältnis jedoch zwischen 18 und 24 Kilogramm Wasser pro Kilogramm Wasserstoff oder sogar 25,7 bis 30,2 liegen.

 

Für den bestehenden Produktionsprozess (Methan-Dampfreformierung) beträgt der minimale Wasserverbrauch 4,5 kgH2O/kgH2 (erforderlich für die Reaktion), unter Berücksichtigung von Prozesswasser und Kühlung beträgt der minimale Wasserverbrauch 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.

 

Schritt 2: Energiequellen (erneuerbarer Strom oder Erdgas)

Ein weiterer Bestandteil ist der Wasserverbrauch zur Produktion von erneuerbarem Strom und Erdgas. Der Wasserverbrauch von Photovoltaikstrom schwankt zwischen 50–400 Liter/MWh (2,4–19 kgH2O/kgH2) und der von Windkraft zwischen 5–45 Liter/MWh (0,2–2,1 kgH2O/kgH2). Ebenso kann die Gasproduktion aus Schiefergas (basierend auf US-Daten) von 1,14 kgH2O/kgH2 auf 4,9 kgH2O/kgH2 gesteigert werden.

 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der durchschnittliche Gesamtwasserverbrauch von Wasserstoff, der durch Photovoltaik-Stromerzeugung und Windstromerzeugung erzeugt wird, etwa 32 bzw. 22 kgH2O/kgH2 beträgt. Die Unsicherheiten ergeben sich aus der Sonneneinstrahlung, der Lebensdauer und dem Siliziumgehalt. Dieser Wasserverbrauch liegt in der gleichen Größenordnung wie die Wasserstoffproduktion aus Erdgas (7,6–37 kgh2o/kgH2, mit einem Durchschnitt von 22 kgH2O/kgH2).

 

Gesamtwasser-Fußabdruck: Geringer bei der Nutzung erneuerbarer Energien

Voraussetzung für einen geringen Wasser-Fußabdruck bei Elektrolyserouten ist ähnlich wie beim CO2-Ausstoß die Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Wenn nur ein kleiner Teil des Stroms aus fossilen Brennstoffen erzeugt wird, ist der mit Strom verbundene Wasserverbrauch viel höher als der tatsächliche Wasserverbrauch bei der Elektrolyse.

 

Bei der Gasstromerzeugung können beispielsweise bis zu 2.500 Liter/MWh Wasser verbraucht werden. Dies ist auch der beste Fall für fossile Brennstoffe (Erdgas). Wenn die Kohlevergasung berücksichtigt wird, kann die Wasserstoffproduktion 31-31,8 kgH2O/kgH2 verbrauchen und die Kohleproduktion kann 14,7 kgH2O/kgH2 verbrauchen. Auch der Wasserverbrauch durch Photovoltaik und Windkraft wird im Laufe der Zeit voraussichtlich sinken, da Herstellungsprozesse effizienter werden und die Energieausbeute pro installierter Kapazitätseinheit steigt.

 

Gesamtwasserverbrauch im Jahr 2050

Es wird erwartet, dass die Welt in Zukunft ein Vielfaches mehr Wasserstoff verbrauchen wird als heute. Beispielsweise schätzt der World Energy Transitions Outlook von IRENA, dass der Wasserstoffbedarf im Jahr 2050 etwa 74 EJ betragen wird, wovon etwa zwei Drittel aus erneuerbarem Wasserstoff stammen werden. Zum Vergleich: Heute (reiner Wasserstoff) sind es 8,4 EJ.

 

Selbst wenn elektrolytischer Wasserstoff den Wasserstoffbedarf für das gesamte Jahr 2050 decken könnte, läge der Wasserverbrauch bei etwa 25 Milliarden Kubikmetern. Die folgende Abbildung vergleicht diese Zahl mit anderen vom Menschen verursachten Wasserverbrauchsströmen. Die Landwirtschaft verbraucht mit 280 Milliarden Kubikmetern die größte Wassermenge, während die Industrie fast 800 Milliarden Kubikmeter und die Städte 470 Milliarden Kubikmeter verbrauchen. Der derzeitige Wasserverbrauch der Erdgasreformierung und Kohlevergasung zur Wasserstoffproduktion beträgt etwa 1,5 Milliarden Kubikmeter.

Auch wenn aufgrund der Veränderungen in den Elektrolysewegen und des steigenden Bedarfs mit einem großen Wasserverbrauch zu rechnen ist, wird der Wasserverbrauch bei der Wasserstoffproduktion immer noch viel geringer sein als bei anderen vom Menschen genutzten Strömen. Ein weiterer Anhaltspunkt ist, dass der Wasserverbrauch pro Kopf zwischen 75 (Luxemburg) und 1.200 (USA) Kubikmeter pro Jahr liegt. Mit durchschnittlich 400 m3/(pro Kopf*Jahr) entspricht die gesamte Wasserstoffproduktion im Jahr 2050 der eines Landes mit 62 Millionen Einwohnern.

 

Wie viel Wasser kostet und wie viel Energie verbraucht wird

 

kosten

Elektrolysezellen benötigen hochwertiges Wasser und erfordern eine Wasseraufbereitung. Eine geringere Wasserqualität führt zu einem schnelleren Abbau und einer kürzeren Lebensdauer. Viele Elemente, darunter Diaphragmen und Katalysatoren, die in Alkalien verwendet werden, sowie die Membranen und porösen Transportschichten von PEM, können durch Wasserverunreinigungen wie Eisen, Chrom, Kupfer usw. beeinträchtigt werden. Die Wasserleitfähigkeit muss weniger als 1 μS/ betragen. cm und der gesamte organische Kohlenstoff weniger als 50 μg/L.

 

Wasser hat einen relativ geringen Anteil am Energieverbrauch und an den Kosten. Das Worst-Case-Szenario für beide Parameter ist die Entsalzung. Umkehrosmose ist die wichtigste Technologie zur Entsalzung und macht fast 70 Prozent der weltweiten Kapazität aus. Die Technologie kostet 1900–2000 $/m³/Tag und hat eine Lernkurve von 15 %. Bei diesen Investitionskosten liegen die Behandlungskosten bei etwa 1 USD/m³ und können in Gebieten mit niedrigen Stromkosten niedriger sein.

 

Darüber hinaus erhöhen sich die Versandkosten um etwa 1-2 US-Dollar pro m³. Selbst in diesem Fall betragen die Kosten für die Wasseraufbereitung etwa 0,05 $/kgH2. Um dies ins rechte Licht zu rücken: Die Kosten für erneuerbaren Wasserstoff können 2–3 US-Dollar/kgH2 betragen, wenn gute erneuerbare Ressourcen verfügbar sind, während die Kosten für die durchschnittliche Ressource 4–5 US-Dollar/kgH2 betragen.

 

In diesem konservativen Szenario würden Wasserkosten also weniger als 2 Prozent der Gesamtkosten ausmachen. Durch die Verwendung von Meerwasser kann die zurückgewonnene Wassermenge (bezogen auf den Rückgewinnungsfaktor) um das 2,5- bis 5-fache gesteigert werden.

 

Energieverbrauch

Auch der Energieverbrauch der Entsalzung ist im Vergleich zur Strommenge, die zur Einspeisung in die Elektrolysezelle benötigt wird, sehr gering. Die derzeit in Betrieb befindliche Umkehrosmoseanlage verbraucht etwa 3,0 kW/m3. Im Gegensatz dazu haben thermische Entsalzungsanlagen einen deutlich höheren Energieverbrauch, der zwischen 40 und 80 kWh/m3 liegt, wobei der zusätzliche Strombedarf je nach Entsalzungstechnologie zwischen 2,5 und 5 kWh/m3 liegt. Im konservativen Fall (also höherer Energiebedarf) einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage würde sich der Energiebedarf unter der Annahme des Einsatzes einer Wärmepumpe umgerechnet auf ca. 0,7 kWh/kg Wasserstoff belaufen. Um dies ins rechte Licht zu rücken: Der Strombedarf der Elektrolysezelle beträgt etwa 50–55 kWh/kg, sodass selbst im schlimmsten Fall der Energiebedarf für die Entsalzung etwa 1 % der gesamten Energiezufuhr in das System beträgt.

 

Eine Herausforderung bei der Entsalzung ist die Entsorgung von Salzwasser, das Auswirkungen auf die lokalen Meeresökosysteme haben kann. Diese Sole kann weiter aufbereitet werden, um ihre Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern, wodurch sich die Wasserkosten um weitere 0,6–2,40 $/m³ erhöhen. Darüber hinaus ist die Qualität des elektrolytischen Wassers strenger als die von Trinkwasser und kann zu höheren Behandlungskosten führen, die jedoch im Vergleich zur Leistungsaufnahme voraussichtlich immer noch gering sind.

Der Wasser-Fußabdruck von elektrolytischem Wasser für die Wasserstoffproduktion ist ein sehr spezifischer Standortparameter, der von der lokalen Wasserverfügbarkeit, dem Wasserverbrauch, der Degradation und der Verschmutzung abhängt. Das Gleichgewicht der Ökosysteme und die Auswirkungen langfristiger Klimatrends sollten berücksichtigt werden. Der Wasserverbrauch wird ein großes Hindernis für den Ausbau von erneuerbarem Wasserstoff sein.