Berapa banyak air yang dikonsumsi oleh elektrolisis？

Berapa banyak air yang dikonsumsi oleh elektrolisis

Langkah pertama: Produksi hidrogen

Konsumsi air berasal dari dua langkah: produksi hidrogen dan produksi pembawa energi hulu. Untuk produksi hidrogen, konsumsi minimum air elektrolisis adalah sekitar 9 kilogram air per kilogram hidrogen. Namun, dengan mempertimbangkan proses demineralisasi air, rasio ini dapat berkisar antara 18 hingga 24 kilogram air per kilogram hidrogen, atau bahkan mencapai 25,7 hingga 30,2.

 

Untuk proses produksi eksisting (methane steam reforming), konsumsi air minimum adalah 4,5kgH2O/kgH2 (diperlukan untuk reaksi), dengan memperhitungkan air proses dan pendinginan, konsumsi air minimum adalah 6,4-32,2kgH2O/kgH2.

 

Langkah 2: Sumber energi (listrik terbarukan atau gas alam)

Komponen lainnya adalah konsumsi air untuk menghasilkan listrik terbarukan dan gas alam. Konsumsi air tenaga fotovoltaik bervariasi antara 50-400 liter/MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) dan tenaga angin antara 5-45 liter/MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Demikian pula produksi gas dari shale gas (berdasarkan data AS) dapat ditingkatkan dari 1,14kgH2O/kgH2 menjadi 4,9kgH2O/kgH2.

 

Kesimpulannya, rata-rata total konsumsi air hidrogen yang dihasilkan oleh pembangkit listrik fotovoltaik dan pembangkit listrik tenaga angin masing-masing adalah sekitar 32 dan 22kgH2O/kgH2. Ketidakpastian berasal dari radiasi matahari, masa pakai, dan kandungan silikon. Konsumsi air ini sama besarnya dengan produksi hidrogen dari gas alam (7,6-37 kgh2o/kgH2, dengan rata-rata 22kgH2O/kgH2).

 

Total jejak air: Lebih rendah bila menggunakan energi terbarukan

Mirip dengan emisi CO2, prasyarat untuk menghasilkan jejak air yang rendah untuk jalur elektrolitik adalah penggunaan sumber energi terbarukan. Jika hanya sebagian kecil listrik yang dihasilkan menggunakan bahan bakar fosil, maka konsumsi air yang terkait dengan listrik jauh lebih tinggi dibandingkan air sebenarnya yang dikonsumsi selama elektrolisis.

 

Misalnya pembangkit listrik berbahan bakar gas yang mampu menggunakan air hingga 2.500 liter/MWh. Kasus terbaik juga terjadi pada bahan bakar fosil (gas alam). Jika gasifikasi batubara dipertimbangkan, produksi hidrogen dapat mengkonsumsi 31-31,8kgH2O/kgH2 dan produksi batubara dapat mengkonsumsi 14,7kgH2O/kgH2. Konsumsi air dari fotovoltaik dan angin juga diperkirakan akan menurun seiring berjalannya waktu seiring dengan semakin efisiennya proses produksi dan peningkatan output energi per unit kapasitas terpasang.

 

Total konsumsi air pada tahun 2050

Dunia diperkirakan akan menggunakan hidrogen berkali-kali lipat lebih banyak di masa depan dibandingkan saat ini. Misalnya, World Energy Transitions Outlook dari IRENA memperkirakan bahwa permintaan hidrogen pada tahun 2050 akan berjumlah sekitar 74EJ, dimana sekitar dua pertiganya akan berasal dari hidrogen terbarukan. Sebagai perbandingan, saat ini (hidrogen murni) adalah 8,4EJ.

 

Bahkan jika hidrogen elektrolitik dapat memenuhi kebutuhan hidrogen sepanjang tahun 2050, konsumsi air akan mencapai sekitar 25 miliar meter kubik. Gambar di bawah membandingkan angka ini dengan aliran konsumsi air buatan manusia lainnya. Pertanian menggunakan jumlah terbesar yaitu 280 miliar meter kubik air, sementara industri menggunakan hampir 800 miliar meter kubik dan perkotaan menggunakan 470 miliar meter kubik. Konsumsi air saat ini untuk reformasi gas alam dan gasifikasi batubara untuk produksi hidrogen adalah sekitar 1,5 miliar meter kubik.

Oleh karena itu, meskipun diperkirakan akan dikonsumsi sejumlah besar air karena perubahan jalur elektrolitik dan meningkatnya permintaan, konsumsi air dari produksi hidrogen masih akan jauh lebih kecil dibandingkan aliran lain yang digunakan manusia. Acuan lainnya adalah konsumsi air per kapita berkisar antara 75 (Luksemburg) dan 1.200 (AS) meter kubik per tahun. Dengan rata-rata 400 m3/(per kapita*tahun), total produksi hidrogen pada tahun 2050 setara dengan negara berpenduduk 62 juta jiwa.

 

Berapa biaya air dan berapa banyak energi yang digunakan

 

biaya

Sel elektrolitik membutuhkan air berkualitas tinggi dan memerlukan pengolahan air. Kualitas air yang lebih rendah menyebabkan degradasi lebih cepat dan umur yang lebih pendek. Banyak elemen, termasuk diafragma dan katalis yang digunakan dalam basa, serta membran dan lapisan transpor berpori PEM, dapat terkena dampak buruk oleh pengotor air seperti besi, kromium, tembaga, dll. Konduktivitas air harus kurang dari 1μS/ cm dan total karbon organik kurang dari 50μg/L.

 

Air menyumbang porsi yang relatif kecil terhadap konsumsi dan biaya energi. Skenario terburuk untuk kedua parameter tersebut adalah desalinasi. Reverse osmosis adalah teknologi utama desalinasi, yang mencakup hampir 70 persen kapasitas global. Teknologi ini berharga $1900- $2000 / m³/hari dan memiliki tingkat kurva pembelajaran 15%. Pada biaya investasi ini, biaya pengolahannya sekitar $1 /m³, dan mungkin lebih rendah di wilayah yang biaya listriknya rendah.

 

Selain itu, biaya pengiriman akan meningkat sekitar $1-2 per m³. Bahkan dalam kasus ini, biaya pengolahan air adalah sekitar $0,05/kgH2. Sebagai gambaran, biaya hidrogen terbarukan bisa mencapai $2-3/kgH2 jika tersedia sumber daya terbarukan yang baik, sedangkan biaya rata-rata sumber daya adalah $4-5/kgH2.

 

Jadi dalam skenario konservatif ini, biaya air akan kurang dari 2 persen dari total biaya. Penggunaan air laut dapat meningkatkan jumlah air yang diperoleh kembali sebesar 2,5 hingga 5 kali lipat (ditinjau dari faktor perolehannya).

 

Konsumsi energi

Dilihat dari konsumsi energi desalinasi juga sangat kecil dibandingkan dengan jumlah listrik yang dibutuhkan untuk input sel elektrolitik. Unit reverse osmosis yang beroperasi saat ini mengkonsumsi sekitar 3,0 kW/m3. Sebaliknya, instalasi desalinasi termal memiliki konsumsi energi yang jauh lebih tinggi, berkisar antara 40 hingga 80 KWH/m3, dengan kebutuhan daya tambahan berkisar antara 2,5 hingga 5 KWH/m3, bergantung pada teknologi desalinasi. Mengambil contoh kasus konservatif (yaitu permintaan energi yang lebih tinggi) dari pabrik kogenerasi, dengan asumsi penggunaan pompa panas, kebutuhan energi akan dikonversi menjadi sekitar 0,7kWh/kg hidrogen. Sebagai gambaran, kebutuhan listrik sel elektrolitik adalah sekitar 50-55kWh/kg, sehingga bahkan dalam skenario terburuk sekalipun, kebutuhan energi untuk desalinasi adalah sekitar 1% dari total masukan energi ke sistem.

 

Salah satu tantangan desalinasi adalah pembuangan air asin, yang dapat berdampak pada ekosistem laut setempat. Air garam ini dapat diolah lebih lanjut untuk mengurangi dampaknya terhadap lingkungan, sehingga menambah biaya air sebesar $0,6-2,40 /m³. Selain itu, kualitas air elektrolitik lebih ketat dibandingkan air minum dan mungkin mengakibatkan biaya pengolahan yang lebih tinggi, namun biaya ini diperkirakan masih kecil dibandingkan dengan input daya.

Jejak air air elektrolitik untuk produksi hidrogen merupakan parameter lokasi yang sangat spesifik yang bergantung pada ketersediaan, konsumsi, degradasi, dan polusi air setempat. Keseimbangan ekosistem dan dampak tren iklim jangka panjang harus dipertimbangkan. Konsumsi air akan menjadi hambatan utama dalam meningkatkan produksi hidrogen terbarukan.