Hoeveel water wordt verbruikt door elektrolyse
Stap één: waterstofproductie
Het waterverbruik bestaat uit twee stappen: de productie van waterstof en de upstreamproductie van energiedragers. Voor de waterstofproductie bedraagt het minimale verbruik van geëlektrolyseerd water ongeveer 9 kilogram water per kilogram waterstof. Rekening houdend met het demineralisatieproces van water kan deze verhouding echter variëren van 18 tot 24 kilogram water per kilogram waterstof, of zelfs zo hoog als 25,7 tot 30,2..
Voor het bestaande productieproces (methaan-stoomreforming) bedraagt het minimale waterverbruik 4,5 kgH2O/kgH2 (nodig voor de reactie). Rekening houdend met proceswater en koeling bedraagt het minimale waterverbruik 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.
Stap 2: Energiebronnen (hernieuwbare elektriciteit of aardgas)
Een ander onderdeel is het waterverbruik voor de productie van hernieuwbare elektriciteit en aardgas. Het waterverbruik van fotovoltaïsche energie varieert tussen 50-400 liter/MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) en dat van windenergie tussen 5-45 liter/MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Op vergelijkbare wijze kan de gasproductie uit schaliegas (gebaseerd op Amerikaanse gegevens) worden verhoogd van 1,14 kgH2O/kgH2 naar 4,9 kgH2O/kgH2.
Concluderend kan worden gesteld dat het gemiddelde totale waterverbruik van waterstof gegenereerd door de opwekking van fotovoltaïsche energie en windenergie respectievelijk ongeveer 32 en 22 kgH2O/kgH2 bedraagt. De onzekerheden komen voort uit zonnestraling, levensduur en siliciumgehalte. Dit waterverbruik ligt in dezelfde orde van grootte als de waterstofproductie uit aardgas (7,6-37 kgh2o/kgH2, met een gemiddelde van 22kgH2O/kgH2).
Totale watervoetafdruk: Lager bij gebruik van duurzame energie
Net als bij de CO2-uitstoot is het gebruik van hernieuwbare energiebronnen een voorwaarde voor een lage watervoetafdruk voor elektrolytische routes. Als slechts een klein deel van de elektriciteit wordt opgewekt met fossiele brandstoffen, is het waterverbruik dat gepaard gaat met elektriciteit veel hoger dan het daadwerkelijke waterverbruik tijdens elektrolyse.
Voor de opwekking van elektriciteit op gas kan bijvoorbeeld tot 2.500 liter water per MWh worden verbruikt. Ook voor fossiele brandstoffen (aardgas) is dit het beste geval. Als steenkoolvergassing wordt overwogen, kan de waterstofproductie 31-31,8 kg H2O/kgH2 verbruiken en de steenkoolproductie 14,7 kg H2O/kgH2. Verwacht wordt dat het waterverbruik uit zonne-energie en windenergie in de loop van de tijd ook zal afnemen naarmate productieprocessen efficiënter worden en de energie-output per eenheid geïnstalleerde capaciteit verbetert.
Totaal waterverbruik in 2050
De verwachting is dat de wereld in de toekomst vele malen meer waterstof zal gebruiken dan nu het geval is. IRENA's World Energy Transitions Outlook schat bijvoorbeeld dat de vraag naar waterstof in 2050 ongeveer 74 EJ zal bedragen, waarvan ongeveer tweederde afkomstig zal zijn van hernieuwbare waterstof. Ter vergelijking: vandaag de dag (zuivere waterstof) is 8,4 EJ.
Zelfs als elektrolytische waterstof voor heel 2050 aan de waterstofvraag zou kunnen voldoen, zou het waterverbruik ongeveer 25 miljard kubieke meter bedragen. De onderstaande figuur vergelijkt dit cijfer met andere door de mens veroorzaakte waterconsumptiestromen. De landbouw gebruikt de grootste hoeveelheid van 280 miljard kubieke meter water, terwijl de industrie bijna 800 miljard kubieke meter water gebruikt en steden 470 miljard kubieke meter. Het huidige waterverbruik bij het reformen van aardgas en het vergassen van steenkool voor de productie van waterstof bedraagt ongeveer 1,5 miljard kubieke meter.
Dus hoewel er naar verwachting grote hoeveelheden water zullen worden verbruikt als gevolg van veranderingen in de elektrolytische routes en de groeiende vraag, zal het waterverbruik uit de waterstofproductie nog steeds veel kleiner zijn dan bij andere stromen die door mensen worden gebruikt. Een ander referentiepunt is dat het waterverbruik per hoofd van de bevolking tussen 75 (Luxemburg) en 1.200 (VS) kubieke meter per jaar ligt. Met een gemiddelde van 400 m3/(per hoofd van de bevolking* jaar) is de totale waterstofproductie in 2050 gelijk aan die van een land met 62 miljoen inwoners.
Hoeveel water kost en hoeveel energie wordt gebruikt
kosten
Elektrolytische cellen vereisen water van hoge kwaliteit en vereisen waterbehandeling. Water van lagere kwaliteit leidt tot snellere afbraak en een kortere levensduur. Veel elementen, waaronder membranen en katalysatoren die in alkalische stoffen worden gebruikt, evenals de membranen en poreuze transportlagen van PEM, kunnen nadelig worden beïnvloed door wateronzuiverheden zoals ijzer, chroom, koper, enz. De geleidbaarheid van water moet minder dan 1 μS/ cm3 en totaal organische koolstof minder dan 50μg/L.
Water vertegenwoordigt een relatief klein deel van het energieverbruik en de kosten. Het worstcasescenario voor beide parameters is ontzilting. Omgekeerde osmose is de belangrijkste technologie voor ontzilting en is goed voor bijna 70 procent van de mondiale capaciteit. De technologie kost $1900-$2000/m³/d en heeft een leercurve van 15%. Bij deze investeringskosten bedragen de behandelingskosten ongeveer $1/m³, en kunnen lager zijn in gebieden waar de elektriciteitskosten laag zijn.
Bovendien zullen de verzendkosten met ongeveer $ 1-2 per m³ stijgen. Zelfs in dit geval bedragen de waterbehandelingskosten ongeveer $ 0,05/kgH2. Om dit in perspectief te plaatsen: de kosten van hernieuwbare waterstof kunnen $2-3/kgH2 bedragen als er goede hernieuwbare bronnen beschikbaar zijn, terwijl de kosten van de gemiddelde grondstof $4-5/kgH2 bedragen.
In dit conservatieve scenario zou water dus minder dan 2 procent van het totaal kosten. Het gebruik van zeewater kan de hoeveelheid teruggewonnen water 2,5 tot 5 keer vergroten (in termen van herstelfactor).
Energieverbruik
Als we kijken naar het energieverbruik van ontzilting, is dit ook erg klein vergeleken met de hoeveelheid elektriciteit die nodig is om de elektrolytische cel te voeden. De huidige werkende omgekeerde osmose-installatie verbruikt ongeveer 3,0 kW/m3. Daarentegen hebben thermische ontziltingsinstallaties een veel hoger energieverbruik, variërend van 40 tot 80 kWh/m3, met extra stroomvereisten variërend van 2,5 tot 5 kWh/m3, afhankelijk van de ontziltingstechnologie. Als we het conservatieve geval (dat wil zeggen een hogere energievraag) van een warmtekrachtcentrale als voorbeeld nemen en uitgaan van het gebruik van een warmtepomp, zou de energievraag worden omgerekend naar ongeveer 0,7 kWh/kg waterstof. Om dit in perspectief te plaatsen: de elektriciteitsvraag van de elektrolytische cel bedraagt ongeveer 50-55 kWh/kg, dus zelfs in het ergste geval bedraagt de energievraag voor ontzilting ongeveer 1% van de totale energie-input in het systeem.
Eén uitdaging bij ontzilting is de afvoer van zout water, wat een impact kan hebben op lokale mariene ecosystemen. Deze pekel kan verder worden behandeld om de impact op het milieu te verminderen, waardoor nog eens $ 0,6-2,40 /m³ aan de waterkosten wordt toegevoegd. Bovendien is de kwaliteit van het elektrolytische water strenger dan die van drinkwater en kan leiden tot hogere zuiveringskosten, maar de verwachting is dat dit nog steeds klein zal zijn in vergelijking met de opgenomen energie.
De watervoetafdruk van elektrolytisch water voor de productie van waterstof is een zeer specifieke locatieparameter die afhankelijk is van de lokale waterbeschikbaarheid, het verbruik, de afbraak en de vervuiling. Er moet rekening worden gehouden met het evenwicht tussen ecosystemen en de impact van klimaattrends op de lange termijn. Het waterverbruik zal een groot obstakel vormen voor het opschalen van hernieuwbare waterstof.
Posttijd: 08 maart 2023