Hur mycket vatten krävs för att göra väte genom elektrolys?

Hur mycket vatten förbrukas vid elektrolys

Steg ett: Vätgasproduktion

Vattenförbrukningen kommer från två steg: väteproduktion och uppströms produktion av energibärare. För väteproduktion är minimiförbrukningen av elektrolyserat vatten cirka 9 kg vatten per kg väte. Men med hänsyn till avmineraliseringsprocessen av vatten kan detta förhållande variera från 18 till 24 kg vatten per kg väte, 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 tagen 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 vattenförbrukning för att producera förnybar el och naturgas. Vattenförbrukningen för solcellskraft varierar mellan 50-400 liter /MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) och för vindkraft mellan 5-45 liter /MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). På samma sätt kan gasproduktionen från skiffergas (baserat på amerikanska data) ökas från 1,14kgH2O/kgH2 till 4,9kgH2O/kgH2.

Sammanfattningsvis är den genomsnittliga totala vattenförbrukningen av väte som genereras av solceller och vindkraftsproduktion cirka 32 respektive 22 kgH2O/kgH2. Osäkerheterna kommer från solstrålning, livslängd och kiselinnehåll. Denna vattenförbrukning är i samma storleksordning som väteproduktion från naturgas (7,6-37 kgh2o /kgH2, med ett genomsnitt på 22kgH2O/kgH2).

Totalt vattenavtryck: Lägre vid användning av förnybar energi

I likhet med CO2-utsläpp är en förutsättning för ett lågt vattenavtryck för elektrolytiska vägar användningen av förnybara energikällor. Om bara en liten del av elen genereras med fossila bränslen är vattenförbrukningen förknippad med el mycket högre än det faktiska vatten som förbrukas under elektrolysen.

Till exempel kan gaskraftproduktion använda upp till 2 500 liter /MWh vatten. Det är också det bästa fallet för fossila bränslen (naturgas). Om kolförgasning övervägs kan väteproduktionen förbruka 31-31,8 kgH2O/kgH2 och kolproduktionen kan förbruka 14,7kgH2O/kgH2. Vattenförbrukningen från solceller och vind förväntas också minska med tiden i takt med att tillverkningsprocesserna blir effektivare och energiproduktionen per enhet installerad kapacitet förbättras.

Total vattenförbrukning 2050

Världen förväntas använda många gånger mer väte i framtiden än vad den gör idag. Till exempel uppskattar IRENAs World Energy Transitions Outlook att efterfrågan på vätgas år 2050 kommer att vara cirka 74EJ, varav cirka två tredjedelar kommer från förnybart väte. Som jämförelse är idag (rent väte) 8,4EJ.

Även om elektrolytiskt väte skulle kunna möta efterfrågan på vätgas under hela 2050 skulle vattenförbrukningen vara cirka 25 miljarder kubikmeter. Figuren nedan jämför denna siffra med andra konstgjorda vattenförbrukningsströmmar. Jordbruket använder den största mängden 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 väteproduktion är cirka 1,5 miljarder kubikmeter.

Således, även om stora mängder vatten förväntas förbrukas på grund av förändringar i elektrolytiska vägar och växande efterfrågan, kommer vattenförbrukningen från väteproduktion fortfarande att vara mycket mindre än andra flöden som används av människor. En annan referenspunkt är att vattenförbrukningen per capita ligger mellan 75 (Luxembourg) och 1 200 (USA) kubikmeter per år. Med ett genomsnitt på 400 m3 / (per capita * år) motsvarar den totala väteproduktionen år 2050 den i ett land med 62 miljoner människor.

Hur mycket vatten kostar och hur mycket energi som går åt

kosta

Elektrolytiska celler kräver vatten av hög kvalitet och kräver vattenbehandling. Vatten av lägre kvalitet leder till snabbare nedbrytning och kortare livslängd. Många grundämnen, inklusive membran och katalysatorer som används i alkalier, såväl som membranen och de porösa transportskikten av PEM, kan påverkas negativt av vattenföroreningar som järn, krom, koppar etc. Vattenledningsförmågan måste vara mindre än 1μS/ cm och totalt organiskt kol mindre än 50μg/L.

Vatten står för en relativt liten del av energiförbrukningen och kostnaderna. Det värsta 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 $1900- $2000/m³/d och har en inlärningskurva på 15%. Vid denna investeringskostnad är behandlingskostnaden cirka 1 USD/m³ och kan vara lägre i områden där elkostnaderna är låga.

Dessutom kommer fraktkostnaderna att öka med cirka 1-2 USD per m³. Även i detta fall är kostnaderna för vattenrening cirka 0,05 USD/kgH2. För att sätta detta i perspektiv kan kostnaden för förnybart väte vara 2-3 USD/kgH2 om bra förnybara resurser finns tillgängliga, medan kostnaden för den genomsnittliga resursen är 4-5 USD/kgH2.

Så i detta konservativa scenario skulle vatten kosta mindre än 2 procent av det totala. 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 vid avsaltning är den också mycket liten jämfört med mängden el som behövs för att mata in elektrolyscellen. Den aktuella enheten för omvänd osmos förbrukar cirka 3,0 kW/m3. Däremot har termiska avsaltningsanläggningar 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 (d.v.s. högre energibehov) med en kraftvärmeanläggning som exempel, om man antar användningen av en värmepump, skulle energibehovet omvandlas till cirka 0,7 kWh/kg väte. För att sätta detta i perspektiv är elbehovet för elektrolyscellen cirka 50-55kWh/kg, så även i värsta fall är energibehovet för avsaltning cirka 1 % av den totala energitillförseln till systemet.

En utmaning med avsaltning är omhändertagandet av saltvatten, vilket kan ha en inverkan på lokala marina ekosystem. Denna saltlake kan behandlas ytterligare för att minska dess miljöpåverkan och därmed lägga till ytterligare 0,6-2,40 USD/m³ till kostnaden för vatten. Dessutom är den elektrolytiska vattenkvaliteten strängare än dricksvatten och kan leda till högre reningskostnader, men denna förväntas fortfarande vara liten jämfört med effekttillförseln.

Vattenavtrycket för elektrolytiskt vatten för väteproduktion är en mycket specifik platsparameter som beror på lokal vattentillgång, förbrukning, nedbrytning och föroreningar. Balansen mellan ekosystem och effekterna av långsiktiga klimattrender bör beaktas. Vattenförbrukningen kommer att vara ett stort hinder för att skala upp förnybart vätgas.