Wie viel Wasser braucht man, um Wasserstoff durch Elektrolyse herzustellen?

Wie viel Wasser wird durch Elektrolyse verbraucht

Schritt eins: Wasserstoffproduktion

Der Wasserverbrauch ergibt sich aus zwei Schritten: der Wasserstoffproduktion und der vorgelagerten Energieträgerproduktion. Für die Wasserstoffproduktion beträgt der Mindestverbrauch an Elektrolysewasser 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 zwischen 25,7 und 30,2 liegen.

Für den bestehenden Produktionsprozess (Methandampfreformierung) 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: Energieträger (erneuerbarer Strom oder Erdgas)

Eine weitere Komponente ist der Wasserverbrauch zur Erzeugung von erneuerbarem Strom und Erdgas. Der Wasserverbrauch von Photovoltaik variiert zwischen 50-400 Liter/MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) und der von Windkraft zwischen 5-45 Liter/MWh (0,2-2,1kgH2O/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- und Windkrafterzeugung 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 durchschnittlich 22kgH2O/kgH2).

Gesamter Wasser-Fußabdruck: Geringer bei Nutzung erneuerbarer Energien

Voraussetzung für einen geringen Wasser-Fußabdruck bei Elektrolyse-Routen 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 dem Strom verbundene Wasserverbrauch viel höher als der tatsächliche Wasserverbrauch bei der Elektrolyse.

Beispielsweise kann die Gasstromerzeugung bis zu 2.500 Liter/MWh Wasser verbrauchen. Es ist auch der beste Fall für fossile Brennstoffe (Erdgas). Wenn die Kohlevergasung in Betracht gezogen wird, kann die Wasserstoffproduktion 31-31,8 kgH2O/kgH2 und die Kohleproduktion 14,7 kgH2O/kgH2 verbrauchen. Es wird auch erwartet, dass der Wasserverbrauch durch Photovoltaik und Wind im Laufe der Zeit sinken wird, da die Herstellungsprozesse effizienter werden und die Energieabgabe pro Einheit installierter Kapazität verbessert wird.

Gesamtwasserverbrauch im Jahr 2050

Es wird erwartet, dass die Welt in Zukunft um 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) liegt bei 8,4 EJ.

Selbst wenn elektrolytischer Wasserstoff den Wasserstoffbedarf für das gesamte Jahr 2050 decken könnte, würde der Wasserverbrauch bei etwa 25 Milliarden Kubikmetern liegen. Die folgende Abbildung vergleicht diese Zahl mit anderen künstlichen Wasserverbrauchsströmen. Die Landwirtschaft verbraucht mit 280 Milliarden Kubikmetern Wasser die größte Menge, die Industrie fast 800 Milliarden Kubikmeter und die Städte 470 Milliarden Kubikmeter. Der aktuelle Wasserverbrauch der Erdgasreformierung und der Kohlevergasung zur Wasserstoffproduktion beträgt etwa 1,5 Milliarden Kubikmeter.

Obwohl erwartet wird, dass aufgrund von Änderungen in den elektrolytischen Wegen und der wachsenden Nachfrage große Wassermengen verbraucht werden, wird der Wasserverbrauch aus der Wasserstoffproduktion immer noch viel geringer sein als bei anderen vom Menschen genutzten Flüssen. 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 qualitativ hochwertiges Wasser und erfordern eine Wasseraufbereitung. Wasser von geringerer Qualität führt zu einem schnelleren Abbau und einer kürzeren Lebensdauer. Viele Elemente, einschließlich Diaphragmen und Katalysatoren, die in Laugen verwendet werden, sowie die Membranen und porösen Transportschichten von PEM können durch Wasserverunreinigungen wie Eisen, Chrom, Kupfer usw. nachteilig beeinflusst werden. Die Wasserleitfähigkeit muss weniger als 1 μS/ betragen. cm und insgesamt organischer Kohlenstoff weniger als 50 μg/l.

Wasser macht einen relativ geringen Anteil des Energieverbrauchs und der Kosten aus. Das Worst-Case-Szenario für beide Parameter ist die Entsalzung. Umkehrosmose ist die Haupttechnologie für die Entsalzung und macht fast 70 Prozent der weltweiten Kapazität aus. Die Technologie kostet 1.900 bis 2.000 $/m³/d und hat eine Lernkurvenrate von 15 %. Bei diesen Investitionskosten betragen die Behandlungskosten etwa 1 $/m³ und können in Gebieten mit niedrigen Stromkosten niedriger sein.

Außerdem steigen die Versandkosten um ca. 1-2 $ 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 USD /kgH2 betragen, wenn gute erneuerbare Ressourcen verfügbar sind, während die Kosten der durchschnittlichen Ressource 4-5 USD /kgH2 betragen.

In diesem konservativen Szenario würde Wasser also weniger als 2 Prozent der Gesamtkosten kosten. Die Verwendung von Meerwasser kann die zurückgewonnene Wassermenge um das 2,5- bis 5-fache erhöhen (in Bezug auf den Rückgewinnungsfaktor).

Energieverbrauch

Betrachtet man den Energieverbrauch der Entsalzung, so ist dieser im Vergleich zur Strommenge, die für die Einspeisung in die Elektrolysezelle benötigt wird, ebenfalls sehr gering. Die derzeit in Betrieb befindliche Umkehrosmoseanlage verbraucht etwa 3,0 kW/m3. Im Gegensatz dazu haben thermische Entsalzungsanlagen einen viel höheren Energieverbrauch, der von 40 bis 80 KWH/m3 reicht, mit einem zusätzlichen Strombedarf von 2,5 bis 5 KWH/m3, je nach Entsalzungstechnologie. Am Beispiel des konservativen Falls (d. h. höherer Energiebedarf) eines Blockheizkraftwerks würde sich der Energiebedarf unter der Annahme des Einsatzes einer Wärmepumpe auf etwa 0,7 kWh/kg Wasserstoff umrechnen. Zum Vergleich: Der Strombedarf der Elektrolysezelle beträgt etwa 50-55 kWh/kg, sodass der Energiebedarf für die Entsalzung selbst im schlimmsten Fall etwa 1 % des gesamten Energieeintrags in das System beträgt.

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

Der Wasserfußabdruck von Elektrolysewasser für die Wasserstoffproduktion ist ein sehr spezifischer Standortparameter, der von der lokalen Wasserverfügbarkeit, dem Verbrauch, 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 die Skalierung von erneuerbarem Wasserstoff sein.