Berapa banyak air yang dibutuhkan untuk membuat hidrogen dengan 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 yang dielektrolisis 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 setinggi 25,7 hingga 30,2..

Untuk proses produksi yang ada (methane steam reforming), konsumsi air minimum adalah 4,5kgH2O/kgH2 (diperlukan untuk reaksi), dengan mempertimbangkan 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 dan gas alam terbarukan. 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 setara dengan produksi hidrogen dari gas alam (7,6-37 kgh2o/kgH2, dengan rata-rata 22kgH2O/kgH2).

Total jejak air: Lebih rendah saat menggunakan energi terbarukan

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

Sebagai contoh, pembangkit listrik tenaga gas dapat menggunakan air hingga 2.500 liter/MWh. Ini juga kasus terbaik untuk 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 dari waktu ke waktu karena proses manufaktur menjadi lebih efisien dan keluaran energi per unit kapasitas terpasang meningkat.

Total konsumsi air pada tahun 2050

Dunia diperkirakan akan menggunakan hidrogen berkali-kali lebih banyak di masa depan daripada saat ini. Sebagai contoh, IRENA's World Energy Transitions Outlook memperkirakan bahwa permintaan hidrogen pada tahun 2050 akan menjadi sekitar 74EJ, dimana sekitar dua pertiganya akan berasal dari hidrogen terbarukan. Sebagai perbandingan, hari ini (hidrogen murni) adalah 8.4EJ.

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

Jadi, meskipun sejumlah besar air diperkirakan akan dikonsumsi karena perubahan jalur elektrolitik dan permintaan yang terus meningkat, konsumsi air dari produksi hidrogen masih akan jauh lebih kecil daripada aliran lain yang digunakan manusia. Titik acuan lainnya adalah konsumsi air per kapita adalah 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 produksi negara berpenduduk 62 juta jiwa.

Berapa banyak biaya air dan berapa banyak energi yang digunakan

biaya

Sel elektrolit membutuhkan air berkualitas tinggi dan membutuhkan pengolahan air. Kualitas air yang lebih rendah menyebabkan degradasi yang lebih cepat dan umur yang lebih pendek. Banyak elemen, termasuk diafragma dan katalis yang digunakan dalam basa, serta membran dan lapisan transportasi berpori dari PEM, dapat terpengaruh secara negatif 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 bagian yang relatif kecil dari konsumsi energi dan biaya. Skenario terburuk untuk kedua parameter adalah desalinasi. Reverse osmosis adalah teknologi utama untuk desalinasi, terhitung hampir 70 persen dari kapasitas global. Teknologi ini berharga $1.900- $2.000 / m³/hari dan memiliki tingkat kurva belajar 15%. Pada biaya investasi ini, biaya perawatan adalah sekitar $1/m³, dan mungkin lebih rendah di daerah yang biaya listriknya rendah.

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

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

Konsumsi energi

Dilihat dari konsumsi energi desalinasi juga sangat kecil dibandingkan dengan jumlah listrik yang dibutuhkan untuk input sel elektrolisis. Unit osmosis balik yang beroperasi saat ini mengkonsumsi sekitar 3,0 kW/m3. Sebaliknya, pembangkit 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 kasus konservatif (yaitu permintaan energi yang lebih tinggi) dari pabrik kogenerasi sebagai contoh, dengan asumsi penggunaan pompa panas, permintaan energi akan dikonversi menjadi sekitar 0,7kWh/kg hidrogen. Sebagai gambaran, permintaan listrik dari sel elektrolitik adalah sekitar 50-55kWh/kg, bahkan dalam skenario terburuk, permintaan 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 asin ini dapat diolah lebih lanjut untuk mengurangi dampak lingkungannya, sehingga menambah biaya air sebesar $0,6-2,40 /m³. Selain itu, kualitas air elektrolitik lebih ketat daripada air minum dan dapat mengakibatkan biaya pengolahan yang lebih tinggi, namun diperkirakan masih kecil dibandingkan dengan masukan daya.

Jejak air dari air elektrolitik untuk produksi hidrogen adalah 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 kendala utama untuk meningkatkan hidrogen terbarukan.