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Der Energie-Wasser-Nexus: Ausgleich des Wasserbedarfs für die Wasserstoffproduktion
In dem Maße, wie die saubere Wasserstoffindustrie wächst, müssen wir ihren Wasserbedarf umfassend untersuchen, um sicherzustellen, dass die Entwicklung der Industrie mit der Energie- und Wassersicherheit sowie mit den umfassenderen Anforderungen an Gerechtigkeit und Umwelt in Einklang steht.
Der Weg zu einer emissionsfreien Zukunft hängt von der Entwicklung einer breiten Palette erneuerbarer Energiequellen ab. Während Solar-, Wind- und Wasserkraft eine hervorragende Leistung im Netzmaßstab bieten, spielt Wasserstoff eine entscheidende Rolle als Ersatz für fossile Brennstoffe in ansonsten schwer abbaubaren Anwendungen.
Die saubere Wasserstoffindustrie steckt noch in den Kinderschuhen, und nur sehr wenige Produktionsanlagen sind über das Demonstrationsstadium hinaus in Betrieb. Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, dass wir schnell handeln, um die potenziellen Auswirkungen zu verstehen, die sie haben wird, wenn sich die Industrie ausweitet. Wir müssen den Wasserbedarf umfassend untersuchen, um sicherzustellen, dass die Entwicklung der Wasserstoffindustrie mit der Energie- und Wassersicherheit sowie mit den umfassenderen Anforderungen an Gerechtigkeit und Umwelt in Einklang steht.
Dieser "Energie-Wasser-Nexus" ist für die Planung unserer nachhaltigen Zukunft von wesentlicher Bedeutung. Das Ministerium für Klimawandel, Energie, Umwelt und Wasser der australischen Regierung (DCCEEW) und der Australische Wasserstoffrat (AHC) sahen die Notwendigkeit, die Entwicklung einer technischen Studie zur Wassernutzung für Wasserstoff zu unterstützen. Mit ihrer Unterstützung führten wir eine technische Bewertung durch und erstellten das Water for Hydrogen Technical Paper über den Wasserbedarf für die Entwicklung der Wasserstoffindustrie. Die Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) unterstützte den Bericht dann durch eine technische Überprüfung.
Wir bewerteten den Wasserverbrauch für eine Reihe von Prozessen zur Herstellung von Wasserstoff und Wasserstoffträgern. Außerdem untersuchten wir die Anforderungen an die Wasserqualität und -menge in der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette, einschließlich der Möglichkeiten für das Recycling und die Wiederverwendung von Prozesswasser, um mögliche Wassereinsparungen zu ermöglichen. Im Folgenden haben wir einige der Highlights des Berichts und die wichtigsten Erkenntnisse zum Verständnis des Energie-Wasser-Nexus zusammengefasst.
Der Wasserbedarf ist sehr unterschiedlich
Bei der Analyse der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette kann der Wasserbedarf erheblich variieren. Die Qualität der Wasserquelle, die Methode der Wasseraufbereitung, die klimatischen Bedingungen, die Methode der Wasserstofferzeugung, die Kühlmethode und der Prozess der Umwandlung des Wasserstoffträgers wirken sich alle auf die endgültige Berechnung der Liter Wasser pro Kilogramm erzeugtem Kraftstoff aus.
So ist der Wasserbedarf bei der Herstellung von grünem Wasserstoff in der Regel höher als bei blauem, was sowohl auf den Wasserverbrauch der Ausgangsstoffe als auch auf den Verbrauch und die Verluste von Kühlwasser zurückzuführen ist. Ein höherer Wasserbedarf besteht auch bei der Umwandlung von Trägern in flüssiges Ammoniak oder flüssigen Wasserstoff.
Wir haben die verschiedenen Anforderungen eingehend analysiert, aber es ist wichtig zu verstehen, wie sich diese Variabilität von Fall zu Fall auf verschiedene Standorte und Bedürfnisse auswirkt.
Die Planung für eine nachhaltige Zukunft erfordert einen ganzheitlichen Ansatz zur Abmilderung der ökologischen und sozialen Auswirkungen des gesamten Lebensmittel-Energie-Wasser-Nexus.
Kühlwasserbedarf variiert erheblich
Eine weitere Unterscheidung hinsichtlich der Variabilität des Wasserbedarfs betrifft den Kühlwasserbedarf, der einen erheblichen Anteil am Wasserverbrauch in der Wasserstoff-Wertschöpfungskette hat. Wir haben drei verschiedene Kühlmethoden untersucht - Durchlaufkühlung, Verdunstungskühlung und Luftkühlung - und festgestellt, dass jede Methode für bestimmte Standorte und klimatische Bedingungen geeignet sein kann.
Die Verdunstungskühlung beispielsweise hat einen hohen Wasserbedarf und eine hohe Verbrauchsrate aufgrund von Verdunstungsverlusten. Sie eignet sich gut für ein breites Spektrum von Bedingungen, kann aber in trockenen Klimaregionen zu größeren Wasserverlusten führen als in feuchteren Gebieten. Bei der Luftkühlung hingegen wird kein Wasser verwendet, was für bestimmte Bedingungen und Standorte am besten geeignet sein kann, aber sie ist teurer in der Umsetzung und erfordert einen höheren Energieeinsatz.
Der Wasserverbrauch ist vergleichbar mit dem von fossilen Brennstoffen
Beim Vergleich von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (FCEV) und Verbrennungsmotoren für fossile Brennstoffe (Diesel und Benzin) für den Personenverkehr auf der Grundlage des Kraftstoffverbrauchs pro 100 km Fahrstrecke haben wir festgestellt, dass der Wasserverbrauch für den grünen Wasserstoffprozess mit einem wassergekühlten Verdunstungssystem mit dem von fossilen Brennstoffen vergleichbar ist.
Bei schwereren Fahrzeugen wie Bussen zeigen die Ergebnisse, dass der Wasserverbrauch bei Luftkühlung oder Verdunstungskühlung in einer feuchten Klimazone mit dem von Diesel vergleichbar ist. Wird jedoch Verdunstungskühlung in trockenen Klimazonen verwendet, kann der Wasserverbrauch für grünen und blauen Wasserstoff höher sein.
Fortgeschrittenes recyceltes Wasser ist die ideale Wasserquelle
Wir haben sechs Rohwasserquellen untersucht - Oberflächenwasser, Grundwasser, recyceltes Wasser, fortschrittliches recyceltes Wasser, Brackwasser und Meerwasser - und festgestellt, dass fortschrittliches recyceltes Wasser, sofern verfügbar, am besten für die Wasserstoffproduktion geeignet ist. Diese Quelle erfordert den geringsten Aufbereitungsaufwand und den geringsten Wasser- und Energieverbrauch für die Herstellung des Rohmaterials und des Kühlwassers.
In dieser Reihenfolge folgen Oberflächenwasser, Grundwasser, Brackwasser, recyceltes Wasser der Klasse A und Meerwasser. Meerwasser hat den höchsten Wasserverbrauch und die geringste Verfügbarkeit von wiederverwertbarem Wasser, da die Abfallströme aus dem Aufbereitungsprozess für eine Wiederverwendung zu salzig sind.
Wo immer möglich, bieten aufbereitete Wasserquellen wie die aus Kläranlagen und entsalztes Meerwasser die nachhaltigste Versorgung mit den geringsten Auswirkungen auf die bestehende Wassernutzung und die beste Akzeptanz in der Bevölkerung.
Ganzheitliches Denken ist gefragt
Für alle Entscheidungsträger ist es wichtig, die Ergebnisse dieser technischen Studie nicht isoliert zu betrachten. Die Planung einer nachhaltigen Zukunft erfordert einen ganzheitlichen Ansatz zur Abmilderung der ökologischen und sozialen Auswirkungen des gesamten Lebensmittel-Energie-Wasser-Nexus. Wir müssen sicherstellen, dass die Wasserstoff-Wertschöpfungskette mit den umfassenderen Bemühungen um eine sichere Wasserversorgung und eine nachhaltige Bewirtschaftung der Wasserquellen in Einklang gebracht wird.
In dem Maße, in dem die Wasserstoffindustrie von der Demonstration zur kommerziellen Entwicklung übergeht, werden die Details dieser Studie verfeinert werden, da uns mehr Informationen aus der realen Welt mehr Daten für die Analyse liefern. Der technologische Fortschritt bei der Wasserstofferzeugung und der Umwandlung von Wasserstoffträgern wird sich fortsetzen, wobei der Schwerpunkt auf der Verbesserung von Betriebsgrundlagen wie der optimalen Temperatur, der Langlebigkeit des Wirkungsgrads und der Wasserqualitätsmerkmale liegt. Es wird erwartet, dass dies zu Einsparungen beim Wasserbedarf im Vergleich zu den in dieser Studie bewerteten ausgereiften Technologien führt und damit bessere zukünftige Ergebnisse für die Industrie, die Gemeinschaft und die Umwelt ermöglicht.
Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle in unserer nachhaltigen Energiezukunft, und das Verständnis der Wasserversorgungsbedürfnisse dieser zukünftigen Industrie ist von grundlegender Bedeutung für die Erfüllung der Anforderungen unserer nationalen Wasserstoffstrategie. Die technische Studie "Water for Hydrogen" ist eine wertvolle Ressource für die Industrie, da sie einen Einblick in die Bewertung und den Bedarf an Wasser für verschiedene Arten der Wasserstoffproduktion bietet.
Laden Sie den Bericht hier herunter
