Productie van ultrazuiver water voor elektrolyservoedingswater voor groene waterstof

Ultrapuur water (UPW) voor groene waterstof

Eén kilogram waterstof bevat 33 kWh bruikbare energie, ongeveer drie keer zoveel als één kilogram benzine en diesel. Het wordt dus gebruikt voor een breed scala aan toepassingen, variërend van energieopwekking en energieopslag tot brandstofcellen voor transport. Het maakt ook deel uit van kritische industriële processen zoals het Haber-Bosch-proces voor ammoniakproductie.

Waterstoftoepassingen

 

Figuur 1 - Het brede scala aan toepassingen van waterstof

Waterstof kan worden gesynthetiseerd via een breed scala aan processen waarbij een koolwaterstof, water of beide als basis voor de productie worden gebruikt. In het geval van groene waterstof wordt waterelektrolyse, aangestuurd door hernieuwbare energie, gebruikt om dit essentiële gas te produceren volgens de volgende vergelijking:

 

Waterstof wordt geproduceerd uit ultrapuur water met een verhouding van 9:1, d.w.z. negen kilogram ultrapuur water is nodig om één kilogram waterstof te produceren. Bij het in aanmerking nemen van de waterzuiveringsketen kan de verhouding tussen voedingswaterverbruik en waterstofproductie variëren tussen ongeveer 15:1 en 30:1, afhankelijk van de voedingsbron.

 

Figuur 2 - Water dat nodig is om één kilogram waterstof te produceren, afhankelijk van de voedingsbron

Om maximale efficiëntie te garanderen en uiterst gevoelige elektrolyzers te beschermen, moet de kwaliteit van het voedingswater voldoen aan de hoogste kwaliteitsnormen. Om aan deze vereisten te voldoen, is over het algemeen een compleet demineralisatiesysteem met met name dubbele omgekeerde osmose en elektrodeïonisatie vereist.

Omdat water continu wordt gerecirculeerd in de elektrolyzer-eenheid, kunnen onzuiverheden die door het demineralisatiesysteem gaan of verontreinigingen die afkomstig zijn van de apparatuur van de elektrolyzer-eenheid zich snel ophopen tot belangrijke niveaus. Om te voorkomen dat verontreinigingen zich ophopen in de elektrolyzer-lus, kan een Point-Of-Use-polijstmachine worden toegepast om een fractie of de totaliteit van het gerecirculeerde water te behandelen.

 

Figuur 3 - Prijsverdeling van CAPEX en OPEX voor groene waterstofcentrales

Terwijl het waterzuiveringssysteem over het algemeen 1-5% van de totale kapitaaluitgaven van de fabriek uitmaakt, zijn elektrolyzerstapels goed voor 50-60% van het totaal. Het is des te belangrijker om een adequaat ontworpen systeem stroomopwaarts te hebben en dat de elektrolyzerlus de stapels beschermt en hun levensduur verlengt.

Bovendien vertegenwoordigen elektriciteitskosten doorgaans 60-80% van alle operationele uitgaven en zijn ze een van de belangrijkste kostenfactoren gedurende het bestaan van een fabriek. Een goede behandelingseenheid is wederom van het grootste belang om ervoor te zorgen dat er zich geen onzuiverheden ophopen op het elektrolyzeroppervlak, wat zou leiden tot een hoger elektriciteitsverbruik.

Terwijl het waterzuiveringssysteem over het algemeen 1-5% van de totale kapitaaluitgaven van de fabriek uitmaakt, zijn elektrolyzerstapels goed voor 50-60% van het totaal. Het is des te belangrijker om een adequaat ontworpen systeem stroomopwaarts te hebben en dat de elektrolyzerlus de stapels beschermt en hun levensduur verlengt.

Bovendien vertegenwoordigen elektriciteitskosten doorgaans 60-80% van alle operationele uitgaven en zijn ze een van de belangrijkste kostenfactoren gedurende het bestaan van een fabriek. Een goede behandelingseenheid is wederom van het grootste belang om ervoor te zorgen dat er zich geen onzuiverheden ophopen op het elektrolyzeroppervlak, wat zou leiden tot een hoger elektriciteitsverbruik.

 

UPW productie  ~ 2-5 kWh/m³     UPW electrolyse  ~ 5000 kWh/m³

Figuur 4 - Geschatte elektriciteitsbehoefte per m³ voor UPW-productie en UPW-elektrolyse

Hoewel marginaal in zowel CAPEX als OPEX op de schaal van de fabriek, kan een ineffectief of verkeerd optimaal waterbehandelingssysteem echter leiden tot zware gevolgen:

• Schade aan de elektrolyzerstapel
• Meer uitvaltijd door frequentere onderhoudsstops
• Hogere eigendomskosten door hoger elektriciteits- en waterverbruik