Rechner für die Wasserstoffproduktion
Wasserstoff kann eine entscheidende Rolle als kohlenstofffreier Brennstoff spielen, der bei der Dekarbonisierung schwer zu elektrifizierender Sektoren der Weltwirtschaft helfen kann. Außerdem ist er ein wichtiger industrieller Rohstoff für die Düngemittel- und Chemieproduktion sowie für die Herstellung konventioneller Kraftstoffe in Raffinerien. Herkömmliche Methoden der Wasserstoffherstellung sind jedoch sehr kohlenstoffintensiv, wobei die derzeitige weltweite Produktion für fast 900 Millionen Tonnen Kohlenstoffemissionen pro Jahr verantwortlich ist.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Wasserstoff mit einem niedrigen Emissionsprofil zu erzeugen, jede mit ihren eigenen Vorteilen und Nebenprodukten. Zwei der führenden Wege zur Herstellung von emissionsarmem Wasserstoff sind 1) die Elektrolyse mit kohlenstoffarmer Elektrizität (der auf diese Weise mit erneuerbaren Energien hergestellte elektrolytische Wasserstoff wird als "grüner" oder "erneuerbarer" Wasserstoff bezeichnet) und 2) die Methandampfreformierung mit installierten CO2-abscheidung und Speichermöglichkeiten sowie strengen vorgelagerten Methankontrollen (oft als "blauer" Wasserstoff bezeichnet).
CATFDer Rechner für die Wasserstoffproduktion ermöglicht es den Nutzern, das Ressourcenprofil dieser Wege besser zu verstehen, indem er die Mengen an Erdgas, Wasser und Elektrizität anzeigt, die für die Herstellung verschiedener Mengen an Wasserstoff durch Methandampfreformierung mit CO2-abscheidung und Speicherung oder Elektrolyse erforderlich sind. Die Nutzer können sich auch über den Stickstoff und den Wasserstoff informieren, die für die Herstellung von Ammoniak erforderlich sind, einem wichtigen Bestandteil der Düngemittelherstellung und einem vielversprechenden kohlenstofffreien Kraftstoff für die Dekarbonisierung der Seeschifffahrt.
So verwenden Sie den Rechner:
Um dieses Tool zu verwenden, geben Sie ein bestimmtes Wasserstoffvolumen für den gewünschten Erzeugungspfad ein. Für die Elektrolyse können Sie auch den Kapazitätsfaktor für den Stromeinsatz anpassen. Das Tool berechnet die für die entsprechende Wasserstoffmenge erforderlichen Inputs sowie die mit jedem Prozess verbundenen Emissionen und Nebenprodukte. Um den Rechner für die Ammoniakproduktion zu benutzen, geben Sie einfach die verfügbare Wasserstoffmenge ein.
Bitte beachten Sie, dass dieses Tool nur die Auswirkungen auf die Anlagenebene berücksichtigt und keine Lebenszyklusanalyse darstellt.
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Wählen Sie Ihren Taschenrechner:
Low Carbon/Blue Hydrogen – Steam Methane Reforming with Carbon Capture and Storage
Referenzrahmen für mit Erdgas erzeugten Wasserstoff und CO2-abscheidung und Speicherung ("blauer" Wasserstoff)
Der meiste Wasserstoff wird heute durch Dampf-Methan-Reformierung erzeugt, ohne dass irgendwelche CO2-abscheidung Technologien installiert sind. Ein typischer Dampf-Methan-Reformer (SMR) produziert etwa 10.000 kg/h Wasserstoff als nützlichen Referenzrahmen. Ein ähnlich großer Dampf-Methan-Reformer mit CO2-abscheidung und Speichertechnologie würde etwa 1.800 MMBTU (530 MWh) Erdgas pro Stunde verbrauchen, was etwa dem Verbrauch von 230.000 US-Haushalten in einer Stunde entspricht.⁵ Die Anlage würde auch etwa 780 Liter Wasser pro Minute verbrauchen, was etwa dem Verbrauch von 1.000 US-Haushalten pro Minute entspricht.⁶
Anmerkungen
- Die Leistung der Anlage basiert auf Daten aus dem IEAGHG Technical Report - 2017-02 Februar 2017 "Techno-Economic Evaluation of SMR Based Standalone (Merchant) Hydrogen Plant with CCS
- CO2-abscheidung Rate für diese Anlage beträgt 90 %. Abscheidungsraten von mehr als 90 % sind mit anderen Anlagenkonfigurationen möglich, z. B. mit Technologien für die automatische thermische Reformierung (ATR)
- Die Normaldichten werden bei einer Normaltemperatur von 0oC und einem Normaldruck von 1 atm oder 101,325 kPa berechnet.
- Die Anlage hat einen Verfügbarkeitsfaktor von 100 %, was bedeutet, dass sie an 365 Tagen im Jahr in Betrieb ist. Typische Verfügbarkeitsfaktoren liegen eher bei 97 %.
- Bitte beachten Sie, dass der Verbrauch davon abhängt, ob Elektrizität anstelle von Erdgas für gängige Endanwendungen wie Heizen, Kochen und Wäschetrocknen verwendet wird. Unter Verwendung von EIA-Daten zeigen Berechnungen von CATF , dass der Erdgasverbrauch pro US-Privatkunde im Jahr 2021 bei 5.392 Standardkubikfuß pro Monat lag. Dies entspricht etwa 5,63 Millionen British Thermal Units oder 1649 Kilowattstunden pro Monat. Quelle ansehen
- Das in einer Anlage leicht verfügbare Wasser muss möglicherweise zusätzlich aufbereitet werden, um die strengen Qualitätsanforderungen für die Methandampfreformierung oder Elektrolyse zu erfüllen. Folglich kann der tatsächliche Rohwasserverbrauch je nach verfügbarer Qualität variieren. Bei den oben aufgeführten Berechnungen wird davon ausgegangen, dass das Wasser bereits auf die erforderliche Qualität aufbereitet ist, und es werden keine Überlegungen bezüglich des Kühlwassers für Hilfsanlagen angestellt. Nach Angaben der EPA lag der durchschnittliche Wasserverbrauch eines US-Haushalts im Jahr 2016 bei 1136 Litern (300 Gallonen) pro Tag. Quelle anzeigen. Weitere Informationen darüber, wie der tatsächliche Rohwasserverbrauch je nach verfügbarer Qualität variieren kann, finden Sie auf der Webseite von GHD.
Electrolytic Hydrogen – Electrolysis
Bezugsrahmen für durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoff ("elektrolytischer" Wasserstoff)
Im Vergleich zu einem typischen SMR, der etwa 10.000 kg/h Wasserstoff produziert, würde eine ähnlich große Elektrolyseanlage 530 MWh Strom pro Stunde verbrauchen - etwa so viel, wie 440.000 US-Haushalte in einer Stunde verbrauchen.⁶ Die Elektrolyseanlage würde auch etwa 440 Gallonen (~1700 Liter) Wasser pro Minute verbrauchen, was etwa dem Verbrauch von 2.100 US-Haushalten pro Minute entspricht.⁷
Anmerkungen
- Elektrolyseur-Strombedarf aus dem Bericht des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme - "Kostenprognose für die Niedertemperatur-Elektrolyse - technologiebasierte Bottom-up-Prognose für PEM- und alkalische Wasserelektrolyse-Systeme
- Wasserbedarf für die Elektrolyse der Elektrolyseure der Serien C, S und H von Nel (2020), von denen ein Teil durch Verdunstung verloren geht und mit den Wasserstoff- und Sauerstoffgasen mitgeführt wird
- Dabei wird von einem Verhältnis von 1:1 zwischen erneuerbarer Kapazität und Elektrolyseurkapazität ausgegangen.
- Die Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse ist umso kostengünstiger, je höher der Kapazitätsfaktor ist
- Weitere Informationen zu den Kapazitätsfaktoren für Energietechnologien im Versorgungsmaßstab finden Sie auf der Website des NREL.
- Bitte beachten Sie, dass es sich bei der oben genannten Zahl um den verbrauchten Strom handelt und nicht um die für den Betrieb der Elektrolyseanlage erforderliche Erzeugungskapazität. Die erforderliche Erzeugungskapazität hängt davon ab, wie oft der Strom während des Tages verfügbar ist, was auch als Kapazitätsfaktor bezeichnet wird. Der Kapazitätsfaktor variiert bei den verschiedenen Technologien für erneuerbare Energien und liegt in der Regel bei 10-20 % für Photovoltaik und 30-50 % für Offshore-Windkraft(Quelle). Dieser Faktor kann im Tool geändert werden, um den Wert von sauberem, festem Strom zu demonstrieren, der rund um die Uhr verfügbar ist. Die EIA-Daten zeigen, dass der durchschnittliche Stromverbrauch eines Haushalts 10632 kWh/Jahr beträgt. Quelle anzeigen.
- Das in einer Anlage leicht verfügbare Wasser muss möglicherweise zusätzlich aufbereitet werden, um die strengen Qualitätsanforderungen für die Methandampfreformierung oder Elektrolyse zu erfüllen. Folglich kann der tatsächliche Rohwasserverbrauch je nach verfügbarer Qualität variieren. Bei den oben aufgeführten Berechnungen wird davon ausgegangen, dass das Wasser bereits auf die erforderliche Qualität aufbereitet ist, und es werden keine Überlegungen bezüglich des Kühlwassers für Hilfsanlagen angestellt. Nach Angaben der EPA lag der durchschnittliche Wasserverbrauch eines US-Haushalts im Jahr 2016 bei 1136 Litern (300 Gallonen) pro Tag(Quelle). Weitere Informationen darüber, wie der tatsächliche Rohwasserverbrauch je nach verfügbarer Qualität variieren kann, finden Sie auf der Webseite von GHD.
Ammonia Production
Anmerkungen
- Potenzielle Ammoniakproduktion auf der Grundlage einer 100%igen Umwandlung von Wasserstoff
- Die Normaldichten werden bei einer Normaltemperatur von 0oC und einem Normaldruck von 1 atm oder 101,325 kPa berechnet.
- Die Anlage hat einen Verfügbarkeitsfaktor von 100 %, was bedeutet, dass sie an 365 Tagen im Jahr in Betrieb ist. Typische Verfügbarkeitsfaktoren liegen näher bei 97 %.
Beschreibungen der Einheiten
| Einheit | Beschreibung |
|---|---|
| kg/Std. | Kilogramm pro Stunde |
| MMBTU/hr (HHV) | Millionen britische Wärmeeinheiten pro Stunde (höherer Heizwert) |
| TPA | Tonnen pro Jahr |
| lb/h | Pfund pro Stunde |
| MMSCFD | Millionen Standardkubikfuß pro Tag |
| Nm3/h | normale Kubikmeter pro Stunde |
| GPM | Gallonen pro Minute |
| TWh/Jahr | Terawattstunden pro Jahr |
| MW | Megawatt |
| GW | Gigawatt |
Wasserstoff-Referenzrahmen
Ein Kilogramm Wasserstoff hat etwa den gleichen Energiegehalt wie 1 Gallone Benzin, 0,9 Gallonen Diesel und 1 Gallone A1-Düsenkraftstoff, wenn man den unteren Heizwert als Vergleich heranzieht.
