Quanta aigua es consumeix per electròlisi
Pas 1: Producció d'hidrogen
El consum d'aigua prové de dues etapes: la producció d'hidrogen i la producció de portadors d'energia aigües amunt. Per a la producció d'hidrogen, el consum mínim d'aigua electrolitzada és d'aproximadament 9 quilograms d'aigua per quilogram d'hidrogen. Tanmateix, tenint en compte el procés de desmineralització de l'aigua, aquesta proporció pot variar de 18 a 24 quilograms d'aigua per quilogram d'hidrogen, o fins i tot de 25,7 a 30,2..
Per al procés de producció existent (reformat de metà amb vapor), el consum mínim d'aigua és de 4,5 kgH2O/kgH2 (necessari per a la reacció), i tenint en compte l'aigua de procés i el refredament, el consum mínim d'aigua és de 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.
Pas 2: Fonts d'energia (electricitat renovable o gas natural)
Un altre component és el consum d'aigua per produir electricitat renovable i gas natural. El consum d'aigua de l'energia fotovoltaica varia entre 50 i 400 litres/MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2) i el de l'energia eòlica entre 5 i 45 litres/MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2). De la mateixa manera, la producció de gas a partir de gas d'esquist (segons dades dels EUA) es pot augmentar d'1,14 kgH2O/kgH2 a 4,9 kgH2O/kgH2.
En conclusió, el consum total mitjà d'aigua d'hidrogen generat per la generació d'energia fotovoltaica i la generació d'energia eòlica és d'uns 32 i 22 kgH2O/kgH2, respectivament. Les incerteses provenen de la radiació solar, la vida útil i el contingut de silici. Aquest consum d'aigua és del mateix ordre de magnitud que la producció d'hidrogen a partir de gas natural (7,6-37 kgh2O/kgH2, amb una mitjana de 22 kgH2O/kgH2).
Petjada hídrica total: Menor quan s'utilitza energia renovable
De manera similar a les emissions de CO2, un requisit previ per a una petjada hídrica baixa per a les rutes electrolítiques és l'ús de fonts d'energia renovables. Si només una petita fracció de l'electricitat es genera utilitzant combustibles fòssils, el consum d'aigua associat a l'electricitat és molt més alt que l'aigua real consumida durant l'electròlisi.
Per exemple, la generació d'energia a partir de gas pot utilitzar fins a 2.500 litres/MWh d'aigua. També és el millor cas per als combustibles fòssils (gas natural). Si es considera la gasificació del carbó, la producció d'hidrogen pot consumir 31-31,8 kgH2O/kgH2 i la producció de carbó pot consumir 14,7 kgH2O/kgH2. També s'espera que el consum d'aigua procedent de la fotovoltaica i l'eòlica disminueixi amb el temps a mesura que els processos de fabricació esdevinguin més eficients i la producció d'energia per unitat de capacitat instal·lada millori.
Consum total d'aigua el 2050
Es preveu que el món utilitzi moltes vegades més hidrogen en el futur que avui dia. Per exemple, el World Energy Transitions Outlook d'IRENA estima que la demanda d'hidrogen el 2050 serà d'uns 74 EJ, dels quals aproximadament dos terços provindran d'hidrogen renovable. En comparació, avui dia (hidrogen pur) és de 8,4 EJ.
Fins i tot si l'hidrogen electrolític pogués satisfer la demanda d'hidrogen per a tot el 2050, el consum d'aigua seria d'uns 25.000 milions de metres cúbics. La figura següent compara aquesta xifra amb altres fluxos de consum d'aigua artificials. L'agricultura utilitza la major quantitat, 280.000 milions de metres cúbics d'aigua, mentre que la indústria utilitza gairebé 800.000 milions de metres cúbics i les ciutats utilitzen 470.000 milions de metres cúbics. El consum actual d'aigua per a la reforma del gas natural i la gasificació del carbó per a la producció d'hidrogen és d'uns 1.500 milions de metres cúbics.
Així, tot i que s'espera que es consumeixin grans quantitats d'aigua a causa dels canvis en les vies electrolítiques i la creixent demanda, el consum d'aigua procedent de la producció d'hidrogen seguirà sent molt menor que altres fluxos utilitzats pels humans. Un altre punt de referència és que el consum d'aigua per càpita se situa entre 75 (Luxemburg) i 1.200 (EUA) metres cúbics anuals. Amb una mitjana de 400 m3 / (per càpita * any), la producció total d'hidrogen el 2050 equival a la d'un país de 62 milions de persones.
Quant costa l'aigua i quanta energia es consumeix
cost
Les cel·les electrolítiques requereixen aigua d'alta qualitat i requereixen tractament d'aigua. L'aigua de menor qualitat comporta una degradació més ràpida i una vida útil més curta. Molts elements, inclosos els diafragmes i els catalitzadors utilitzats en els alcalins, així com les membranes i les capes de transport poroses dels PEM, poden veure's afectats negativament per les impureses de l'aigua com el ferro, el crom, el coure, etc. La conductivitat de l'aigua ha de ser inferior a 1 μS/cm i el carboni orgànic total inferior a 50 μg/L.
L'aigua representa una part relativament petita del consum i els costos d'energia. El pitjor escenari per a tots dos paràmetres és la dessalinització. L'osmosi inversa és la principal tecnologia per a la dessalinització, representant gairebé el 70 per cent de la capacitat global. La tecnologia costa entre 1900 i 2000 dòlars/m³/d i té una taxa de corba d'aprenentatge del 15%. Amb aquest cost d'inversió, el cost del tractament és d'aproximadament 1 dòlar/m³ i pot ser inferior a les zones on els costos d'electricitat són baixos.
A més, els costos d'enviament augmentaran uns 1-2 dòlars per m³. Fins i tot en aquest cas, els costos de tractament d'aigua són d'uns 0,05 dòlars/kgH2. Per posar-ho en perspectiva, el cost de l'hidrogen renovable pot ser de 2-3 dòlars/kgH2 si hi ha bons recursos renovables disponibles, mentre que el cost del recurs mitjà és de 4-5 dòlars/kgH2.
Així doncs, en aquest escenari conservador, l'aigua costaria menys del 2% del total. L'ús d'aigua de mar pot augmentar la quantitat d'aigua recuperada entre 2,5 i 5 vegades (en termes de factor de recuperació).
Consum d'energia
Si mirem el consum d'energia de la dessalinització, també és molt petit en comparació amb la quantitat d'electricitat necessària per introduir la cel·la electrolítica. La unitat d'osmosi inversa que funciona actualment consumeix uns 3,0 kW/m3. En canvi, les plantes de dessalinització tèrmiques tenen un consum d'energia molt més elevat, que oscil·la entre els 40 i els 80 kWH/m3, amb requisits d'energia addicionals que oscil·len entre els 2,5 i els 5 kWH/m3, depenent de la tecnologia de dessalinització. Prenent com a exemple el cas conservador (és a dir, una demanda d'energia més alta) d'una planta de cogeneració, suposant l'ús d'una bomba de calor, la demanda d'energia es convertiria a uns 0,7 kWh/kg d'hidrogen. Per posar-ho en perspectiva, la demanda d'electricitat de la cel·la electrolítica és d'uns 50-55 kWh/kg, de manera que fins i tot en el pitjor dels casos, la demanda d'energia per a la dessalinització és d'aproximadament l'1% de l'entrada d'energia total al sistema.
Un repte de la dessalinització és l'eliminació d'aigua salada, que pot tenir un impacte en els ecosistemes marins locals. Aquesta salmorra es pot tractar addicionalment per reduir el seu impacte ambiental, afegint així entre 0,6 i 2,40 dòlars/m³ al cost de l'aigua. A més, la qualitat de l'aigua electrolítica és més estricta que la de l'aigua potable i pot comportar uns costos de tractament més elevats, però s'espera que això sigui petit en comparació amb l'energia absorbida.
La petjada hídrica de l'aigua electrolítica per a la producció d'hidrogen és un paràmetre de localització molt específic que depèn de la disponibilitat, el consum, la degradació i la contaminació de l'aigua local. Cal tenir en compte l'equilibri dels ecosistemes i l'impacte de les tendències climàtiques a llarg termini. El consum d'aigua serà un obstacle important per a l'ampliació de l'hidrogen renovable.
Data de publicació: 08-03-2023