¿Cuánta agua se consume mediante electrólisis?

¿Cuánta agua se consume mediante electrólisis?

Paso uno: producción de hidrógeno

El consumo de agua se produce en dos etapas: la producción de hidrógeno y la producción de vectores energéticos aguas arriba. Para la producción de hidrógeno, el consumo mínimo de agua electrolizada es de aproximadamente 9 kilogramos de agua por kilogramo de hidrógeno. Sin embargo, considerando el proceso de desmineralización del agua, esta proporción puede oscilar entre 18 y 24 kilogramos de agua por kilogramo de hidrógeno, o incluso entre 25,7 y 30,2..

 

Para el proceso de producción existente (reformado con vapor de metano), el consumo mínimo de agua es de 4,5 kgH2O/kgH2 (necesario para la reacción), teniendo en cuenta el agua de proceso y la refrigeración, el consumo mínimo de agua es de 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.

 

Paso 2: Fuentes de energía (electricidad renovable o gas natural)

Otro componente es el consumo de agua para producir electricidad renovable y gas natural. El consumo de agua de la energía fotovoltaica varía entre 50 y 400 litros/MWh (2,4-19 kgH₂O/kgH₂) y el de la energía eólica, entre 5 y 45 litros/MWh (0,2-2,1 kgH₂O/kgH₂). De igual manera, la producción de gas de esquisto (según datos de EE. UU.) puede aumentar de 1,14 kgH₂O/kgH₂ a 4,9 kgH₂O/kgH₂.

 

En conclusión, el consumo total promedio de agua del hidrógeno generado mediante la generación de energía fotovoltaica y eólica es de aproximadamente 32 y 22 kgH₂O/kgH₂, respectivamente. Las incertidumbres provienen de la radiación solar, la vida útil y el contenido de silicio. Este consumo de agua es similar al de la producción de hidrógeno a partir de gas natural (7,6-37 kgH₂O/kgH₂, con un promedio de 22 kgH₂O/kgH₂).

 

Huella hídrica total: menor cuando se utilizan energías renovables

Al igual que las emisiones de CO2, un requisito previo para una baja huella hídrica en las rutas electrolíticas es el uso de fuentes de energía renovables. Si solo una pequeña fracción de la electricidad se genera con combustibles fósiles, el consumo de agua asociado a la electricidad es mucho mayor que el agua consumida durante la electrólisis.

 

Por ejemplo, la generación de energía a gas puede consumir hasta 2500 litros/MWh de agua. Este es también el caso óptimo para los combustibles fósiles (gas natural). Si se considera la gasificación del carbón, la producción de hidrógeno puede consumir entre 31 y 31,8 kgH₂O/kgH₂, y la producción de carbón, 14,7 kgH₂O/kgH₂. También se prevé que el consumo de agua de las energías fotovoltaica y eólica disminuya con el tiempo a medida que los procesos de fabricación se vuelvan más eficientes y mejore la producción de energía por unidad de capacidad instalada.

 

Consumo total de agua en 2050

Se prevé que el mundo utilice mucho más hidrógeno en el futuro que en la actualidad. Por ejemplo, el informe World Energy Transitions Outlook de IRENA estima que la demanda de hidrógeno en 2050 será de aproximadamente 74 EJ, de los cuales aproximadamente dos tercios provendrán de hidrógeno renovable. En comparación, hoy en día (el hidrógeno puro) es de 8,4 EJ.

 

Incluso si el hidrógeno electrolítico pudiera satisfacer la demanda de hidrógeno para todo el año 2050, el consumo de agua sería de aproximadamente 25 000 millones de metros cúbicos. La figura a continuación compara esta cifra con otras fuentes de consumo de agua generadas por el hombre. La agricultura utiliza la mayor cantidad de agua, con 280 000 millones de metros cúbicos, mientras que la industria utiliza casi 800 000 millones de metros cúbicos y las ciudades, 470 000 millones de metros cúbicos. El consumo actual de agua para la reforma de gas natural y la gasificación de carbón para la producción de hidrógeno es de aproximadamente 1500 millones de metros cúbicos.

Por lo tanto, aunque se prevé un gran consumo de agua debido a los cambios en las vías electrolíticas y a la creciente demanda, el consumo de agua para la producción de hidrógeno seguirá siendo mucho menor que el de otros flujos utilizados por los seres humanos. Otro punto de referencia es que el consumo de agua per cápita se sitúa entre 75 (Luxemburgo) y 1200 (EE. UU.) metros cúbicos al año. Con un promedio de 400 m³/(per cápita*año), la producción total de hidrógeno en 2050 equivale a la de un país de 62 millones de habitantes.

 

¿Cuánto cuesta el agua y cuánta energía se consume?

 

costo

Las celdas electrolíticas requieren agua de alta calidad y requieren tratamiento. Un agua de menor calidad acelera su degradación y acorta su vida útil. Muchos elementos, como los diafragmas y catalizadores utilizados en las celdas alcalinas, así como las membranas y las capas de transporte porosas de las celdas PEM, pueden verse afectados negativamente por impurezas del agua como hierro, cromo, cobre, etc. La conductividad del agua debe ser inferior a 1 μS/cm y el carbono orgánico total inferior a 50 μg/L.

 

El agua representa una proporción relativamente pequeña del consumo y los costos energéticos. El peor escenario para ambos parámetros es la desalinización. La ósmosis inversa es la principal tecnología de desalinización, representando casi el 70 % de la capacidad mundial. Esta tecnología cuesta entre 1900 y 2000 dólares/m³/día y tiene una curva de aprendizaje del 15 %. Con este costo de inversión, el costo del tratamiento es de aproximadamente 1 dólar/m³, y puede ser menor en zonas con costos de electricidad bajos.

 

Además, los costos de envío aumentarán entre 1 y 2 dólares por m³. Incluso en este caso, el costo del tratamiento del agua ronda los 0,05 dólares/kgH₂. Para ponerlo en perspectiva, el costo del hidrógeno renovable puede ser de 2 a 3 dólares/kgH₂ si se dispone de buenos recursos renovables, mientras que el costo promedio de un recurso es de 4 a 5 dólares/kgH₂.

 

En este escenario conservador, el agua costaría menos del 2% del total. El uso de agua de mar puede aumentar la cantidad de agua recuperada entre 2,5 y 5 veces (en términos de factor de recuperación).

 

Consumo de energía

En cuanto al consumo energético de la desalinización, este también es muy bajo en comparación con la cantidad de electricidad necesaria para la entrada de la celda electrolítica. La unidad de ósmosis inversa en funcionamiento actual consume alrededor de 3,0 kW/m³. Por el contrario, las plantas de desalinización térmica tienen un consumo energético mucho mayor, que oscila entre 40 y 80 KWH/m³, con requisitos de potencia adicionales que oscilan entre 2,5 y 5 KWH/m³, dependiendo de la tecnología de desalinización. Tomando como ejemplo el caso conservador (es decir, una mayor demanda energética) de una planta de cogeneración, suponiendo el uso de una bomba de calor, la demanda energética se convertiría en aproximadamente 0,7 kWh/kg de hidrógeno. Para poner esto en perspectiva, la demanda de electricidad de la celda electrolítica es de aproximadamente 50-55 kWh/kg, por lo que incluso en el peor de los casos, la demanda energética para la desalinización es de aproximadamente el 1 % de la entrada total de energía al sistema.

 

Un desafío de la desalinización es la eliminación del agua salada, que puede afectar a los ecosistemas marinos locales. Esta salmuera puede tratarse adicionalmente para reducir su impacto ambiental, lo que aumenta el costo del agua entre 0,6 y 2,40 $/m³. Además, la calidad del agua electrolítica es más rigurosa que la del agua potable y puede resultar en costos de tratamiento más altos, pero se espera que estos sean bajos en comparación con el consumo de energía.

La huella hídrica del agua electrolítica para la producción de hidrógeno es un parámetro de ubicación muy específico que depende de la disponibilidad, el consumo, la degradación y la contaminación del agua a nivel local. Debe considerarse el equilibrio de los ecosistemas y el impacto de las tendencias climáticas a largo plazo. El consumo de agua será un obstáculo importante para la expansión del hidrógeno renovable.