¿Cuánta agua se consume en la electrólisis?
Primer paso: Producción de hidrógeno
El consumo de agua proviene de dos etapas: la producción de hidrógeno y la producción del portador de energía 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, teniendo en cuenta el proceso de desmineralización del agua, esta proporción puede variar de 18 a 24 kilogramos de agua por kilogramo de hidrógeno, o incluso llegar a 25,7 a 30,2..
Para el proceso de producción existente (reformado de metano con vapor), el consumo mínimo de agua es de 4,5 kg H2O/kg H2 (necesario para la reacción); teniendo en cuenta el agua de proceso y la refrigeración, el consumo mínimo de agua es de 6,4 a 32,2 kg H2O/kg H2.
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 manera similar, la producción de gas a partir 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 para la producción de hidrógeno mediante energía fotovoltaica y eólica es de aproximadamente 32 y 22 kg H₂O/kg H₂, respectivamente. Las incertidumbres se deben a la radiación solar, la vida útil y el contenido de silicio. Este consumo de agua es del mismo orden de magnitud que el de la producción de hidrógeno a partir de gas natural (7,6-37 kg H₂O/kg H₂, con un promedio de 22 kg H₂O/kg H₂).
Huella hídrica total: Menor cuando se utiliza energía renovable.
Al igual que con las emisiones de CO2, un requisito indispensable para lograr una baja huella hídrica en los procesos electrolíticos es el uso de fuentes de energía renovables. Si solo una pequeña fracción de la electricidad se genera a partir de combustibles fósiles, el consumo de agua asociado a la generación de electricidad es mucho mayor que el agua consumida durante la electrólisis.
Por ejemplo, la generación de energía a partir de gas puede consumir hasta 2500 litros/MWh de agua. Este es también el mejor escenario para los combustibles fósiles (gas natural). Si se considera la gasificación del carbón, la producción de hidrógeno puede consumir entre 31 y 31,8 kg H₂O/kg H₂ y la producción de carbón, 14,7 kg H₂O/kg H₂. Se prevé que el consumo de agua procedente de la energía fotovoltaica y eólica también 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 en el futuro el mundo utilice mucho más hidrógeno que en la actualidad. Por ejemplo, el informe Perspectivas de Transición Energética Mundial de IRENA estima que la demanda de hidrógeno en 2050 será de aproximadamente 74 EJ, de los cuales cerca de dos tercios provendrán de hidrógeno renovable. En comparación, hoy en día (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 mil millones de metros cúbicos. La siguiente figura compara esta cifra con otros usos del agua generados por el ser humano. La agricultura utiliza la mayor cantidad, 280 mil millones de metros cúbicos, mientras que la industria utiliza casi 800 mil millones de metros cúbicos y las ciudades, 470 mil millones de metros cúbicos. El consumo actual de agua para el reformado de gas natural y la gasificación del carbón para la producción de hidrógeno es de aproximadamente 1.5 mil millones de metros cúbicos.
Así, aunque se prevé un consumo elevado 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 la humanidad. Otro punto de referencia es que el consumo de agua per cápita oscila 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 utiliza.
costo
Las celdas electrolíticas requieren agua de alta calidad y tratamiento previo. El agua de menor calidad acelera su degradación y reduce su vida útil. Muchos componentes, como los diafragmas y catalizadores utilizados en sistemas alcalinos, así como las membranas y las capas de transporte porosas de las celdas de intercambio protónico (PEM), pueden verse afectados negativamente por impurezas del agua como hierro, cromo, cobre, etc. Se requiere una conductividad del agua inferior a 1 μS/cm y un contenido total de carbono orgánico inferior a 50 μg/L.
El agua representa una proporción relativamente pequeña del consumo y los costos energéticos. El peor escenario posible para ambos parámetros es la desalinización. La ósmosis inversa es la principal tecnología de desalinización, representando casi el 70 % de la capacidad global. Esta tecnología cuesta entre 1900 y 2000 dólares por metro cúbico al día y tiene una curva de aprendizaje del 15 %. Con esta inversión, el costo del tratamiento es de aproximadamente 1 dólar por metro cúbico, y puede ser menor en zonas con bajos costos de electricidad.
Además, los costos de envío aumentarán entre 1 y 2 dólares por metro cúbico. Incluso en este caso, los costos de tratamiento de agua rondan los 0,05 dólares por kg de H₂. Para ponerlo en perspectiva, el costo del hidrógeno renovable puede ser de 2 a 3 dólares por kg de H₂ si se dispone de buenos recursos renovables, mientras que el costo del recurso promedio es de 4 a 5 dólares por kg de H₂.
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
Si observamos el consumo energético de la desalinización, también es muy pequeño en comparación con la cantidad de electricidad necesaria para alimentar la celda electrolítica. La unidad de ósmosis inversa en funcionamiento actualmente consume alrededor de 3,0 kW/m³. En cambio, las plantas de desalinización térmica tienen un consumo energético mucho mayor, que oscila entre 40 y 80 kWh/m³, con requerimientos de potencia adicionales que varían entre 2,5 y 5 kWh/m³, según la tecnología de desalinización. Tomando como ejemplo el caso más 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 eléctrica 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 representa alrededor del 1 % de la energía total suministrada al sistema.
Uno de los retos de la desalinización es la eliminación del agua salada, que puede afectar a los ecosistemas marinos locales. Esta salmuera puede someterse a un tratamiento adicional para reducir su impacto ambiental, lo que supone un incremento de entre 0,6 y 2,40 $/m³ en el coste del agua. Además, la calidad del agua electrolítica es más estricta que la del agua potable y puede generar mayores costes de tratamiento, aunque se prevé que este incremento sea mínimo en comparación con el consumo energético.
La huella hídrica del agua electrolítica para la producción de hidrógeno es un parámetro muy específico de cada lugar, 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.
Fecha de publicación: 8 de marzo de 2023