Quelle quantité d'eau est consommée par l'électrolyse
Première étape : la production d'hydrogène
La consommation d'eau provient de deux étapes : la production d'hydrogène et la production de vecteurs énergétiques en amont. Pour la production d'hydrogène, la consommation minimale d'eau électrolysée est d'environ 9 kg d'eau par kilogramme d'hydrogène. Cependant, compte tenu du processus de déminéralisation de l'eau, ce ratio peut varier de 18 à 24 kg d'eau par kilogramme d'hydrogène, voire de 25,7 à 30,2 kg..
Pour le processus de production existant (reformage à la vapeur du méthane), la consommation d'eau minimale est de 4,5 kgH2O/kgH2 (nécessaire à la réaction), en tenant compte de l'eau de procédé et du refroidissement, la consommation d'eau minimale est de 6,4 à 32,2 kgH2O/kgH2.
Étape 2 : Sources d’énergie (électricité renouvelable ou gaz naturel)
Un autre élément est la consommation d'eau pour produire de l'électricité renouvelable et du gaz naturel. La consommation d'eau de l'énergie photovoltaïque varie entre 50 et 400 litres/MWh (2,4 à 19 kgH2O/kgH2) et celle de l'énergie éolienne entre 5 et 45 litres/MWh (0,2 à 2,1 kgH2O/kgH2). De même, la production de gaz de schiste (selon les données américaines) peut être augmentée de 1,14 kgH2O/kgH2 à 4,9 kgH2O/kgH2.
En conclusion, la consommation totale moyenne d'eau de l'hydrogène produit par la production d'énergie photovoltaïque et éolienne est respectivement d'environ 32 et 22 kgH2O/kgH2. Les incertitudes proviennent du rayonnement solaire, de la durée de vie et de la teneur en silicium. Cette consommation d'eau est du même ordre de grandeur que la production d'hydrogène à partir du gaz naturel (7,6-37 kgH2O/kgH2, avec une moyenne de 22 kgH2O/kgH2).
Empreinte hydrique totale : plus faible en utilisant des énergies renouvelables
Tout comme pour les émissions de CO2, l'utilisation de sources d'énergie renouvelables est une condition préalable à une faible empreinte hydrique pour les procédés électrolytiques. Si seule une faible fraction de l'électricité est produite à partir de combustibles fossiles, la consommation d'eau associée à l'électricité est bien supérieure à la consommation réelle d'eau lors de l'électrolyse.
Par exemple, la production d'électricité à partir de gaz peut consommer jusqu'à 2 500 litres/MWh d'eau. C'est également le cas le plus favorable pour les combustibles fossiles (gaz naturel). Si l'on considère la gazéification du charbon, la production d'hydrogène peut consommer entre 31 et 31,8 kgH2O/kgH2 et la production de charbon, 14,7 kgH2O/kgH2. La consommation d'eau des énergies photovoltaïques et éoliennes devrait également diminuer au fil du temps, grâce à l'amélioration de l'efficacité des procédés de fabrication et à l'amélioration de la production d'énergie par unité de capacité installée.
Consommation totale d'eau en 2050
On s'attend à ce que la consommation mondiale d'hydrogène soit bien plus importante qu'aujourd'hui. Par exemple, les Perspectives mondiales sur les transitions énergétiques de l'IRENA estiment que la demande d'hydrogène en 2050 sera d'environ 74 EJ, dont environ les deux tiers proviendront d'hydrogène renouvelable. À titre de comparaison, la consommation actuelle d'hydrogène pur est de 8,4 EJ.
Même si l'hydrogène électrolytique pouvait répondre à la demande d'hydrogène sur l'ensemble de l'année 2050, la consommation d'eau serait d'environ 25 milliards de mètres cubes. Le graphique ci-dessous compare ce chiffre à celui d'autres sources de consommation d'eau artificielles. L'agriculture consomme la plus grande quantité d'eau, soit 280 milliards de mètres cubes, l'industrie près de 800 milliards de mètres cubes et les villes 470 milliards de mètres cubes. La consommation d'eau actuelle liée au reformage du gaz naturel et à la gazéification du charbon pour la production d'hydrogène est d'environ 1,5 milliard de mètres cubes.
Ainsi, bien que de grandes quantités d'eau soient attendues en raison de l'évolution des voies électrolytiques et de la demande croissante, la consommation d'eau issue de la production d'hydrogène restera bien inférieure aux autres flux utilisés par l'homme. Autre point de référence : la consommation d'eau par habitant se situe entre 75 (Luxembourg) et 1 200 (États-Unis) mètres cubes par an. Avec une moyenne de 400 m³/an par habitant, la production totale d'hydrogène en 2050 équivaut à celle d'un pays de 62 millions d'habitants.
Combien coûte l'eau et quelle quantité d'énergie est utilisée
coût
Les cellules électrolytiques nécessitent une eau de haute qualité et un traitement de l'eau. Une eau de moindre qualité entraîne une dégradation plus rapide et une durée de vie plus courte. De nombreux éléments, notamment les diaphragmes et les catalyseurs utilisés dans les solutions alcalines, ainsi que les membranes et les couches de transport poreuses des PEM, peuvent être affectés par les impuretés de l'eau telles que le fer, le chrome, le cuivre, etc. La conductivité de l'eau doit être inférieure à 1 μS/cm et la teneur en carbone organique total inférieure à 50 μg/L.
L'eau représente une part relativement faible de la consommation et des coûts énergétiques. Le scénario le plus défavorable pour ces deux paramètres est le dessalement. L'osmose inverse est la principale technologie de dessalement, représentant près de 70 % de la capacité mondiale. Cette technologie coûte entre 1 900 et 2 000 dollars par m³/j et présente une courbe d'apprentissage de 15 %. À ce coût d'investissement, le coût du traitement est d'environ 1 dollar par m³, et peut être inférieur dans les régions où les coûts d'électricité sont faibles.
De plus, les frais de transport augmenteront d'environ 1 à 2 $ par m³. Même dans ce cas, les coûts de traitement de l'eau s'élèvent à environ 0,05 $/kgH². À titre de comparaison, le coût de l'hydrogène renouvelable peut atteindre 2 à 3 $/kgH² si de bonnes ressources renouvelables sont disponibles, tandis que le coût d'une ressource moyenne est de 4 à 5 $/kgH².
Ainsi, dans ce scénario conservateur, l'eau coûterait moins de 2 % du total. L'utilisation de l'eau de mer peut multiplier par 2,5 à 5 la quantité d'eau récupérée (en termes de facteur de récupération).
Consommation d'énergie
La consommation énergétique du dessalement est également très faible comparée à la quantité d'électricité nécessaire à l'alimentation de la cellule électrolytique. L'unité d'osmose inverse en fonctionnement consomme environ 3,0 kW/m³. En revanche, les usines de dessalement thermique ont une consommation énergétique beaucoup plus élevée, comprise entre 40 et 80 kWh/m³, avec des besoins énergétiques supplémentaires allant de 2,5 à 5 kWh/m³, selon la technologie de dessalement. Dans le cas conservateur (c'est-à-dire avec une demande énergétique plus élevée) d'une centrale de cogénération, en supposant l'utilisation d'une pompe à chaleur, la demande énergétique serait convertie à environ 0,7 kWh/kg d'hydrogène. À titre de comparaison, la demande électrique de la cellule électrolytique est d'environ 50 à 55 kWh/kg ; donc, même dans le pire des cas, la demande énergétique du dessalement représente environ 1 % de l'apport énergétique total du système.
L'un des défis du dessalement réside dans l'élimination de l'eau salée, qui peut avoir un impact sur les écosystèmes marins locaux. Cette saumure peut être traitée davantage pour réduire son impact environnemental, ce qui augmente le coût de l'eau de 0,6 à 2,40 $/m³. De plus, la qualité de l'eau électrolytique est plus stricte que celle de l'eau potable et peut entraîner des coûts de traitement plus élevés, mais qui devraient rester faibles par rapport à la consommation d'énergie.
L'empreinte hydrique de l'eau électrolytique utilisée pour la production d'hydrogène est un paramètre local très spécifique qui dépend de la disponibilité, de la consommation, de la dégradation et de la pollution de l'eau au niveau local. L'équilibre des écosystèmes et l'impact des tendances climatiques à long terme doivent être pris en compte. La consommation d'eau constituera un obstacle majeur au développement de l'hydrogène renouvelable.
Date de publication : 08/03/2023