Canta auga se consume pola electrólise
Paso 1: Produción de hidróxeno
O consumo de auga provén de dúas etapas: a produción de hidróxeno e a produción augas arriba do portador de enerxía. Para a produción de hidróxeno, o consumo mínimo de auga electrolizada é de aproximadamente 9 quilogramos de auga por quilogramo de hidróxeno. Non obstante, tendo en conta o proceso de desmineralización da auga, esta proporción pode variar de 18 a 24 quilogramos de auga por quilogramo de hidróxeno, ou incluso ata 25,7 a 30,2..
Para o proceso de produción existente (reformado de metano con vapor), o consumo mínimo de auga é de 4,5 kgH2O/kgH2 (necesario para a reacción); tendo en conta a auga de proceso e o arrefriamento, o consumo mínimo de auga é de 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.
Paso 2: Fontes de enerxía (electricidade renovable ou gas natural)
Outro compoñente é o consumo de auga para producir electricidade renovable e gas natural. O consumo de auga da enerxía fotovoltaica varía entre 50 e 400 litros/MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2) e o da enerxía eólica entre 5 e 45 litros/MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2). Do mesmo xeito, a produción de gas a partir de gas de xisto (segundo datos dos Estados Unidos) pode aumentarse de 1,14 kgH2O/kgH2 a 4,9 kgH2O/kgH2.
En conclusión, o consumo total medio de auga xerada por hidróxeno xerado pola xeración de enerxía fotovoltaica e a xeración de enerxía eólica é duns 32 e 22 kgH2O/kgH2, respectivamente. As incertezas proveñen da radiación solar, a vida útil e o contido de silicio. Este consumo de auga é da mesma orde de magnitude que a produción de hidróxeno a partir do gas natural (7,6-37 kgh2O/kgH2, cunha media de 22 kgH2O/kgH2).
Pegada hídrica total: Menor ao usar enerxía renovable
Do mesmo xeito que as emisións de CO2, un requisito previo para unha baixa pegada hídrica para as rutas electrolíticas é o uso de fontes de enerxía renovables. Se só unha pequena fracción da electricidade se xera con combustibles fósiles, o consumo de auga asociado á electricidade é moito maior que a auga real consumida durante a electrólise.
Por exemplo, a xeración de enerxía a gas pode consumir ata 2.500 litros/MWh de auga. Tamén é o mellor caso para os combustibles fósiles (gas natural). Se se considera a gasificación do carbón, a produción de hidróxeno pode consumir 31-31,8 kgH2O/kgH2 e a produción de carbón pode consumir 14,7 kgH2O/kgH2. Tamén se espera que o consumo de auga procedente da enerxía fotovoltaica e eólica diminúa co tempo a medida que os procesos de fabricación se volvan máis eficientes e a produción de enerxía por unidade de capacidade instalada mellore.
Consumo total de auga en 2050
Espérase que o mundo use moito máis hidróxeno no futuro que na actualidade. Por exemplo, o informe World Energy Transitions Outlook de IRENA estima que a demanda de hidróxeno en 2050 será duns 74 EJ, dos cales aproximadamente dous terzos provirán de hidróxeno renovable. En comparación, hoxe en día (hidróxeno puro) é de 8,4 EJ.
Mesmo se o hidróxeno electrolítico puidese satisfacer a demanda de hidróxeno para todo o ano 2050, o consumo de auga sería duns 25.000 millóns de metros cúbicos. A figura a continuación compara esta cifra con outras correntes de consumo de auga artificiais. A agricultura utiliza a maior cantidade, 280.000 millóns de metros cúbicos de auga, mentres que a industria utiliza case 800.000 millóns de metros cúbicos e as cidades utilizan 470.000 millóns de metros cúbicos. O consumo actual de auga para a reforma do gas natural e a gasificación do carbón para a produción de hidróxeno é duns 1.500 millóns de metros cúbicos.
Así, aínda que se espera que se consuman grandes cantidades de auga debido aos cambios nas vías electrolíticas e á crecente demanda, o consumo de auga procedente da produción de hidróxeno seguirá sendo moito menor que o doutros fluxos utilizados polos humanos. Outro punto de referencia é que o consumo de auga per cápita está entre 75 (Luxemburgo) e 1.200 (EE. UU.) metros cúbicos ao ano. Cunha media de 400 m3/(per cápita * ano), a produción total de hidróxeno en 2050 equivalerá á dun país de 62 millóns de habitantes.
Canto custa a auga e canta enerxía se usa
custo
As células electrolíticas requiren auga de alta calidade e requiren tratamento da auga. Unha auga de menor calidade leva a unha degradación máis rápida e a unha vida útil máis curta. Moitos elementos, incluídos os diafragmas e os catalizadores empregados en alcalinos, así como as membranas e as capas porosas de transporte dos PEM, poden verse afectados negativamente polas impurezas da auga, como o ferro, o cromo, o cobre, etc. A condutividade da auga debe ser inferior a 1 μS/cm e o carbono orgánico total inferior a 50 μg/L.
A auga representa unha parte relativamente pequena do consumo e dos custos enerxéticos. O peor escenario para ambos os parámetros é a desalinización. A osmose inversa é a principal tecnoloxía para a desalinización, representando case o 70 por cento da capacidade global. A tecnoloxía custa entre 1900 e 2000 dólares/m³/d e ten unha taxa de curva de aprendizaxe do 15 %. Con este custo de investimento, o custo do tratamento é de aproximadamente 1 dólar/m³ e pode ser menor en zonas onde os custos da electricidade son baixos.
Ademais, os custos de envío aumentarán uns 1-2 dólares por m³. Mesmo neste caso, os custos de tratamento da auga son duns 0,05 dólares/kgH2. Para poñer isto en perspectiva, o custo do hidróxeno renovable pode ser de 2-3 dólares/kgH2 se hai bos recursos renovables dispoñibles, mentres que o custo do recurso medio é de 4-5 dólares/kgH2.
Entón, neste escenario conservador, a auga custaría menos do 2 por cento do total. O uso de auga de mar pode aumentar a cantidade de auga recuperada entre 2,5 e 5 veces (en termos de factor de recuperación).
Consumo de enerxía
Observando o consumo de enerxía da desalación, tamén é moi pequeno en comparación coa cantidade de electricidade necesaria para introducir na célula electrolítica. A unidade de osmose inversa que funciona actualmente consome uns 3,0 kW/m3. Pola contra, as plantas de desalinización térmica teñen un consumo de enerxía moito maior, que oscila entre os 40 e os 80 kWH/m3, con requisitos de enerxía adicionais que oscilan entre os 2,5 e os 5 kWH/m3, dependendo da tecnoloxía de desalinización. Tomando como exemplo o caso conservador (é dicir, unha maior demanda de enerxía) dunha planta de coxeración, supoñendo o uso dunha bomba de calor, a demanda de enerxía converteríase a uns 0,7 kWh/kg de hidróxeno. Para poñer isto en perspectiva, a demanda de electricidade da célula electrolítica é duns 50-55 kWh/kg, polo que mesmo no peor dos casos, a demanda de enerxía para a desalación é de aproximadamente o 1 % da entrada total de enerxía ao sistema.
Un dos desafíos da desalación é a eliminación de auga salgada, que pode ter un impacto nos ecosistemas mariños locais. Esta salmoira pode ser tratada adicionalmente para reducir o seu impacto ambiental, engadindo así entre 0,6 e 2,40 $/m³ ao custo da auga. Ademais, a calidade da auga electrolítica é máis esixente que a da auga potable e pode resultar en custos de tratamento máis elevados, pero espérase que estes aínda sexan pequenos en comparación coa enerxía de entrada.
A pegada hídrica da auga electrolítica para a produción de hidróxeno é un parámetro de localización moi específico que depende da dispoñibilidade, o consumo, a degradación e a contaminación locais da auga. Débese ter en conta o equilibrio dos ecosistemas e o impacto das tendencias climáticas a longo prazo. O consumo de auga será un obstáculo importante para o aumento do hidróxeno renovable.
Data de publicación: 08-03-2023