Quanta acqua viene consumata dall'elettrolisi
Fase uno: produzione di idrogeno
Il consumo di acqua deriva da due fasi: la produzione di idrogeno e la produzione a monte del vettore energetico. Per la produzione di idrogeno, il consumo minimo di acqua elettrolizzata è di circa 9 chilogrammi di acqua per chilogrammo di idrogeno. Tuttavia, tenendo conto del processo di demineralizzazione dell'acqua, questo rapporto può variare da 18 a 24 chilogrammi di acqua per chilogrammo di idrogeno, o addirittura raggiungere 25,7-30,2..
Per l'attuale processo di produzione (reforming del metano con vapore), il consumo minimo di acqua è di 4,5 kgH2O/kgH2 (necessario per la reazione); tenendo conto dell'acqua di processo e del raffreddamento, il consumo minimo di acqua è di 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.
Fase 2: Fonti energetiche (elettricità rinnovabile o gas naturale)
Un'altra componente è il consumo di acqua per la produzione di energia elettrica rinnovabile e gas naturale. Il consumo di acqua per l'energia fotovoltaica varia tra 50 e 400 litri/MWh (2,4-19 kgH₂O/kgH₂) e quello per l'energia eolica tra 5 e 45 litri/MWh (0,2-2,1 kgH₂O/kgH₂). Analogamente, la produzione di gas da gas di scisto (in base a dati statunitensi) può essere aumentata da 1,14 kgH₂O/kgH₂ a 4,9 kgH₂O/kgH₂.
In conclusione, il consumo medio totale di acqua per l'idrogeno generato da impianti fotovoltaici ed eolici è rispettivamente di circa 32 e 22 kgH₂O/kgH₂. Le incertezze derivano dalla radiazione solare, dalla durata di vita e dal contenuto di silicio. Questo consumo di acqua è dello stesso ordine di grandezza della produzione di idrogeno da gas naturale (7,6-37 kgH₂O/kgH₂, con una media di 22 kgH₂O/kgH₂).
Impronta idrica totale: inferiore quando si utilizza energia rinnovabile
Analogamente alle emissioni di CO2, un prerequisito per un basso impatto idrico nei processi elettrolitici è l'utilizzo di fonti energetiche rinnovabili. Se solo una piccola parte dell'elettricità viene generata utilizzando combustibili fossili, il consumo di acqua associato all'elettricità è molto superiore a quello effettivamente consumato durante l'elettrolisi.
Ad esempio, la produzione di energia elettrica a gas può utilizzare fino a 2.500 litri/MWh di acqua. È anche il caso migliore per i combustibili fossili (gas naturale). Se si considera la gassificazione del carbone, la produzione di idrogeno può consumare 31-31,8 kgH₂O/kgH₂, mentre la produzione di carbone può consumare 14,7 kgH₂O/kgH₂. Si prevede che anche il consumo di acqua da fotovoltaico ed eolico diminuirà nel tempo, con l'aumento dell'efficienza dei processi produttivi e il miglioramento della produzione energetica per unità di capacità installata.
Consumo totale di acqua nel 2050
Si prevede che in futuro il mondo utilizzerà una quantità di idrogeno notevolmente superiore a quella attuale. Ad esempio, il World Energy Transitions Outlook di IRENA stima che la domanda di idrogeno nel 2050 sarà di circa 74 EJ, di cui circa due terzi proverranno da idrogeno rinnovabile. A titolo di confronto, oggi (idrogeno puro) è di 8,4 EJ.
Anche se l'idrogeno elettrolitico potesse soddisfare la domanda di idrogeno per l'intero 2050, il consumo di acqua ammonterebbe a circa 25 miliardi di metri cubi. Il grafico seguente confronta questa cifra con altri flussi di consumo idrico artificiali. L'agricoltura utilizza la quantità maggiore di acqua, 280 miliardi di metri cubi, mentre l'industria ne utilizza quasi 800 miliardi e le città 470 miliardi. L'attuale consumo di acqua per il reforming del gas naturale e la gassificazione del carbone per la produzione di idrogeno è di circa 1,5 miliardi di metri cubi.
Pertanto, sebbene si preveda un consumo di grandi quantità d'acqua a causa dei cambiamenti nei percorsi elettrolitici e della crescente domanda, il consumo di acqua derivante dalla produzione di idrogeno sarà comunque molto inferiore rispetto ad altri flussi utilizzati dall'uomo. Un altro punto di riferimento è che il consumo d'acqua pro capite è compreso tra 75 (Lussemburgo) e 1.200 (Stati Uniti) metri cubi all'anno. Con una media di 400 m³ / (pro capite * anno), la produzione totale di idrogeno nel 2050 equivarrebbe a quella di un paese di 62 milioni di persone.
Quanto costa l'acqua e quanta energia viene utilizzata
costo
Le celle elettrolitiche richiedono acqua di alta qualità e necessitano di un trattamento specifico. Un'acqua di qualità inferiore comporta una degradazione più rapida e una durata più breve. Molti elementi, inclusi i diaframmi e i catalizzatori utilizzati nelle soluzioni alcaline, così come le membrane e gli strati porosi di trasporto delle celle elettrolitiche (PEM), possono essere influenzati negativamente dalla presenza di impurità nell'acqua come ferro, cromo, rame, ecc. La conduttività dell'acqua deve essere inferiore a 1 μS/cm e il carbonio organico totale inferiore a 50 μg/L.
L'acqua rappresenta una quota relativamente piccola del consumo energetico e dei costi. Lo scenario peggiore per entrambi i parametri è la desalinizzazione. L'osmosi inversa è la principale tecnologia di desalinizzazione, rappresentando quasi il 70% della capacità globale. La tecnologia costa 1900-2000 dollari / m³/giorno e ha una curva di apprendimento del 15%. A questo costo di investimento, il costo del trattamento è di circa 1 dollaro / m³ e potrebbe essere inferiore nelle aree in cui i costi dell'elettricità sono bassi.
Inoltre, i costi di spedizione aumenteranno di circa 1-2 dollari al m³. Anche in questo caso, i costi di trattamento delle acque si aggirano intorno a 0,05 dollari/kgH₂. Per fare un paragone, il costo dell'idrogeno rinnovabile può essere di 2-3 dollari/kgH₂ se sono disponibili buone risorse rinnovabili, mentre il costo della risorsa media è di 4-5 dollari/kgH₂.
Quindi, in questo scenario conservativo, l'acqua costerebbe meno del 2% del totale. L'uso di acqua di mare può aumentare la quantità di acqua recuperata da 2,5 a 5 volte (in termini di fattore di recupero).
Consumo energetico
Considerando il consumo energetico della dissalazione, esso risulta molto ridotto rispetto alla quantità di elettricità necessaria per alimentare la cella elettrolitica. L'attuale unità a osmosi inversa in funzione consuma circa 3,0 kW/m³. Al contrario, gli impianti di dissalazione termica hanno un consumo energetico molto più elevato, che varia da 40 a 80 kWh/m³, con un fabbisogno energetico aggiuntivo che varia da 2,5 a 5 kWh/m³, a seconda della tecnologia di dissalazione. Prendendo come esempio il caso conservativo (ovvero con un maggiore fabbisogno energetico) di un impianto di cogenerazione, ipotizzando l'utilizzo di una pompa di calore, il fabbisogno energetico si tradurrebbe in circa 0,7 kWh/kg di idrogeno. Per contestualizzare, il fabbisogno elettrico della cella elettrolitica è di circa 50-55 kWh/kg, quindi anche nello scenario peggiore, il fabbisogno energetico per la dissalazione è pari a circa l'1% dell'energia totale immessa nel sistema.
Una sfida della desalinizzazione è lo smaltimento dell'acqua salata, che può avere un impatto negativo sugli ecosistemi marini locali. Questa salamoia può essere ulteriormente trattata per ridurne l'impatto ambientale, aggiungendo così altri 0,6-2,40 dollari/m³ al costo dell'acqua. Inoltre, la qualità dell'acqua elettrolitica è più rigorosa rispetto a quella dell'acqua potabile e può comportare costi di trattamento più elevati, che tuttavia si prevede saranno comunque contenuti rispetto all'energia elettrica consumata.
L'impronta idrica dell'acqua elettrolitica per la produzione di idrogeno è un parametro di localizzazione molto specifico che dipende dalla disponibilità idrica locale, dal consumo, dal degrado e dall'inquinamento. È necessario considerare l'equilibrio degli ecosistemi e l'impatto delle tendenze climatiche a lungo termine. Il consumo di acqua rappresenterà un ostacolo importante all'aumento su larga scala dell'idrogeno rinnovabile.
Data di pubblicazione: 08-03-2023