Quanta acqua viene consumata dall'elettrolisi?

Quanta acqua viene consumata dall'elettrolisi?

Primo passo: 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 arrivare a 25,7-30,2..

 

Per il processo produttivo esistente (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 compreso tra 6,4 e 32,2 kgH2O/kgH2.

 

Fase 2: Fonti energetiche (elettricità rinnovabile o gas naturale)

Un altro elemento da considerare è il consumo di acqua per la produzione di elettricità e gas naturale da fonti rinnovabili. Il consumo idrico dell'energia fotovoltaica varia tra 50 e 400 litri/MWh (2,4-19 kgH2O/kgH2), mentre quello dell'energia eolica tra 5 e 45 litri/MWh (0,2-2,1 kgH2O/kgH2). Analogamente, la produzione di gas da scisti bituminosi (sulla base di dati statunitensi) può essere incrementata da 1,14 kgH2O/kgH2 a 4,9 kgH2O/kgH2.

 

In conclusione, il consumo idrico totale medio per la produzione di idrogeno 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 idrico 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 utilizzano energie rinnovabili.

Analogamente alle emissioni di CO2, un prerequisito per una bassa impronta idrica nei processi elettrolitici è l'utilizzo di fonti di energia rinnovabile. Se solo una piccola parte dell'elettricità viene generata utilizzando combustibili fossili, il consumo idrico associato alla produzione di elettricità è di gran lunga superiore al consumo idrico effettivo durante l'elettrolisi.

 

Ad esempio, la produzione di energia elettrica da gas può utilizzare fino a 2.500 litri/MWh di acqua. Questo 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 consumarne 14,7 kgH2O/kgH2. Si prevede inoltre che il consumo idrico derivante dal fotovoltaico e dall'eolico diminuirà nel tempo, man mano che i processi produttivi diventeranno più efficienti e la produzione di energia per unità di capacità installata migliorerà.

 

Consumo totale di acqua nel 2050

Si prevede che in futuro il mondo utilizzerà una quantità di idrogeno di gran lunga superiore a quella attuale. Ad esempio, il World Energy Transitions Outlook dell'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 pari a 8,4 EJ.

 

Anche se l'idrogeno elettrolitico potesse soddisfare la domanda di idrogeno per tutto il 2050, il consumo di acqua sarebbe di circa 25 miliardi di metri cubi. La figura seguente confronta questo dato con altri flussi di consumo idrico di origine antropica. L'agricoltura utilizza la maggiore quantità di acqua, pari a 280 miliardi di metri cubi, mentre l'industria ne utilizza quasi 800 miliardi e le città 470 miliardi. L'attuale consumo idrico 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 elevato di acqua a causa delle modifiche ai processi elettrolitici e della crescente domanda, il consumo idrico derivante dalla produzione di idrogeno sarà comunque molto inferiore rispetto ad altri flussi utilizzati dall'uomo. Un altro punto di riferimento è rappresentato dal consumo idrico pro capite, che si aggira tra i 75 (Lussemburgo) e i 1.200 (USA) metri cubi all'anno. Considerando una media di 400 m³/(pro capite * anno), la produzione totale di idrogeno nel 2050 equivale al consumo di un Paese di 62 milioni di abitanti.

 

Quanto costa l'acqua e quanta energia viene utilizzata?

 

costo

Le celle elettrolitiche richiedono acqua di alta qualità e un trattamento specifico. Un'acqua di qualità inferiore accelera il degrado e riduce la durata delle celle. Molti elementi, inclusi i diaframmi e i catalizzatori utilizzati nelle celle alcaline, così come le membrane e gli strati di trasporto porosi delle celle a scambio protonico (PEM), possono essere influenzati negativamente dalle impurità presenti nell'acqua, come ferro, cromo, rame, ecc. La conducibilità 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 e dei costi energetici. 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 tra i 1900 e i 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 può essere inferiore nelle aree in cui il costo dell'elettricità è basso.

 

Inoltre, i costi di spedizione aumenteranno di circa 1-2 dollari per m³. Anche in questo caso, i costi di trattamento dell'acqua si aggirano intorno a 0,05 dollari/kgH2. Per dare un'idea delle proporzioni, il costo dell'idrogeno rinnovabile può essere di 2-3 dollari/kgH2 se sono disponibili buone risorse rinnovabili, mentre il costo medio della risorsa è di 4-5 dollari/kgH2.

 

In questo scenario prudente, quindi, il costo dell'acqua sarebbe inferiore al 2% del totale. L'utilizzo dell'acqua di mare può aumentare la quantità di acqua recuperata da 2,5 a 5 volte (in termini di fattore di recupero).

 

consumo di energia

Analizzando il consumo energetico della desalinizzazione, si nota che è molto basso rispetto alla quantità di elettricità necessaria per alimentare la cella elettrolitica. Un impianto di osmosi inversa attualmente in funzione consuma circa 3,0 kWh/m³. Al contrario, gli impianti di desalinizzazione termica hanno un consumo energetico molto più elevato, che varia da 40 a 80 kWh/m³, con un fabbisogno energetico aggiuntivo compreso tra 2,5 e 5 kWh/m³, a seconda della tecnologia di desalinizzazione. Prendendo come esempio il caso più prudente (ovvero con un fabbisogno energetico più elevato) 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 dare un'idea, il fabbisogno di elettricità della cella elettrolitica è di circa 50-55 kWh/kg, quindi anche nello scenario peggiore, il fabbisogno energetico per la desalinizzazione rappresenta circa l'1% dell'energia totale immessa nel sistema.

 

Una delle sfide della desalinizzazione è lo smaltimento dell'acqua salata, che può avere un impatto sugli ecosistemi marini locali. Questa salamoia può essere ulteriormente trattata per ridurne l'impatto ambientale, aggiungendo così un ulteriore costo di 0,6-2,40 $/m³ all'acqua. Inoltre, la qualità dell'acqua elettrolitica è più rigorosa rispetto a quella dell'acqua potabile e può comportare costi di trattamento più elevati, ma si prevede che questi siano comunque contenuti rispetto al consumo energetico.

L'impronta idrica dell'acqua elettrolitica per la produzione di idrogeno è un parametro molto specifico legato al luogo, che dipende dalla disponibilità idrica locale, dal consumo, dal degrado e dall'inquinamento. Occorre inoltre considerare l'equilibrio degli ecosistemi e l'impatto delle tendenze climatiche a lungo termine. Il consumo idrico rappresenterà un ostacolo importante alla diffusione su larga scala dell'idrogeno rinnovabile.