Quanta água é consumida na eletrólise?

Quanta água é consumida pela eletrólise?

Etapa um: Produção de hidrogênio

O consumo de água decorre de duas etapas: produção de hidrogênio e produção do vetor energético a montante. Para a produção de hidrogênio, o consumo mínimo de água eletrolisada é de aproximadamente 9 quilogramas de água por quilograma de hidrogênio. No entanto, considerando o processo de desmineralização da água, essa proporção pode variar de 18 a 24 quilogramas de água por quilograma de hidrogênio, ou até mesmo chegar a 25,7 a 30,2 quilogramas..

 

Para o processo de produção existente (reforma a vapor do metano), o consumo mínimo de água é de 4,5 kg H2O/kg H2 (necessário para a reação), levando em consideração a água de processo e o resfriamento, o consumo mínimo de água é de 6,4 a 32,2 kg H2O/kg H2.

 

Etapa 2: Fontes de energia (eletricidade renovável ou gás natural)

Outro componente é o consumo de água para a produção de eletricidade renovável e gás natural. O consumo de água da energia fotovoltaica varia entre 50 e 400 litros/MWh (2,4 a 19 kgH₂O/kgH₂) e o da energia eólica entre 5 e 45 litros/MWh (0,2 a 2,1 kgH₂O/kgH₂). Da mesma forma, a produção de gás de xisto (com base em dados dos EUA) pode ser aumentada de 1,14 kgH₂O/kgH₂ para 4,9 kgH₂O/kgH₂.

 

Em conclusão, o consumo médio total de água para a geração de hidrogênio por energia fotovoltaica e eólica é de aproximadamente 32 e 22 kg H₂O/kg H₂, respectivamente. As incertezas decorrem da radiação solar, da vida útil e do teor de silício. Esse consumo de água é da mesma ordem de grandeza que o da produção de hidrogênio a partir de gás natural (7,6-37 kg H₂O/kg H₂, com uma média de 22 kg H₂O/kg H₂).

 

Pegada hídrica total: Menor ao usar energia renovável

Assim como no caso das emissões de CO2, um pré-requisito para uma baixa pegada hídrica em processos eletrolíticos é a utilização de fontes de energia renováveis. Se apenas uma pequena fração da eletricidade for gerada a partir de combustíveis fósseis, o consumo de água associado à geração de eletricidade será muito maior do que o consumo real de água durante a eletrólise.

 

Por exemplo, a geração de energia a gás pode utilizar até 2.500 litros de água por MWh. Este é também o melhor cenário para combustíveis fósseis (gás natural). Se considerarmos a gaseificação do carvão, a produção de hidrogênio pode consumir de 31 a 31,8 kg de H₂O por kg de H₂, enquanto a produção de carvão pode consumir 14,7 kg de H₂O por kg de H₂. O consumo de água proveniente de sistemas fotovoltaicos e eólicos também deverá diminuir com o tempo, à medida que os processos de fabricação se tornem mais eficientes e a produção de energia por unidade de capacidade instalada aumente.

 

Consumo total de água em 2050

Prevê-se que o mundo utilize muitas vezes mais hidrogênio no futuro do que utiliza hoje. Por exemplo, o relatório World Energy Transitions Outlook da IRENA estima que a demanda por hidrogênio em 2050 será de cerca de 74 EJ, dos quais cerca de dois terços virão de hidrogênio renovável. Em comparação, hoje (hidrogênio puro) é de 8,4 EJ.

 

Mesmo que o hidrogênio eletrolítico pudesse suprir a demanda de hidrogênio durante todo o ano de 2050, o consumo de água seria de cerca de 25 bilhões de metros cúbicos. A figura abaixo compara esse valor com outros fluxos de consumo de água antropogênicos. A agricultura utiliza a maior quantidade, com 280 bilhões de metros cúbicos de água, enquanto a indústria utiliza quase 800 bilhões de metros cúbicos e as cidades, 470 bilhões de metros cúbicos. O consumo atual de água para a reforma do gás natural e a gaseificação do carvão para a produção de hidrogênio é de cerca de 1,5 bilhão de metros cúbicos.

Assim, embora se espere um grande consumo de água devido às mudanças nos processos eletrolíticos e ao aumento da demanda, o consumo de água para a produção de hidrogênio ainda será muito menor do que outros fluxos utilizados pelos seres humanos. Outro ponto de referência é que o consumo de água per capita varia entre 75 (Luxemburgo) e 1.200 (EUA) metros cúbicos por ano. Com uma média de 400 m³/(per capita * ano), a produção total de hidrogênio em 2050 é equivalente à de um país com 62 milhões de habitantes.

 

Qual o custo da água e quanta energia é consumida?

 

custo

As células eletrolíticas requerem água de alta qualidade e tratamento. Água de baixa qualidade leva a uma degradação mais rápida e menor vida útil. Muitos elementos, incluindo diafragmas e catalisadores usados ​​em soluções alcalinas, bem como as membranas e camadas de transporte porosas das PEM, podem ser afetados negativamente por impurezas na água, como ferro, cromo, cobre, etc. A condutividade da água deve ser inferior a 1 μS/cm e o carbono orgânico total inferior a 50 μg/L.

 

A água representa uma parcela relativamente pequena do consumo e dos custos de energia. O pior cenário para ambos os parâmetros é a dessalinização. A osmose reversa é a principal tecnologia para dessalinização, respondendo por quase 70% da capacidade global. A tecnologia custa entre US$ 1.900 e US$ 2.000/m³/dia e tem uma taxa de aprendizado de 15%. Com esse custo de investimento, o custo do tratamento é de cerca de US$ 1/m³, podendo ser menor em áreas onde o custo da eletricidade é baixo.

 

Além disso, os custos de transporte aumentarão em cerca de US$ 1 a US$ 2 por m³. Mesmo nesse caso, os custos de tratamento da água são de aproximadamente US$ 0,05/kgH2. Para se ter uma ideia, o custo do hidrogênio renovável pode chegar a US$ 2-3/kgH2 se houver disponibilidade de boas fontes renováveis, enquanto o custo de uma fonte média é de US$ 4-5/kgH2.

 

Assim, nesse cenário conservador, a água custaria menos de 2% do total. O uso de água do mar pode aumentar a quantidade de água recuperada de 2,5 a 5 vezes (em termos de fator de recuperação).

 

Consumo de energia

Analisando o consumo de energia da dessalinização, ele também é muito pequeno em comparação com a quantidade de eletricidade necessária para alimentar a célula eletrolítica. Uma unidade de osmose reversa em operação atualmente consome cerca de 3,0 kW/m³. Em contraste, as usinas de dessalinização térmica têm um consumo de energia muito maior, variando de 40 a 80 kWh/m³, com requisitos adicionais de energia que variam de 2,5 a 5 kWh/m³, dependendo da tecnologia de dessalinização. Tomando como exemplo o caso conservador (ou seja, com maior demanda de energia) de uma usina de cogeração, assumindo o uso de uma bomba de calor, a demanda de energia seria convertida em cerca de 0,7 kWh/kg de hidrogênio. Para colocar isso em perspectiva, a demanda de eletricidade da célula eletrolítica é de cerca de 50-55 kWh/kg, portanto, mesmo no pior cenário, a demanda de energia para a dessalinização representa cerca de 1% da energia total consumida pelo sistema.

 

Um dos desafios da dessalinização é o descarte da água salgada, que pode impactar os ecossistemas marinhos locais. Essa salmoura pode ser tratada posteriormente para reduzir seu impacto ambiental, adicionando assim um custo de US$ 0,60 a US$ 2,40/m³ ao preço da água. Além disso, a qualidade da água eletrolítica é mais rigorosa do que a da água potável e pode resultar em custos de tratamento mais elevados, embora ainda se espere que esse valor seja pequeno em comparação com o consumo de energia.

A pegada hídrica da eletrólise da água para a produção de hidrogênio é um parâmetro local muito específico que depende da disponibilidade, do consumo, da degradação e da poluição da água local. O equilíbrio dos ecossistemas e o impacto das tendências climáticas de longo prazo devem ser considerados. O consumo de água será um grande obstáculo para a expansão da produção de hidrogênio renovável.