¿Cuánta agua se necesita para producir hidrógeno por electrólisis?

¿Cuánta agua se consume por electrólisis?

Paso uno: producción de hidrógeno

El consumo de agua proviene de dos pasos: la producción de hidrógeno y la producción de portadores de energía aguas arriba. Para la producción de hidrógeno, el consumo mínimo de agua electrolizada es de aproximadamente 9 kilogramos de agua por kilogramo de hidrógeno. Sin embargo, teniendo en cuenta el proceso de desmineralización del agua, esta relación puede oscilar entre 18 y 24 kilogramos de agua por kilogramo de hidrógeno, o incluso entre 25,7 y 30,2..

Para el proceso de producción existente (reformado con vapor de metano), el consumo mínimo de agua es de 4,5 kgH2O/kgH2 (requerido para la reacción), teniendo en cuenta el agua de proceso y el enfriamiento, el consumo mínimo de agua es de 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.

Paso 2: Fuentes de energía (electricidad renovable o gas natural)

Otro componente es el consumo de agua para producir electricidad renovable y gas natural. El consumo de agua de la energía fotovoltaica varía entre 50-400 litros/MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) y el de la eólica entre 5-45 litros/MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). De manera similar, la producción de gas a partir de gas de esquisto (basado en datos de EE. UU.) se puede aumentar de 1,14 kgH2O/kgH2 a 4,9 kgH2O/kgH2.

En conclusión, el consumo medio total de agua de hidrógeno generado por la generación de energía fotovoltaica y la generación de energía eólica es de unos 32 y 22 kgH2O/kgH2, respectivamente. Las incertidumbres provienen de la radiación solar, la vida útil y el contenido de silicio. Este consumo de agua es del mismo orden de magnitud que la producción de hidrógeno a partir de gas natural (7,6-37 kgh2o/kgH2, con una media de 22kgH2O/kgH2).

Huella hídrica total: menor cuando se utilizan energías renovables

Al igual que las emisiones de CO2, un requisito previo para una huella hídrica baja para las rutas electrolíticas es el uso de fuentes de energía renovables. Si solo una pequeña fracción de la electricidad se genera con combustibles fósiles, el consumo de agua asociado con la electricidad es mucho mayor que el agua consumida durante la electrólisis.

Por ejemplo, la generación de energía a gas puede utilizar hasta 2.500 litros/MWh de agua. También es el mejor caso para los combustibles fósiles (gas natural). Si se considera la gasificación del carbón, la producción de hidrógeno puede consumir 31-31,8 kgH2O/kgH2 y la producción de carbón puede consumir 14,7 kgH2O/kgH2. También se espera que el consumo de agua de la energía fotovoltaica y eólica disminuya con el tiempo a medida que los procesos de fabricación se vuelvan más eficientes y mejore la producción de energía por unidad de capacidad instalada.

Consumo total de agua en 2050

Se espera que el mundo utilice muchas veces más hidrógeno en el futuro que en la actualidad. Por ejemplo, World Energy Transitions Outlook de IRENA estima que la demanda de hidrógeno en 2050 será de aproximadamente 74 EJ, de los cuales aproximadamente dos tercios provendrán de hidrógeno renovable. En comparación, hoy (hidrógeno puro) es 8.4EJ.

Incluso si el hidrógeno electrolítico pudiera satisfacer la demanda de hidrógeno durante todo el año 2050, el consumo de agua sería de unos 25 mil millones de metros cúbicos. La siguiente figura compara esta cifra con otras corrientes de consumo de agua hechas por el hombre. La agricultura usa la mayor cantidad de 280 mil millones de metros cúbicos de agua, mientras que la industria usa casi 800 mil millones de metros cúbicos y las ciudades usan 470 mil millones de metros cúbicos. El consumo actual de agua del reformado de gas natural y la gasificación del carbón para la producción de hidrógeno es de unos 1500 millones de metros cúbicos.

Por lo tanto, aunque se espera que se consuman grandes cantidades de agua debido a los cambios en las rutas electrolíticas y la creciente demanda, el consumo de agua de la producción de hidrógeno seguirá siendo mucho menor que otros flujos utilizados por los seres humanos. Otro punto de referencia es que el consumo de agua per cápita está entre 75 (Luxemburgo) y 1.200 (EE.UU.) metros cúbicos por año. Con una media de 400 m3/(per cápita * año), la producción total de hidrógeno en 2050 equivale a la de un país de 62 millones de habitantes.

Cuánto cuesta el agua y cuánta energía se utiliza

costo

Las celdas electrolíticas requieren agua de alta calidad y requieren tratamiento de agua. El agua de menor calidad conduce a una degradación más rápida y una vida más corta. Muchos elementos, incluidos los diafragmas y los catalizadores utilizados en los alcalinos, así como las membranas y las capas de transporte poroso de PEM, pueden verse afectados negativamente por las impurezas del agua, como hierro, cromo, cobre, etc. Se requiere que la conductividad del agua sea inferior a 1μS/ cm y carbono orgánico total inferior a 50μg/L.

El agua representa una parte relativamente pequeña del consumo y los costos de energía. El peor de los casos para ambos parámetros es la desalinización. La ósmosis inversa es la tecnología principal para la desalinización y representa casi el 70 por ciento de la capacidad global. La tecnología cuesta $ 1900- $ 2000 / m³ / d y tiene una tasa de curva de aprendizaje del 15%. Con este costo de inversión, el costo del tratamiento es de aproximadamente $1/m³ y puede ser menor en áreas donde los costos de electricidad son bajos.

Además, los costos de envío aumentarán alrededor de $1-2 por m³. Incluso en este caso, los costos de tratamiento de agua son de alrededor de $0.05/kgH2. Para poner esto en perspectiva, el costo del hidrógeno renovable puede ser de $2-3/kgH2 si hay buenos recursos renovables disponibles, mientras que el costo del recurso promedio es de $4-5/kgH2.

Entonces, en este escenario conservador, el agua costaría menos del 2 por ciento del total. El uso de agua de mar puede aumentar la cantidad de agua recuperada de 2,5 a 5 veces (en términos de factor de recuperación).

Consumo de energía

En cuanto al consumo de energía de la desalinización, también es muy pequeño en comparación con la cantidad de electricidad necesaria para alimentar la celda electrolítica. La unidad de ósmosis inversa en funcionamiento actual consume alrededor de 3,0 kW/m3. Por el contrario, las plantas desaladoras térmicas tienen un consumo de energía mucho mayor, que oscila entre 40 y 80 KWH/m3, con requisitos de potencia adicionales que oscilan entre 2,5 y 5 KWH/m3, dependiendo de la tecnología de desalinización. Tomando como ejemplo el caso conservador (es decir, mayor demanda de energía) de una planta de cogeneración, suponiendo el uso de una bomba de calor, la demanda de energía se convertiría en aproximadamente 0,7 kWh/kg de hidrógeno. Para poner esto en perspectiva, la demanda de electricidad de la celda electrolítica es de aproximadamente 50-55kWh/kg, por lo que incluso en el peor de los casos, la demanda de energía para la desalinización es de aproximadamente el 1 % de la entrada total de energía al sistema.

Uno de los desafíos de la desalinización es la eliminación de agua salada, que puede tener un impacto en los ecosistemas marinos locales. Esta salmuera se puede tratar más para reducir su impacto ambiental, agregando así otros $0.6-2.40/m³ al costo del agua. Además, la calidad del agua electrolítica es más estricta que la del agua potable y puede generar costos de tratamiento más altos, pero aún se espera que sea pequeño en comparación con la entrada de energía.

La huella hídrica del agua electrolítica para la producción de hidrógeno es un parámetro de ubicación muy específico que depende de la disponibilidad, el consumo, la degradación y la contaminación del agua local. Se debe considerar el equilibrio de los ecosistemas y el impacto de las tendencias climáticas a largo plazo. El consumo de agua será un obstáculo importante para aumentar el hidrógeno renovable.