Quanta aigua es consumeix per electròlisi
Primer pas: producció d'hidrogen
El consum d'aigua prové de dos passos: la producció d'hidrogen i la producció de portadors d'energia aigües amunt. Per a la producció d'hidrogen, el consum mínim d'aigua electrolitzada és d'aproximadament 9 quilos d'aigua per quilo d'hidrogen. Tanmateix, tenint en compte el procés de desmineralització de l'aigua, aquesta proporció pot oscil·lar entre 18 i 24 quilograms d'aigua per quilo d'hidrogen, o fins i tot entre 25,7 i 30,2..
Per al procés de producció existent (reformat amb vapor de metà), el consum mínim d'aigua és de 4,5 kgH2O/kgH2 (necessari per a la reacció), tenint en compte l'aigua del procés i la refrigeració, el consum mínim d'aigua és de 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.
Pas 2: fonts d'energia (electricitat renovable o gas natural)
Un altre component és el consum d'aigua per produir electricitat renovable i gas natural. El consum d'aigua de l'energia fotovoltaica varia entre 50-400 litres/MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) i el de l'eòlica entre 5-45 litres/MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). De la mateixa manera, la producció de gas a partir de gas d'esquist (basat en dades dels EUA) es pot augmentar d'1,14 kgH2O/kgH2 a 4,9kgH2O/kgH2.
En conclusió, el consum total mitjà d'aigua d'hidrogen generat per la generació d'energia fotovoltaica i la generació d'energia eòlica és d'uns 32 i 22 kgH2O/kgH2, respectivament. Les incerteses provenen de la radiació solar, la vida útil i el contingut de silici. Aquest consum d'aigua és del mateix ordre de magnitud que la producció d'hidrogen a partir del gas natural (7,6-37 kgh2o/kgH2, amb una mitjana de 22kgH2O/kgH2).
Petjada hídrica total: Menor quan s'utilitzen energies renovables
De manera similar a les emissions de CO2, un requisit previ per a una baixa petjada hídrica per a les rutes electrolítiques és l'ús de fonts d'energia renovables. Si només una petita fracció de l'electricitat es genera amb combustibles fòssils, el consum d'aigua associat a l'electricitat és molt més gran que l'aigua consumida real durant l'electròlisi.
Per exemple, la generació d'energia amb gas pot utilitzar fins a 2.500 litres/MWh d'aigua. També és el millor cas per als combustibles fòssils (gas natural). Si es considera la gasificació del carbó, la producció d'hidrogen pot consumir 31-31,8 kgH2O/kgH2 i la producció de carbó pot consumir 14,7kgH2O/kgH2. També s'espera que el consum d'aigua de la fotovoltaica i l'eòlica disminueixi amb el temps a mesura que els processos de fabricació siguin més eficients i la producció d'energia per unitat de capacitat instal·lada millori.
Consum total d'aigua l'any 2050
S'espera que el món utilitzi moltes vegades més hidrogen en el futur que avui. Per exemple, el World Energy Transitions Outlook d'IRENA estima que la demanda d'hidrogen el 2050 serà d'uns 74 EJ, dels quals aproximadament dos terços vindran d'hidrogen renovable. En comparació, avui (hidrogen pur) és de 8,4 EJ.
Fins i tot si l'hidrogen electrolític pogués satisfer la demanda d'hidrogen durant tot l'any 2050, el consum d'aigua seria d'uns 25.000 milions de metres cúbics. La figura següent compara aquesta xifra amb altres corrents de consum d'aigua artificial. L'agricultura utilitza la major quantitat de 280.000 milions de metres cúbics d'aigua, mentre que la indústria utilitza gairebé 800.000 milions de metres cúbics i les ciutats 470.000 milions de metres cúbics. El consum actual d'aigua de reforma de gas natural i gasificació de carbó per a la producció d'hidrogen és d'uns 1.500 milions de metres cúbics.
Així, tot i que s'espera que es consumeixin grans quantitats d'aigua a causa dels canvis en les vies electrolítiques i de la demanda creixent, el consum d'aigua de la producció d'hidrogen encara serà molt menor que altres fluxos utilitzats pels humans. Un altre punt de referència és que el consum d'aigua per càpita se situa entre els 75 (Luxemburg) i els 1.200 (EUA) metres cúbics anuals. Amb una mitjana de 400 m3 / (per càpita * any), la producció total d'hidrogen el 2050 és equivalent a la d'un país de 62 milions d'habitants.
Quant costa l'aigua i quanta energia s'utilitza
cost
Les cèl·lules electrolítiques requereixen aigua d'alta qualitat i requereixen tractament d'aigua. Una aigua de menor qualitat comporta una degradació més ràpida i una vida més curta. Molts elements, inclosos els diafragmes i els catalitzadors utilitzats en alcalins, així com les membranes i les capes de transport poroses de PEM, es poden veure afectats negativament per les impureses de l'aigua com ara ferro, crom, coure, etc. La conductivitat de l'aigua ha de ser inferior a 1 μS/ cm i carboni orgànic total inferior a 50μg/L.
L'aigua representa una part relativament petita del consum i dels costos d'energia. El pitjor escenari per a tots dos paràmetres és la dessalinització. L'osmosi inversa és la principal tecnologia per a la dessalinització, que representa gairebé el 70 per cent de la capacitat global. La tecnologia costa entre 1.900 i 2.000 dòlars / m³/d i té una corba d'aprenentatge del 15%. Amb aquest cost d'inversió, el cost del tractament és d'uns $1/m³, i pot ser inferior a les zones on els costos de l'electricitat són baixos.
A més, els costos d'enviament augmentaran entre 1 i 2 dòlars per m³. Fins i tot en aquest cas, els costos del tractament de l'aigua són d'uns 0,05 $/kgH2. Per posar-ho en perspectiva, el cost de l'hidrogen renovable pot ser de 2-3 $/kgH2 si hi ha bons recursos renovables disponibles, mentre que el cost mitjà del recurs és de 4-5 $/kgH2.
Així, en aquest escenari conservador, l'aigua costaria menys del 2 per cent del total. L'ús d'aigua de mar pot augmentar la quantitat d'aigua recuperada de 2,5 a 5 vegades (en termes de factor de recuperació).
Consum d'energia
Tenint en compte el consum d'energia de la dessalinització, també és molt petit en comparació amb la quantitat d'electricitat necessària per introduir la cèl·lula electrolítica. La unitat d'osmosi inversa en funcionament actual consumeix uns 3,0 kW/m3. En canvi, les dessalinitzadores tèrmiques tenen un consum energètic molt superior, que oscil·la entre els 40 i els 80 KWH/m3, amb requeriments addicionals de potència que oscil·len entre 2,5 i 5 KWH/m3, segons la tecnologia de dessalinització. Prenent com a exemple el cas conservador (és a dir, una major demanda d'energia) d'una planta de cogeneració, suposant l'ús d'una bomba de calor, la demanda d'energia es convertiria en uns 0,7 kWh/kg d'hidrogen. Per posar-ho en perspectiva, la demanda d'electricitat de la cèl·lula electrolítica és d'uns 50-55 kWh/kg, de manera que, fins i tot en el pitjor dels casos, la demanda d'energia per a la dessalinització és d'aproximadament l'1% de l'entrada total d'energia al sistema.
Un repte de la dessalinització és l'eliminació de l'aigua salada, que pot tenir un impacte en els ecosistemes marins locals. Aquesta salmorra es pot tractar encara més per reduir el seu impacte ambiental, afegint així 0,6-2,40 $ /m³ més al cost de l'aigua. A més, la qualitat de l'aigua electrolítica és més estricta que l'aigua potable i pot comportar uns costos de tractament més elevats, però encara s'espera que sigui petit en comparació amb la potència d'entrada.
La petjada hídrica de l'aigua electrolítica per a la producció d'hidrogen és un paràmetre de localització molt específic que depèn de la disponibilitat d'aigua local, el consum, la degradació i la contaminació. Cal tenir en compte l'equilibri dels ecosistemes i l'impacte de les tendències climàtiques a llarg termini. El consum d'aigua serà un obstacle important per augmentar l'hidrogen renovable.
Hora de publicació: Mar-08-2023