Combien d'eau est consommée par l'électrolyse
Première étape : production d’hydrogène
La consommation d'eau provient de deux étapes : la production d'hydrogène et la production de vecteurs énergétiques en amont. Pour la production d’hydrogène, la consommation minimale d’eau électrolysée est d’environ 9 kilogrammes d’eau par kilogramme d’hydrogène. Cependant, compte tenu du processus de déminéralisation de l'eau, ce rapport peut aller de 18 à 24 kilogrammes d'eau par kilogramme d'hydrogène, voire même atteindre 25,7 à 30,2..
Pour le processus de production existant (reformage à la vapeur de méthane), la consommation minimale d'eau est de 4,5 kgH2O/kgH2 (nécessaire pour la réaction), en tenant compte de l'eau de traitement et du refroidissement, la consommation minimale d'eau est de 6,4 à 32,2 kgH2O/kgH2.
Étape 2 : Sources d’énergie (électricité renouvelable ou gaz naturel)
Un autre élément est la consommation d’eau pour produire de l’électricité et du gaz naturel renouvelables. La consommation d’eau de l’énergie photovoltaïque varie entre 50 et 400 litres/MWh (2,4 à 19 kgH2O/kgH2) et celle de l’énergie éolienne entre 5 et 45 litres/MWh (0,2 à 2,1 kgH2O/kgH2). De même, la production de gaz de schiste (sur la base des données américaines) peut être augmentée de 1,14 kgH2O/kgH2 à 4,9 kgH2O/kgH2.
En conclusion, la consommation totale moyenne d’eau d’hydrogène générée par la production d’énergie photovoltaïque et la production d’énergie éolienne est respectivement d’environ 32 et 22 kgH2O/kgH2. Les incertitudes proviennent du rayonnement solaire, de la durée de vie et de la teneur en silicium. Cette consommation d'eau est du même ordre de grandeur que la production d'hydrogène à partir du gaz naturel (7,6-37 kgh2o/kgH2, avec une moyenne de 22kgH2O/kgH2).
Empreinte eau totale : inférieure en utilisant des énergies renouvelables
À l’instar des émissions de CO2, l’utilisation de sources d’énergie renouvelables est une condition préalable à une faible empreinte hydrique pour les voies électrolytiques. Si seule une petite fraction de l’électricité est produite à partir de combustibles fossiles, la consommation d’eau associée à l’électricité est bien supérieure à l’eau réellement consommée lors de l’électrolyse.
Par exemple, la production d’électricité au gaz peut utiliser jusqu’à 2 500 litres/MWh d’eau. C’est également le meilleur cas pour les énergies fossiles (gaz naturel). Si l’on considère la gazéification du charbon, la production d’hydrogène peut consommer 31 à 31,8 kgH2O/kgH2 et la production de charbon peut consommer 14,7 kgH2O/kgH2. La consommation d’eau provenant des centrales photovoltaïques et éoliennes devrait également diminuer au fil du temps à mesure que les processus de fabrication deviennent plus efficaces et que la production d’énergie par unité de capacité installée s’améliore.
Consommation totale d'eau en 2050
On s’attend à ce que le monde utilise beaucoup plus d’hydrogène à l’avenir qu’aujourd’hui. Par exemple, le World Energy Transitions Outlook de l'IRENA estime que la demande d'hydrogène en 2050 sera d'environ 74 EJ, dont environ les deux tiers proviendront de l'hydrogène renouvelable. À titre de comparaison, aujourd’hui (hydrogène pur) c’est 8,4EJ.
Même si l’hydrogène électrolytique pouvait répondre à la demande d’hydrogène pour l’ensemble de 2050, la consommation d’eau serait d’environ 25 milliards de mètres cubes. La figure ci-dessous compare ce chiffre à d’autres flux de consommation d’eau d’origine humaine. L'agriculture utilise la plus grande quantité d'eau, soit 280 milliards de mètres cubes, tandis que l'industrie en utilise près de 800 milliards et que les villes en utilisent 470 milliards. La consommation actuelle d'eau pour le reformage du gaz naturel et la gazéification du charbon pour la production d'hydrogène est d'environ 1,5 milliard de mètres cubes.
Ainsi, même si de grandes quantités d’eau devraient être consommées en raison des changements dans les voies électrolytiques et de la demande croissante, la consommation d’eau issue de la production d’hydrogène restera bien inférieure à celle des autres flux utilisés par les humains. Un autre point de référence est que la consommation d'eau par habitant se situe entre 75 (Luxembourg) et 1 200 (US) mètres cubes par an. Avec une moyenne de 400 m3/(par habitant*an), la production totale d'hydrogène en 2050 équivaut à celle d'un pays de 62 millions d'habitants.
Combien coûte l’eau et combien d’énergie est utilisée
coût
Les cellules électrolytiques nécessitent une eau de haute qualité et nécessitent un traitement de l'eau. Une eau de moindre qualité entraîne une dégradation plus rapide et une durée de vie plus courte. De nombreux éléments, y compris les diaphragmes et les catalyseurs utilisés dans les alcalins, ainsi que les membranes et les couches de transport poreuses du PEM, peuvent être affectés par les impuretés de l'eau telles que le fer, le chrome, le cuivre, etc. La conductivité de l'eau doit être inférieure à 1 μS/ cm et carbone organique total inférieur à 50 μg/L.
L’eau représente une part relativement faible de la consommation et des coûts énergétiques. Le pire des cas pour ces deux paramètres est le dessalement. L'osmose inverse est la principale technologie de dessalement, représentant près de 70 % de la capacité mondiale. La technologie coûte entre 1 900 et 2 000 $/m³/j et a un taux d’apprentissage de 15 %. À ce coût d'investissement, le coût du traitement est d'environ 1 $/m³, et peut être inférieur dans les zones où les coûts d'électricité sont faibles.
De plus, les frais d'expédition augmenteront d'environ 1 à 2 dollars par m³. Même dans ce cas, les coûts de traitement de l’eau sont d’environ 0,05 $/kgH2. Pour mettre cela en perspective, le coût de l’hydrogène renouvelable peut être de 2 à 3 $/kgH2 si de bonnes ressources renouvelables sont disponibles, alors que le coût de la ressource moyenne est de 4 à 5 $/kgH2.
Ainsi, dans ce scénario conservateur, l’eau coûterait moins de 2 pour cent du total. L'utilisation de l'eau de mer peut augmenter la quantité d'eau récupérée de 2,5 à 5 fois (en termes de facteur de récupération).
Consommation d'énergie
En ce qui concerne la consommation d’énergie du dessalement, elle est également très faible par rapport à la quantité d’électricité nécessaire pour alimenter la cellule électrolytique. L'unité d'osmose inverse en fonctionnement actuel consomme environ 3,0 kW/m3. En revanche, les usines de dessalement thermique ont une consommation d'énergie beaucoup plus élevée, allant de 40 à 80 KWH/m3, avec des besoins électriques supplémentaires allant de 2,5 à 5 KWH/m3, selon la technologie de dessalement. En prenant comme exemple le cas prudent (c'est-à-dire une demande énergétique plus élevée) d'une centrale de cogénération, en supposant l'utilisation d'une pompe à chaleur, la demande énergétique serait convertie en environ 0,7 kWh/kg d'hydrogène. Pour mettre cela en perspective, la demande électrique de la cellule électrolytique est d'environ 50 à 55 kWh/kg, donc même dans le pire des cas, la demande énergétique pour le dessalement représente environ 1 % de l'énergie totale consommée par le système.
L’un des défis du dessalement est l’élimination de l’eau salée, qui peut avoir un impact sur les écosystèmes marins locaux. Cette saumure peut être traitée davantage pour réduire son impact environnemental, ajoutant ainsi 0,6 à 2,40 $/m³ supplémentaires au coût de l'eau. De plus, la qualité de l'eau électrolytique est plus stricte que celle de l'eau potable et peut entraîner des coûts de traitement plus élevés, mais ceux-ci devraient toujours être faibles par rapport à la consommation d'énergie.
L’empreinte eau de l’eau électrolytique pour la production d’hydrogène est un paramètre de localisation très spécifique qui dépend de la disponibilité locale de l’eau, de sa consommation, de sa dégradation et de sa pollution. L’équilibre des écosystèmes et l’impact des tendances climatiques à long terme doivent être pris en compte. La consommation d’eau sera un obstacle majeur au développement de l’hydrogène renouvelable.
Heure de publication : 08 mars 2023