Quelle quantité d'eau est consommée par l'électrolyse ?

Quelle quantité d'eau est consommée par l'électrolyse ?

Première étape : Production d'hydrogène

La consommation d'eau se déroule en deux étapes : la production d'hydrogène et la production du vecteur énergétique 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, en tenant compte du processus de déminéralisation de l'eau, ce rapport peut varier de 18 à 24 kilogrammes d'eau par kilogramme d'hydrogène, voire atteindre 25,7 à 30,2 kilogrammes..

 

Pour le procédé de production existant (reformage du méthane à la vapeur), la consommation minimale d'eau est de 4,5 kg H2O/kg H2 (nécessaire à la réaction), en tenant compte de l'eau de procédé et du refroidissement, la consommation minimale d'eau est de 6,4 à 32,2 kg H2O/kg H2.

 

Étape 2 : Sources d'énergie (électricité renouvelable ou gaz naturel)

Un autre facteur à prendre en compte est la consommation d'eau nécessaire à la production d'électricité renouvelable et de gaz naturel. La consommation d'eau des centrales photovoltaïques varie entre 50 et 400 litres/MWh (2,4 à 19 kg H₂O/kg H₂) et celle des éoliennes entre 5 et 45 litres/MWh (0,2 à 2,1 kg H₂O/kg H₂). De même, la production de gaz de schiste (d'après des données américaines) peut être augmentée de 1,14 kg H₂O/kg H₂ à 4,9 kg H₂O/kg H₂.

 

En conclusion, la consommation totale d'eau moyenne pour la production d'hydrogène à partir d'énergie photovoltaïque et éolienne est d'environ 32 kg H₂O/kg H₂, contre 22 kg H₂O/kg H₂ pour l'hydrogène produit. Les incertitudes proviennent du rayonnement solaire, de la durée de vie des cellules solaires et de la teneur en silicium. Cette consommation d'eau est du même ordre de grandeur que celle de l'hydrogène produit à partir de gaz naturel (7,6 à 37 kg H₂O/kg H₂, avec une moyenne de 22 kg H₂O/kg H₂).

 

Empreinte hydrique totale : plus faible avec l’utilisation d’énergies renouvelables

À l'instar des émissions de CO2, le recours aux énergies renouvelables est une condition essentielle à la réduction de l'empreinte hydrique des procédés d'électrolyse. Si seule une faible part de l'électricité est produite à partir de combustibles fossiles, la consommation d'eau associée à cette production est bien supérieure à la consommation d'eau réelle lors de l'électrolyse.

 

Par exemple, la production d'électricité à partir de gaz naturel peut consommer jusqu'à 2 500 litres d'eau par MWh. C'est également le cas le plus favorable pour les combustibles fossiles (gaz naturel). Si l'on considère la gazéification du charbon, la production d'hydrogène peut consommer de 31 à 31,8 kg H₂O par kg H₂ et la production d'hydrogène à partir de charbon, de 14,7 kg H₂O par kg H₂. La consommation d'eau liée à l'énergie photovoltaïque et éolienne devrait également diminuer avec le temps, à mesure que les procédés de fabrication gagnent en efficacité et que le rendement énergétique par unité de capacité installée s'améliore.

 

Consommation totale d'eau en 2050

On prévoit que la consommation mondiale d'hydrogène sera bien supérieure à la consommation actuelle. Par exemple, selon les estimations de l'IRENA sur les transitions énergétiques mondiales, la demande en hydrogène en 2050 atteindra environ 74 EJ, dont les deux tiers proviendront d'hydrogène renouvelable. À titre de comparaison, la consommation actuelle d'hydrogène pur est de 8,4 EJ.

 

Même si l'hydrogène électrolytique pouvait satisfaire la demande en hydrogène pour l'ensemble de l'année 2050, la consommation d'eau s'élèverait à environ 25 milliards de mètres cubes. Le graphique ci-dessous compare ce chiffre à d'autres flux de consommation d'eau d'origine humaine. L'agriculture est le secteur le plus consommateur d'eau avec 280 milliards de mètres cubes, suivie de l'industrie (près de 800 milliards de mètres cubes) et des villes (470 milliards de mètres cubes). La consommation d'eau actuelle liée au reformage du gaz naturel et à la gazéification du charbon pour la production d'hydrogène est d'environ 1,5 milliard de mètres cubes.

Ainsi, malgré l'augmentation prévue de la consommation d'eau liée aux changements des procédés d'électrolyse et à la demande croissante, la consommation d'eau due à la production d'hydrogène restera bien inférieure aux autres besoins humains. À titre de comparaison, la consommation d'eau par habitant se situe entre 75 m³/an (Luxembourg) et 1 200 m³/an (États-Unis). Avec une moyenne de 400 m³/an par habitant, la production totale d'hydrogène en 2050 équivaudrait à celle d'un pays de 62 millions d'habitants.

 

Combien coûte l'eau et quelle est la consommation d'énergie ?

 

coût

Les cellules électrolytiques nécessitent une eau de haute qualité et 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, notamment les diaphragmes et les catalyseurs utilisés en milieu alcalin, ainsi que les membranes et les couches de transport poreuses des membranes PEM, peuvent être affectés négativement par les impuretés présentes dans l'eau, telles que le fer, le chrome, le cuivre, etc. La conductivité de l'eau doit être inférieure à 1 µS/cm et la teneur en carbone organique total inférieure à 50 µg/L.

 

L'eau représente une part relativement faible de la consommation d'énergie et des coûts. Le dessalement constitue le scénario le plus défavorable pour ces deux paramètres. L'osmose inverse est la principale technologie de dessalement, représentant près de 70 % de la capacité mondiale. Cette technologie coûte entre 1 900 et 2 000 $/m³/jour et nécessite un temps d'apprentissage de 15 %. À ce coût d'investissement, le coût de traitement est d'environ 1 $/m³, et peut être inférieur dans les régions où le coût de l'électricité est bas.

 

De plus, les frais de transport augmenteront d'environ 1 à 2 $ par m³. Même dans ce cas, les coûts de traitement de l'eau s'élèvent à environ 0,05 $/kgH₂. À titre de comparaison, le coût de l'hydrogène renouvelable peut atteindre 2 à 3 $/kgH₂ si des ressources renouvelables de qualité sont disponibles, tandis que le coût d'une ressource moyenne se situe entre 4 et 5 $/kgH₂.

 

Dans ce scénario prudent, l'eau coûterait donc moins de 2 % du total. L'utilisation d'eau de mer permettrait de multiplier par 2,5 à 5 la quantité d'eau récupérée (en termes de facteur de récupération).

 

consommation d'énergie

L'énergie consommée par le dessalement est très faible comparée à l'électricité nécessaire au fonctionnement de la cellule électrolytique. Une unité d'osmose inverse actuellement en service consomme environ 3,0 kW/m³. À l'inverse, les usines de dessalement thermique ont une consommation énergétique bien plus élevée, de l'ordre de 40 à 80 kWh/m³, avec des besoins en puissance supplémentaires de 2,5 à 5 kWh/m³, selon la technologie de dessalement. Prenons l'exemple d'une centrale de cogénération, dans le cas prudent (c'est-à-dire avec une demande énergétique plus élevée) utilisant une pompe à chaleur : la consommation énergétique serait alors d'environ 0,7 kWh/kg d'hydrogène. À titre de comparaison, la consommation électrique de la cellule électrolytique est d'environ 50 à 55 kWh/kg. Ainsi, même dans le pire des cas, la consommation énergétique du dessalement représente environ 1 % de l'énergie totale consommée par le système.

 

L'un des défis du dessalement est l'élimination des eaux salées, qui peuvent avoir un impact sur les écosystèmes marins locaux. Cette saumure peut être traitée afin de réduire son impact environnemental, ce qui ajoute 0,6 à 2,40 $/m³ au coût de l'eau. De plus, la qualité de l'eau électrolytique est plus exigeante que celle de l'eau potable et peut engendrer des coûts de traitement plus élevés, mais ceux-ci devraient rester faibles par rapport à la consommation d'énergie.

L'empreinte hydrique de l'eau électrolytique utilisée pour la production d'hydrogène est un paramètre très spécifique à chaque lieu et dépend de la disponibilité, de la consommation, de la dégradation et de la pollution de l'eau. L'équilibre des écosystèmes et l'impact des tendances climatiques à long terme doivent être pris en compte. La consommation d'eau constituera un obstacle majeur au développement à grande échelle de l'hydrogène renouvelable.