Canta auga se consume por electrólise
Primeiro paso: produción de hidróxeno
O consumo de auga vén de dúas etapas: a produción de hidróxeno e a produción de portadores de enerxía. Para a produción de hidróxeno, o consumo mínimo de auga electrolizada é de aproximadamente 9 quilogramos de auga por quilo de hidróxeno. Non obstante, tendo en conta o proceso de desmineralización da auga, esta proporción pode oscilar entre 18 e 24 quilogramos de auga por quilo de hidróxeno, ou mesmo de 25,7 a 30,2..
Para o proceso de produción existente (reformado con vapor de metano), o consumo mínimo de auga é de 4,5 kgH2O/kgH2 (necesario para a reacción), tendo en conta a auga do proceso e o refrixeración, o consumo mínimo de auga é de 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.
Paso 2: fontes de enerxía (electricidade renovable ou gas natural)
Outro compoñente é o consumo de auga para producir electricidade renovable e gas natural. O consumo de auga da enerxía fotovoltaica varía entre 50-400 litros/MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) e o da enerxía eólica entre 5-45 litros/MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Do mesmo xeito, a produción de gas a partir de gas de esquisto (con base en datos dos EUA) pódese aumentar de 1,14 kgH2O/kgH2 a 4,9kgH2O/kgH2.
En conclusión, o consumo medio total de auga de hidróxeno xerado pola xeración de enerxía fotovoltaica e eólica é de aproximadamente 32 e 22 kgH2O/kgH2, respectivamente. As incertezas veñen da radiación solar, a vida útil e o contido de silicio. Este consumo de auga está na mesma orde de magnitude que a produción de hidróxeno a partir do gas natural (7,6-37 kgh2o/kgH2, cunha media de 22kgH2O/kgH2).
Pegada hídrica total: Menor cando se usan enerxías renovables
Do mesmo xeito que as emisións de CO2, un requisito previo para unha baixa pegada hídrica nas rutas electrolíticas é o uso de fontes de enerxía renovables. Se só se xera unha pequena fracción da electricidade mediante combustibles fósiles, o consumo de auga asociado á electricidade é moito maior que a auga consumida durante a electrólise.
Por exemplo, a xeración de enerxía a gas pode empregar ata 2.500 litros/MWh de auga. Tamén é o mellor caso para os combustibles fósiles (gas natural). Se se considera a gasificación do carbón, a produción de hidróxeno pode consumir 31-31,8 kgH2O/kgH2 e a produción de carbón pode consumir 14,7 kgH2O/kgH2. Tamén se prevé que o consumo de auga da enerxía fotovoltaica e eólica diminúe co paso do tempo a medida que os procesos de fabricación sexan máis eficientes e mellore a produción de enerxía por unidade de capacidade instalada.
Consumo total de auga en 2050
Espérase que o mundo use moitas veces máis hidróxeno no futuro que hoxe. Por exemplo, World Energy Transitions Outlook de IRENA estima que a demanda de hidróxeno en 2050 será duns 74 EJ, dos cales preto de dous terzos procederán de hidróxeno renovable. En comparación, hoxe (hidróxeno puro) é de 8,4 EJ.
Aínda que o hidróxeno electrolítico puidese satisfacer a demanda de hidróxeno durante todo o ano 2050, o consumo de auga sería duns 25.000 millóns de metros cúbicos. A seguinte figura compara esta cifra con outras fontes de consumo de auga artificial. A agricultura usa a maior cantidade de 280.000 millóns de metros cúbicos de auga, mentres que a industria usa case 800.000 millóns de metros cúbicos e as cidades usan 470.000 millóns de metros cúbicos. O consumo actual de auga do reformado de gas natural e da gasificación do carbón para a produción de hidróxeno é duns 1.500 millóns de metros cúbicos.
Así, aínda que se espera que se consuman grandes cantidades de auga debido aos cambios nas vías electrolíticas e á crecente demanda, o consumo de auga procedente da produción de hidróxeno aínda será moito menor que outros fluxos empregados polos humanos. Outro punto de referencia é que o consumo de auga per cápita está entre os 75 (Luxemburgo) e os 1.200 (EE. UU.) metros cúbicos ao ano. Cunha media de 400 m3/(per cápita*ano), a produción total de hidróxeno en 2050 equivale á dun país de 62 millóns de habitantes.
Canto custa auga e canta enerxía se utiliza
custo
As celas electrolíticas requiren auga de alta calidade e requiren tratamento de auga. A auga de menor calidade leva a unha degradación máis rápida e unha vida máis curta. Moitos elementos, incluídos os diafragmas e catalizadores utilizados en alcalinos, así como as membranas e as capas de transporte porosas do PEM, poden verse afectados negativamente por impurezas da auga como ferro, cromo, cobre, etc. A condutividade da auga debe ser inferior a 1 μS/ cm e carbono orgánico total inferior a 50μg/L.
A auga representa unha parte relativamente pequena do consumo e dos custos de enerxía. O peor dos casos para ambos parámetros é a desalinización. A osmose inversa é a principal tecnoloxía de desalinización, que representa case o 70 por cento da capacidade global. A tecnoloxía custa $ 1900- $ 2000 / m³/d e ten unha taxa de curva de aprendizaxe do 15%. A este custo de investimento, o custo do tratamento é de aproximadamente 1 $/m³, e pode ser inferior nas áreas onde os custos da electricidade son baixos.
Ademais, os custos de envío aumentarán entre 1 e 2 dólares por m³. Incluso neste caso, os custos de tratamento de auga son de aproximadamente 0,05 USD/kgH2. Para poñer isto en perspectiva, o custo do hidróxeno renovable pode ser de 2-3 USD/kgH2 se hai bos recursos renovables dispoñibles, mentres que o custo do recurso medio é de 4-5 USD/kgH2.
Así, neste escenario conservador, a auga custaría menos do 2 por cento do total. O uso de auga de mar pode aumentar a cantidade de auga recuperada de 2,5 a 5 veces (en termos de factor de recuperación).
Consumo de enerxía
Tendo en conta o consumo de enerxía da desalinización, tamén é moi pequeno en comparación coa cantidade de electricidade necesaria para introducir a célula electrolítica. A unidade de ósmose inversa en funcionamento actual consome uns 3,0 kW/m3. Pola contra, as desalinizadoras térmicas teñen un consumo enerxético moito maior, que oscila entre os 40 e os 80 KWH/m3, con requisitos de potencia adicionais que oscilan entre 2,5 e 5 KWH/m3, dependendo da tecnoloxía de desalinización. Tomando como exemplo o caso conservador (é dicir, unha maior demanda de enerxía) dunha planta de coxeración, supoñendo o uso dunha bomba de calor, a demanda de enerxía converteríase nuns 0,7 kWh/kg de hidróxeno. Para poñer isto en perspectiva, a demanda de electricidade da célula electrolítica é duns 50-55 kWh/kg, polo que mesmo no peor dos casos, a demanda de enerxía para a desalinización é de aproximadamente o 1% da entrada de enerxía total ao sistema.
Un reto da desalinización é a eliminación da auga salgada, que pode ter un impacto nos ecosistemas mariños locais. Esta salmoira pódese tratar aínda máis para reducir o seu impacto ambiental, engadindo así outros 0,6-2,40 $/m³ ao custo da auga. Ademais, a calidade da auga electrolítica é máis rigorosa que a auga potable e pode producir custos de tratamento máis elevados, pero aínda se espera que isto sexa pequeno en comparación coa entrada de enerxía.
A pegada hídrica da auga electrolítica para a produción de hidróxeno é un parámetro de localización moi específico que depende da dispoñibilidade local de auga, o consumo, a degradación e a contaminación. Débese considerar o equilibrio dos ecosistemas e o impacto das tendencias climáticas a longo prazo. O consumo de auga será un gran obstáculo para ampliar o hidróxeno renovable.
Hora de publicación: 08-03-2023