Quanta acqua viene consumata dall'elettrolisi
Fase uno: produzione di idrogeno
Il consumo di acqua deriva da due fasi: produzione di idrogeno e produzione di vettori energetici a monte. Per la produzione di idrogeno, il consumo minimo di acqua elettrolizzata è di circa 9 chilogrammi di acqua per chilogrammo di idrogeno. Tuttavia, tenendo conto del processo di demineralizzazione dell'acqua, questo rapporto può variare da 18 a 24 chilogrammi di acqua per chilogrammo di idrogeno, o addirittura da 25,7 a 30,2.
Per il processo di produzione esistente (reforming del vapore di metano), il consumo minimo di acqua è 4,5 kgH2O/kgH2 (necessario per la reazione), tenendo conto dell'acqua di processo e del raffreddamento, il consumo minimo di acqua è 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.
Fase 2: Fonti energetiche (elettricità rinnovabile o gas naturale)
Un’altra componente è il consumo di acqua per produrre elettricità rinnovabile e gas naturale. Il consumo di acqua dell’energia fotovoltaica varia tra 50-400 litri/MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) e quello dell’energia eolica tra 5-45 litri/MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Allo stesso modo, la produzione di gas dallo shale gas (sulla base dei dati statunitensi) può essere aumentata da 1,14 kgH2O/kgH2 a 4,9 kgH2O/kgH2.
In conclusione, il consumo medio totale di acqua di idrogeno generato dalla produzione di energia fotovoltaica ed eolica è rispettivamente di circa 32 e 22 kgH2O/kgH2. Le incertezze derivano dalla radiazione solare, dalla durata e dal contenuto di silicio. Questo consumo di acqua è dello stesso ordine di grandezza della produzione di idrogeno dal gas naturale (7,6-37 kgh2o/kgH2, con una media di 22 kgH2O/kgH2).
Impronta idrica totale: inferiore quando si utilizza energia rinnovabile
Analogamente alle emissioni di CO2, un prerequisito per un basso impatto idrico per i percorsi elettrolitici è l’uso di fonti energetiche rinnovabili. Se solo una piccola parte dell’elettricità viene generata utilizzando combustibili fossili, il consumo di acqua associato all’elettricità è molto superiore all’acqua effettivamente consumata durante l’elettrolisi.
Ad esempio, la produzione di energia elettrica tramite gas può utilizzare fino a 2.500 litri/MWh di acqua. È anche il caso migliore per i combustibili fossili (gas naturale). Se si considera la gassificazione del carbone, la produzione di idrogeno può consumare 31-31,8 kgH2O/kgH2 e la produzione di carbone può consumare 14,7 kgH2O/kgH2. Si prevede che anche il consumo di acqua derivante dal fotovoltaico e dall’eolico diminuirà nel tempo man mano che i processi produttivi diventeranno più efficienti e la produzione di energia per unità di capacità installata migliorerà.
Consumo totale di acqua nel 2050
Si prevede che in futuro il mondo utilizzerà una quantità di idrogeno molte volte superiore rispetto a oggi. Ad esempio, il World Energy Transitions Outlook dell’IRENA stima che la domanda di idrogeno nel 2050 sarà di circa 74 EJ, di cui circa due terzi proverranno dall’idrogeno rinnovabile. In confronto, oggi (idrogeno puro) è 8,4 EJ.
Anche se l’idrogeno elettrolitico potesse soddisfare la domanda di idrogeno per tutto il 2050, il consumo di acqua sarebbe di circa 25 miliardi di metri cubi. La figura seguente mette a confronto questo dato con altri flussi di consumo di acqua artificiale. L’agricoltura utilizza la maggior quantità di 280 miliardi di metri cubi di acqua, mentre l’industria utilizza quasi 800 miliardi di metri cubi e le città utilizzano 470 miliardi di metri cubi. L’attuale consumo di acqua per il reforming del gas naturale e la gassificazione del carbone per la produzione di idrogeno è di circa 1,5 miliardi di metri cubi.
Pertanto, anche se si prevede che grandi quantità di acqua verranno consumate a causa dei cambiamenti nei percorsi elettrolitici e della crescente domanda, il consumo di acqua derivante dalla produzione di idrogeno sarà comunque molto inferiore rispetto ad altri flussi utilizzati dagli esseri umani. Un altro punto di riferimento è che il consumo pro capite di acqua è compreso tra 75 (Lussemburgo) e 1.200 (Stati Uniti) metri cubi all’anno. Con una media di 400 m3/(pro capite* anno), la produzione totale di idrogeno nel 2050 equivale a quella di un paese di 62 milioni di persone.
Quanto costa l'acqua e quanta energia viene utilizzata
costo
Le celle elettrolitiche richiedono acqua di alta qualità e necessitano di un trattamento dell'acqua. L’acqua di qualità inferiore porta a un degrado più rapido e a una vita più breve. Molti elementi, inclusi i diaframmi e i catalizzatori utilizzati negli alcalini, nonché le membrane e gli strati di trasporto porosi del PEM, possono essere influenzati negativamente dalle impurità dell'acqua come ferro, cromo, rame, ecc. La conduttività dell'acqua deve essere inferiore a 1μS/ cm e carbonio organico totale inferiore a 50μg/L.
L’acqua rappresenta una quota relativamente piccola del consumo energetico e dei costi. Lo scenario peggiore per entrambi i parametri è la desalinizzazione. L’osmosi inversa è la principale tecnologia di desalinizzazione e rappresenta quasi il 70% della capacità globale. La tecnologia costa $ 1900- $ 2000 / m³/g e ha un tasso di curva di apprendimento del 15%. Con questo costo di investimento, il costo del trattamento è di circa 1 dollaro/m³ e potrebbe essere inferiore nelle aree in cui i costi dell’elettricità sono bassi.
Inoltre, i costi di spedizione aumenteranno di circa $ 1-2 per m³. Anche in questo caso, i costi per il trattamento dell’acqua ammontano a circa 0,05 $/kgH2. Per mettere questo in prospettiva, il costo dell’idrogeno rinnovabile può essere di 2-3 dollari/kgH2 se sono disponibili buone risorse rinnovabili, mentre il costo della risorsa media è di 4-5 dollari/kgH2.
Quindi, in questo scenario conservativo, l’acqua costerebbe meno del 2% del totale. L'utilizzo dell'acqua di mare può aumentare la quantità di acqua recuperata da 2,5 a 5 volte (in termini di fattore di recupero).
Consumo energetico
Anche il consumo energetico della desalinizzazione è molto ridotto rispetto alla quantità di elettricità necessaria per alimentare la cella elettrolitica. L'attuale unità ad osmosi inversa in funzione consuma circa 3,0 kW/m3. Al contrario, gli impianti di dissalazione termica hanno un consumo energetico molto più elevato, che va da 40 a 80 KWH/m3, con requisiti di potenza aggiuntivi che vanno da 2,5 a 5 KWH/m3, a seconda della tecnologia di dissalazione. Prendendo come esempio il caso conservativo (cioè una maggiore domanda di energia) di un impianto di cogenerazione, ipotizzando l'uso di una pompa di calore, la domanda di energia verrebbe convertita in circa 0,7kWh/kg di idrogeno. Per mettere questo in prospettiva, la richiesta di elettricità della cella elettrolitica è di circa 50-55 kWh/kg, quindi anche nello scenario peggiore, la richiesta di energia per la desalinizzazione è circa l’1% dell’energia totale immessa nel sistema.
Una sfida della desalinizzazione è lo smaltimento dell’acqua salata, che può avere un impatto sugli ecosistemi marini locali. Questa salamoia può essere ulteriormente trattata per ridurne l’impatto ambientale, aggiungendo così altri 0,6-2,40 dollari/m³ al costo dell’acqua. Inoltre, la qualità dell’acqua elettrolitica è più rigorosa di quella dell’acqua potabile e può comportare costi di trattamento più elevati, ma si prevede che siano comunque ridotti rispetto all’energia assorbita.
L’impronta idrica dell’acqua elettrolitica per la produzione di idrogeno è un parametro geografico molto specifico che dipende dalla disponibilità idrica locale, dal consumo, dal degrado e dall’inquinamento. Dovrebbero essere presi in considerazione l’equilibrio degli ecosistemi e l’impatto delle tendenze climatiche a lungo termine. Il consumo di acqua costituirà uno dei principali ostacoli alla diffusione dell’idrogeno rinnovabile.
Orario di pubblicazione: 08-marzo-2023