Quanta água é consumida pela eletrólise
Etapa um: Produção de hidrogênio
O consumo de água provém de duas etapas: produção de hidrogénio e produção de transportadores de energia a montante. Para a produção de hidrogênio, o consumo mínimo de água eletrolisada é de aproximadamente 9 quilogramas de água por quilograma de hidrogênio. No entanto, tendo em conta o processo de desmineralização da água, esta relação pode variar de 18 a 24 quilogramas de água por quilograma de hidrogénio, ou mesmo tão elevada como 25,7 a 30,2..
Para o processo de produção existente (reforma a vapor de metano), o consumo mínimo de água é de 4,5kgH2O/kgH2 (necessário para reação), levando em consideração a água do processo e o resfriamento, o consumo mínimo de água é de 6,4-32,2kgH2O/kgH2.
Passo 2: Fontes de energia (eletricidade renovável ou gás natural)
Outro componente é o consumo de água para produzir eletricidade renovável e gás natural. O consumo de água da energia fotovoltaica varia entre 50-400 litros/MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) e o da energia eólica entre 5-45 litros/MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). Da mesma forma, a produção de gás a partir do gás de xisto (com base em dados dos EUA) pode ser aumentada de 1,14kgH2O/kgH2 para 4,9kgH2O/kgH2.
Em conclusão, o consumo médio total de água de hidrogénio gerado pela geração de energia fotovoltaica e pela geração de energia eólica é de cerca de 32 e 22kgH2O/kgH2, respectivamente. As incertezas vêm da radiação solar, vida útil e conteúdo de silício. Este consumo de água é da mesma ordem de grandeza da produção de hidrogénio a partir do gás natural (7,6-37 kgh2o /kgH2, com uma média de 22kgH2O/kgH2).
Pegada hídrica total: Menor quando se utiliza energia renovável
Tal como acontece com as emissões de CO2, um pré-requisito para uma baixa pegada hídrica nas rotas eletrolíticas é a utilização de fontes de energia renováveis. Se apenas uma pequena fracção da electricidade for gerada através de combustíveis fósseis, o consumo de água associado à electricidade é muito superior à água efectivamente consumida durante a electrólise.
Por exemplo, a geração de energia a gás pode consumir até 2.500 litros/MWh de água. É também o melhor caso para os combustíveis fósseis (gás natural). Se for considerada a gaseificação do carvão, a produção de hidrogénio pode consumir 31-31,8kgH2O/kgH2 e a produção de carvão pode consumir 14,7kgH2O/kgH2. Prevê-se também que o consumo de água proveniente da energia fotovoltaica e eólica diminua ao longo do tempo, à medida que os processos de fabrico se tornam mais eficientes e a produção de energia por unidade de capacidade instalada melhora.
Consumo total de água em 2050
Espera-se que o mundo utilize muitas vezes mais hidrogénio no futuro do que hoje. Por exemplo, o World Energy Transitions Outlook da IRENA estima que a procura de hidrogénio em 2050 será de cerca de 74EJ, dos quais cerca de dois terços provirão de hidrogénio renovável. Em comparação, hoje (hidrogênio puro) é 8,4EJ.
Mesmo que o hidrogénio electrolítico pudesse satisfazer a procura de hidrogénio durante todo o ano de 2050, o consumo de água seria de cerca de 25 mil milhões de metros cúbicos. A figura abaixo compara este valor com outros fluxos de consumo de água produzidos pelo homem. A agricultura utiliza a maior quantidade de 280 mil milhões de metros cúbicos de água, enquanto a indústria utiliza quase 800 mil milhões de metros cúbicos e as cidades utilizam 470 mil milhões de metros cúbicos. O atual consumo de água na reforma do gás natural e na gaseificação do carvão para a produção de hidrogénio é de cerca de 1,5 mil milhões de metros cúbicos.
Assim, embora se espere que grandes quantidades de água sejam consumidas devido a mudanças nas vias eletrolíticas e à crescente demanda, o consumo de água proveniente da produção de hidrogênio ainda será muito menor do que outros fluxos utilizados pelos seres humanos. Outro ponto de referência é que o consumo de água per capita está entre 75 (Luxemburgo) e 1.200 (EUA) metros cúbicos por ano. Com uma média de 400 m3 / (per capita * ano), a produção total de hidrogénio em 2050 é equivalente à de um país com 62 milhões de habitantes.
Quanto custa a água e quanta energia é usada
custo
As células eletrolíticas requerem água de alta qualidade e requerem tratamento de água. Água de qualidade inferior leva a uma degradação mais rápida e a uma vida útil mais curta. Muitos elementos, incluindo diafragmas e catalisadores usados em produtos alcalinos, bem como as membranas e camadas de transporte porosas do PEM, podem ser afetados negativamente por impurezas de água, como ferro, cromo, cobre, etc. cm e carbono orgânico total inferior a 50μg/L.
A água representa uma parcela relativamente pequena do consumo e dos custos de energia. O pior cenário para ambos os parâmetros é a dessalinização. A osmose reversa é a principal tecnologia de dessalinização, representando quase 70% da capacidade global. A tecnologia custa entre US$ 1.900 e US$ 2.000/m³/d e tem uma taxa de curva de aprendizado de 15%. Com este custo de investimento, o custo do tratamento é de cerca de 1 dólar/m³, e pode ser menor em áreas onde os custos de electricidade são baixos.
Além disso, os custos de envio aumentarão cerca de 1-2 dólares por m³. Mesmo neste caso, os custos de tratamento de água são de cerca de 0,05 dólares/kgH2. Para colocar isto em perspectiva, o custo do hidrogénio renovável pode ser de 2-3 dólares/kgH2 se estiverem disponíveis bons recursos renováveis, enquanto o custo do recurso médio é de 4-5 dólares/kgH2.
Portanto, neste cenário conservador, a água custaria menos de 2% do total. A utilização de água do mar pode aumentar a quantidade de água recuperada entre 2,5 a 5 vezes (em termos de factor de recuperação).
Consumo de energia
Olhando para o consumo de energia da dessalinização, ele também é muito pequeno comparado à quantidade de eletricidade necessária para abastecer a célula eletrolítica. A unidade de osmose reversa em operação atual consome cerca de 3,0 kW/m3. Em contraste, as centrais de dessalinização térmica têm um consumo de energia muito mais elevado, variando entre 40 e 80 KWH/m3, com requisitos de energia adicionais que variam entre 2,5 e 5 KWH/m3, dependendo da tecnologia de dessalinização. Tomando como exemplo o caso conservador (ou seja, maior procura de energia) de uma central de cogeração, assumindo a utilização de uma bomba de calor, a procura de energia seria convertida para cerca de 0,7 kWh/kg de hidrogénio. Para colocar isto em perspectiva, a procura de electricidade da célula electrolítica é de cerca de 50-55 kWh/kg, portanto, mesmo no pior cenário, a procura de energia para a dessalinização é de cerca de 1% da energia total fornecida ao sistema.
Um desafio da dessalinização é a eliminação de água salgada, que pode ter um impacto nos ecossistemas marinhos locais. Esta salmoura pode ser tratada posteriormente para reduzir o seu impacto ambiental, acrescentando assim outros 0,6-2,40 dólares/m³ ao custo da água. Além disso, a qualidade da água eletrolítica é mais rigorosa do que a da água potável e pode resultar em custos de tratamento mais elevados, mas espera-se que ainda seja pequeno em comparação com a entrada de energia.
A pegada hídrica da água eletrolítica para produção de hidrogénio é um parâmetro de localização muito específico que depende da disponibilidade local de água, do consumo, da degradação e da poluição. O equilíbrio dos ecossistemas e o impacto das tendências climáticas a longo prazo devem ser considerados. O consumo de água será um grande obstáculo à expansão do hidrogénio renovável.
Horário da postagem: 08/03/2023