El hidrógeno renovable se puede producir a través de muchas vías diferentes, sin embargo, la electrólisis a partir del agua está llamada a ser la principal de todas debido a su capacidad para producir las inmensas cantidades de hidrógeno que se requerirán en los próximos años. Aquí, se genera una cuestión fundamental: Si generamos este gas a partir del agua, ¿será la demanda de este agua muy elevada? ¿Dónde se consume el agua dentro de una planta de producción de hidrógeno renovable y otros combustibles sintéticos y cómo podemos reducir su consumo?
En este artículo de AtlantHy Academy, veremos los secretos del consumo de agua en las plantas de hidrógeno verde.
Introducción y contexto
El hidrógeno es considerado un componente crucial para alcanzar los objetivos climáticos globales, principalmente debido a su capacidad para almacenar y transportar energía limpia. Al ser un combustible que sólo produce agua como subproducto cuando se utiliza, el hidrógeno tiene el potencial de descarbonizar sectores difíciles de electrificar, como el transporte pesado, la industria química, la generación de calor de alta temperatura y la metalurgia.
La Agencia Internacional de Energía (IEA) ha destacado que el hidrógeno puede cubrir hasta el 18% de la demanda energética mundial para 2050 (IEA, 2019). Sin embargo, para que este potencial se materialice, es crucial desarrollar métodos de producción de hidrógeno que no dependan de combustibles fósiles, y aquí es donde entra en juego el agua.
La producción de hidrógeno verde requiere agua de alta pureza para el proceso de electrólisis, lo cual implica que la ubicación seleccionada para la planta debe tener acceso a recursos acuáticos. Las fuentes convencionales incluyen suministros de agua dulce superficial, aguas subterráneas salobres y agua de mar. Aun así, es probable que, para minimizar el consumo de agua y en regiones áridas, se necesite el uso de agua reciclada de fuentes no convencionales, como efluentes industriales y aguas residuales tratadas (Kimball, 2024). Asimismo, el proceso de producción de hidrógeno genera unas cantidades ingentes de calor que debe ser disipado, por lo que siempre se contemplan unidades de refrigeración, implicando un mayor consumo de agua además de otras cuestiones como un mayor consumo eléctrico o de espacio.
agua para la producción y la refrigeración en la demanda total de agua para la
producción de hidrógeno (Bluerisk, 2023).
Agua en la producción de hidrógeno verde
A continuación, te comentamos tres puntos que describen y denotan la importancia del agua en la producción del hidrógeno:
Cantidad: para producir 1 kg de hidrógeno mediante electrólisis se requieren aproximadamente 9 litros de agua. Considerando la escala a la que se espera producir hidrógeno en el futuro, el consumo de agua podría ser significativo, especialmente en áreas con escasez de recursos hídricos.
hidrógeno (Madsen, 2022).
Eficiencia y vida útil: de la misma forma, la eficiencia del proceso de electrólisis depende en gran medida de la calidad del agua utilizada. Para asegurar un funcionamiento óptimo y prolongar la vida útil de los componentes, es esencial que el agua sea de alta pureza, generalmente equivalente a agua desionizada o destilada. Impurezas como sales, minerales y otros contaminantes pueden provocar la formación de depósitos en los electrodos, aumentar la resistencia eléctrica y acelerar la degradación de la membrana en los electrolizadores de membrana de intercambio de protón (PEM). Además, la presencia de cloruros y otros iones corrosivos puede dañar irreversiblemente los materiales del electrolizador (Hans Becker, 2023).
Tratamiento del agua: puede incluir procesos de filtración, ósmosis inversa y deionización, para eliminar las impurezas y asegurar la calidad necesaria para una electrólisis eficiente y sostenible (Hans Becker, 2023).El uso de agua dulce en la producción de hidrógeno plantea desafíos, especialmente en regiones con escasez de agua. Para mitigar estos impactos, se están explorando fuentes alternativas de agua, como el agua de mar desalinizada (Kimball, 2024).
Otras posibilidades
Desde el equipo de Atlanthy nos parece interesante mencionar que la producción de hidrógeno mediante electrólisis consume una cantidad mínima de agua en comparación con otros sectores, como la agricultura de riego, que es responsable del 70% de las extracciones totales de agua dulce en el mundo, lo que equivale a más de 2.700 mil millones de m³ anuales. De este total, aproximadamente 1.100 mil millones de m³ de agua se consumen cada año, una cantidad más de 50 veces superior a la que se requeriría en una futura economía del hidrógeno (Rebecca R. Beswick, 2021).
No obstante, a pesar de que sectores adyacentes utilizan mucha más agua que las predicciones más ambiciosas para la producción de hidrógeno, las preocupaciones sobre la escasez de agua dulce subrayan la necesidad de reducir las extracciones de agua en todos los ámbitos posibles. Por lo tanto, proponer una solución que permita que la producción de hidrógeno aproveche los extensos recursos de agua salada del planeta puede reducir aún más la huella hídrica del hidrógeno.
Para abordar la necesidad de agua en la producción de hidrógeno, se están explorando diversas alternativas que pueden minimizar el impacto en los recursos hídricos convencionales.
Eliminación de salmuera: la tecnología de desalinización ha avanzado considerablemente, y su integración con plantas de electrólisis puede ofrecer una solución sostenible. Estudios recientes han demostrado que la desalinización, combinada con la producción de hidrógeno, puede ser eficiente y económicamente viable, aunque implica un aumento en los costos de energía. Cualquier planta de tratamiento de agua diseñada para eliminar sales necesarias para producir agua de alta pureza generará una corriente de salmuera concentrada que requiere disposición. La ubicación de la instalación en un lugar que ofrezca opciones económicas para la disposición de salmuera será un factor importante en el costo total del tratamiento ya que implica mayores costos energéticos (Kimball, 2024)
Efluentes terciarios: los efluentes terciarios no utilizados tienen un potencial significativo para la producción de hidrógeno verde a gran escala, con menores inversiones comparadas con el agua desalinizada y una mayor seguridad en el suministro de agua en comparación con el agua de lluvia. En una economía circular eficiente, el uso de efluentes reciclados para la producción de hidrógeno verde parece más sensato que la construcción de plantas de desalinización adicionales exclusivamente para la producción de hidrógeno. Los efluentes terciarios, con una purificación adicional mínima, principalmente para garantizar que los niveles de cloro estén por debajo de 0.1 ppm en todo momento, son altamente adecuados para la electrólisis (Phil Woods, 2022).
En resumen
Se hace evidente que la calidad del agua es un factor crítico en la producción de hidrógeno mediante electrólisis. Las impurezas pueden afectar negativamente la eficiencia, el rendimiento y la durabilidad de los electrolizadores. Aunque se han realizado algunos estudios, todavía se requiere una investigación más extensa para comprender completamente estos impactos y desarrollar soluciones que permitan la utilización de fuentes de agua menos puras sin comprometer el rendimiento. El avance en esta área es esencial para la expansión del hidrógeno verde como una solución energética sostenible.
El uso de agua salada, tratada mediante tecnologías de desalinización, y de efluentes terciarios reciclados de plantas de tratamiento de aguas residuales, se presenta como una alternativa viable y sostenible. Estos enfoques no solo disminuyen la competencia por el agua dulce, sino que también integran de manera eficiente el concepto de economía circular, minimizando la necesidad de construir plantas de desalinización adicionales exclusivamente para la producción de hidrógeno .
Con estas estrategias, junto con el desarrollo de políticas y regulaciones adecuadas, se puede asegurar una producción de hidrógeno verde que sea tanto económica como ambientalmente sostenible, sin incrementar el estrés hídrico y promoviendo un uso óptimo de los recursos disponibles. Te recomendamos escuchar el Episodio 75 de nuestro podcast: Tratamiento del agua con Sergio Meana (Hidritec) para complementar esta información de la mano de un profesional en tratamientos de aguas.
No olvides que desde AtlantHy trabajamos diariamente en proyectos donde el consumo de agua de la planta puede llegar a multiplicarse en función de las decisiones adoptadas en el diseño.
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Si te ha gustado este artículo, permanece atento para seguir aprendiendo en la segunda parte, donde hablaremos sobre donde radican los principales consumos de agua dentro de una planta de producción de combustibles sintéticos además de mencionar estrategias de reducción del consumo… ¡Síguenos en AtlantHy Academy!
Referencias
Bluerisk, I. a. (2023). Water for hydrogen production. Abu Dhabi.
Hans Becker, J. M. (2023). Impact of impurities on water electrolysis: a review. Sustainable Energy & Fuels, 1-66.
IEA. (2019). The future of hydrogen Seizing today’s opportunities . IEA.
Kimball, B. (18 de Marzo de 2024). Water’s Role in Producing Sustainable Green Hydrogen Power. Obtenido de WSP: https://www.wsp.com/en-us/insights/2024-green-hydrogen-power#:~:text=Green%20hydrogen%2C%20also%20known%20as,gases%20%E2%80%93%20pure%20oxygen%20and%20hydrogen.
Madsen, H. T. (27 de Octubre de 2022). Water treatment for green hydrogen: what you need to know. Obtenido de Hydrogen Tech: https://hydrogentechworld.com/water-treatment-for-green-hydrogen-what-you-need-to-know
Phil Woods, H. B.-Z. (2022). The hydrogen economy – Where is the water? Energy Nexus.
Rebecca R. Beswick, A. M. (2021). Does the Green Hydrogen Economy Have a Water Problem? ACS ENERGY LETTERS .