Quanta acqua ci vuole per produrre idrogeno per elettrolisi?

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 a vapore di metano), il consumo minimo di acqua è di 4,5 kgH2O/kgH2 (necessario per la reazione), tenendo conto dell'acqua di processo e del raffreddamento, il consumo minimo di acqua è di 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.

Fase 2: Fonti energetiche (elettricità rinnovabile o gas naturale)

Un altro componente è il consumo di acqua per la produzione di energia elettrica rinnovabile e gas naturale. Il consumo idrico 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 dal gas di scisto (sulla base dei dati statunitensi) può essere aumentata da 1,14 kgH2O/kgH2 a 4,9 kgH2O/kgH2.

In conclusione, il consumo idrico totale medio di idrogeno generato dalla generazione di energia fotovoltaica e dalla generazione di energia 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 22kgH2O/kgH2).

Impronta idrica totale: inferiore quando si utilizza energia rinnovabile

Analogamente alle emissioni di CO2, un prerequisito per una bassa impronta idrica per i percorsi elettrolitici è l'uso di fonti energetiche rinnovabili. Se solo una piccola frazione dell'elettricità viene generata utilizzando combustibili fossili, il consumo di acqua associato all'elettricità è molto più alto dell'acqua effettivamente consumata durante l'elettrolisi.

Ad esempio, la produzione di energia elettrica a 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 da impianti fotovoltaici ed eolici diminuirà nel tempo man mano che i processi di produzione diventeranno più efficienti e la produzione di energia per unità di capacità installata migliorerà.

Consumo totale di acqua nel 2050

Si prevede che il mondo utilizzerà molte volte più idrogeno in futuro rispetto a oggi. Ad esempio, il World Energy Transitions Outlook di IRENA stima che la domanda di idrogeno nel 2050 sarà di circa 74 EJ, di cui circa due terzi proverranno da 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 confronta questa cifra con altri flussi di consumo idrico di origine antropica. L'agricoltura utilizza la quantità maggiore 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, sebbene si preveda il consumo di grandi quantità di acqua 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 di acqua pro capite è compreso tra 75 (Lussemburgo) e 1.200 (USA) 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 consumata

costo

Le celle elettrolitiche richiedono acqua di alta qualità e richiedono un trattamento dell'acqua. L'acqua di qualità inferiore porta a un degrado più rapido e una vita più breve. Molti elementi, compresi i diaframmi e i catalizzatori utilizzati negli alcali, nonché le membrane e gli strati di trasporto porosi di PEM, possono essere influenzati negativamente dalle impurità dell'acqua come ferro, cromo, rame, ecc. La conducibilità 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 tecnologia principale per la desalinizzazione, rappresentando quasi il 70% della capacità globale. La tecnologia costa $ 1900- $ 2000 / m³/d e ha un tasso di curva di apprendimento del 15%. A questo costo di investimento, il costo del trattamento è di circa $ 1/m³ e può 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 di trattamento dell'acqua sono di circa 0,05 $/kgH2. Per mettere questo in prospettiva, il costo dell'idrogeno rinnovabile può essere di 2-3 $/kgH2 se sono disponibili buone risorse rinnovabili, mentre il costo della risorsa media è di 4-5 $/kgH2.

Quindi, in questo scenario conservativo, l'acqua costerebbe meno del 2% del totale. L'uso di acqua di mare può aumentare la quantità di acqua recuperata da 2,5 a 5 volte (in termini di fattore di recupero).

Consumo di energia

Guardando il consumo di energia della desalinizzazione, è anche molto piccolo rispetto alla quantità di elettricità necessaria per alimentare la cella elettrolitica. L'attuale unità di osmosi inversa in funzione consuma circa 3,0 kW/m3. Al contrario, gli impianti di desalinizzazione termica hanno un consumo energetico molto più elevato, compreso tra 40 e 80 KWH/m3, con un fabbisogno energetico aggiuntivo compreso tra 2,5 e 5 KWH/m3, a seconda della tecnologia di desalinizzazione. Prendendo come esempio il caso conservativo (ovvero maggiore richiesta di energia) di un impianto di cogenerazione, ipotizzando l'utilizzo di una pompa di calore, la richiesta 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 50-55kWh/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 $/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 ciò sia comunque ridotto rispetto alla potenza assorbita.

L'impronta idrica dell'acqua elettrolitica per la produzione di idrogeno è un parametro di localizzazione molto specifico che dipende dalla disponibilità, dal consumo, dal degrado e dall'inquinamento dell'acqua locale. Dovrebbero essere considerati l'equilibrio degli ecosistemi e l'impatto delle tendenze climatiche a lungo termine. Il consumo di acqua sarà un ostacolo importante per aumentare l'idrogeno rinnovabile.