Quanta água é necessária para produzir hidrogênio por eletrólise?

Quanta água é consumida pela eletrólise

Primeiro passo: produção de hidrogênio

O consumo de água vem de duas etapas: produção de hidrogênio e produção de transportadores de energia a montante. Para a produção de hidrogênio, o consumo mínimo de água eletrolisada é de aproximadamente 9 quilos de água por quilo de hidrogênio. No entanto, levando em consideração o processo de desmineralização da água, essa relação pode variar de 18 a 24 quilos de água por quilo de hidrogênio, ou mesmo de 25,7 a 30,2.

Para o processo de produção existente (reforma a vapor do metano), o consumo mínimo de água é de 4,5kgH2O/kgH2 (necessário para reação), levando em consideração a água de processo e 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 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 hidrogênio gerado pela geração de energia fotovoltaica e geração de energia eólica é de cerca de 32 e 22kgH2O/kgH2, respectivamente. As incertezas vêm da radiação solar, tempo de vida e conteúdo de silício. Esse consumo de água é da mesma ordem de grandeza da produção de hidrogênio a partir do gás natural (7,6-37 kgh2o/kgH2, com média de 22kgH2O/kgH2).

Pegada hídrica total: menor ao usar energia renovável

Semelhante às emissões de CO2, um pré-requisito para uma pegada hídrica baixa para rotas eletrolíticas é o uso de fontes de energia renováveis. Se apenas uma pequena fração da eletricidade for gerada usando combustíveis fósseis, o consumo de água associado à eletricidade é muito maior do que a água real consumida durante a eletrólise.

Por exemplo, a geração de energia a gás pode consumir até 2.500 litros/MWh de água. É também o melhor caso para combustíveis fósseis (gás natural). Se a gaseificação do carvão for considerada, a produção de hidrogênio pode consumir 31-31,8kgH2O/kgH2 e a produção de carvão pode consumir 14,7kgH2O/kgH2. Espera-se também que o consumo de água de energia fotovoltaica e eólica diminua com o tempo, à medida que os processos de fabricação 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 use muitas vezes mais hidrogênio no futuro do que hoje. Por exemplo, o World Energy Transitions Outlook da IRENA estima que a demanda de hidrogênio em 2050 será de cerca de 74EJ, dos quais cerca de dois terços virão de hidrogênio renovável. Em comparação, hoje (hidrogênio puro) é 8,4 EJ.

Mesmo que o hidrogênio eletrolítico pudesse atender à demanda de hidrogênio por todo o ano de 2050, o consumo de água seria de cerca de 25 bilhões de metros cúbicos. A figura abaixo compara este valor com outros fluxos de consumo de água feitos pelo homem. A agricultura usa a maior quantidade de 280 bilhões de metros cúbicos de água, enquanto a indústria usa cerca de 800 bilhões de metros cúbicos e as cidades usam 470 bilhões de metros cúbicos. O consumo atual de água da reforma do gás natural e da gaseificação do carvão para a produção de hidrogênio é de cerca de 1,5 bilhão de metros cúbicos.

Assim, embora se espere que grandes quantidades de água sejam consumidas devido às mudanças nas vias eletrolíticas e à demanda crescente, o consumo de água da produção de hidrogênio ainda será muito menor do que outros fluxos usados ​​pelo homem. 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 hidrogênio em 2050 é equivalente à de um país de 62 milhões de habitantes.

Quanto custa a água e quanta energia é usada

custo

Células eletrolíticas requerem água de alta qualidade e requerem tratamento de água. Água de qualidade inferior leva a uma degradação mais rápida e vida útil mais curta. Muitos elementos, incluindo diafragmas e catalisadores usados ​​em alcalinos, bem como as membranas e camadas de transporte poroso do PEM, podem ser afetados adversamente por impurezas da água, como ferro, cromo, cobre, etc. A condutividade da água deve ser inferior a 1μS/ 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, respondendo por quase 70% da capacidade global. A tecnologia custa US$ 1.900 a US$ 2.000 / m³/d e tem uma curva de aprendizado de 15%. Com esse custo de investimento, o custo do tratamento é de cerca de US$ 1/m³ e pode ser menor em áreas onde os custos de eletricidade são baixos.

Além disso, os custos de envio aumentarão em cerca de US$ 1-2 por m³. Mesmo neste caso, os custos de tratamento de água são de cerca de US$ 0,05/kgH2. Para colocar isso em perspectiva, o custo do hidrogênio renovável pode ser de US$ 2-3/kgH2 se bons recursos renováveis ​​estiverem disponíveis, enquanto o custo do recurso médio é de US$ 4-5/kgH2.

Portanto, nesse cenário conservador, a água custaria menos de 2% do total. A utilização de água do mar pode aumentar a quantidade de água recuperada de 2,5 a 5 vezes (em termos de fator de recuperação).

Consumo de energia

Olhando para o consumo de energia da dessalinização, também é muito pequeno em comparação com a quantidade de eletricidade necessária para alimentar a célula eletrolítica. A unidade de osmose reversa operacional atual consome cerca de 3,0 kW/m3. Em contraste, as usinas de dessalinização térmica têm um consumo de energia muito maior, variando de 40 a 80 KWH/m3, com requisitos adicionais de energia variando de 2,5 a 5 KWH/m3, dependendo da tecnologia de dessalinização. Tomando como exemplo o caso conservador (ou seja, maior demanda de energia) de uma usina de cogeração, assumindo o uso de uma bomba de calor, a demanda de energia seria convertida em cerca de 0,7kWh/kg de hidrogênio. Para colocar isso em perspectiva, a demanda de eletricidade da célula eletrolítica é de cerca de 50-55kWh/kg, portanto, mesmo no pior cenário, a demanda de energia para dessalinização é de cerca de 1% da entrada total de energia no sistema.

Um desafio da dessalinização é o descarte de água salgada, que pode ter impacto nos ecossistemas marinhos locais. Essa salmoura pode ser tratada posteriormente para reduzir seu impacto ambiental, acrescentando assim outros US$ 0,6-2,40 /m³ ao custo da água. Além disso, a qualidade da água eletrolítica é mais rigorosa do que a água potável e pode resultar em custos de tratamento mais altos, mas ainda é esperado que seja pequeno em comparação com a entrada de energia.

A pegada hídrica da água eletrolítica para produção de hidrogênio é um parâmetro de localização muito específico que depende da disponibilidade, consumo, degradação e poluição local da água. O equilíbrio dos ecossistemas e o impacto das tendências climáticas de longo prazo devem ser considerados. O consumo de água será um grande obstáculo para a expansão do hidrogênio renovável.