Retos relativos al agua en la producción de H2 renovable

Durante los últimos años, y debido al cambio climático, están aumentando el número de sequías a nivel mundial. En España, de forma particular, éstas se están volviendo cada vez más comunes, en especial en las zonas mediterráneas. Como ejemplo podemos destacar a Cataluña, región que estos últimos meses está sufriendo un agotamiento de sus reservas hídricas. Esto supone una escasez de uno de los recursos más importantes con los que cuenta la Tierra, el agua dulce, que es parte fundamental de infinitos procesos a nivel mundial, desde la ganadería a la generación de energía.

De manera más específica, en el sector de la generación de hidrógeno renovable se precisa de un suministro continuo de agua. Principalmente, el agua es necesaria ya que es una de las materias primas para producir el hidrógeno denominado renovable, siempre que se alimente el electrolizador mediante energías de origen renovable. En segundo lugar, el agua es necesaria para la refrigeración del calor producido.

El agua en la producción de hidrógeno

Actualmente existen distintas tecnologías de producción de hidrógeno, aunque para este análisis las dividiremos entre hidrógeno no renovable, el denominado de manera coloquial como hidrógeno gris, el hidrógeno no renovable con captura de carbono (hidrógeno azul) y el hidrógeno renovable (hidrógeno verde).

Aunque el uso de agua en la producción del hidrógeno aún se encuentra en etapas tempranas de investigación, se conocen los diferentes consumos aproximados de agua en función de las diferentes tecnologías:

• La necesidad de agua para las tecnologías de producción de hidrógeno renovable es de 17,5 litros por kilogramo de hidrógeno producido para la tecnología PEM, de 22,3 L/kg para la tecnología alcalina y de 10,8 L/kg para la tecnología SOEL.

• Para las tecnologías de producción de hidrógeno no renovable mediante reformado con vapor se cuentan con un consumo de agua de 17,5 L/kg y para el hidrógeno producido por gasificación de carbón se precisa de 31 L/kg.

• En cuanto al hidrógeno no renovable con captura de carbono se necesitan 32,1 L/kg para la producción y la captura de carbono mediante el reformado y de 50 L/kg para la producción y la captura del carbono de la gasificación del carbón.

En el año 2021, se estimó que se produjeron 86 Mt de hidrógeno en el mundo, donde la gran mayoría de éste fue hidrógeno no renovable. En los próximos años la producción de hidrógeno creció de manera considerable a nivel mundial, estimándose en 247 Mt para el año 2040, donde 166 serán renovables y 81 no renovables con captura de carbono, y en 523 Mt para el 2050, esperándose que un 94 % sea renovable.

Como es lógico, este aumento mundial de la producción de hidrógeno supone la necesidad de un mayor suministro de agua para satisfacer estas estimaciones. Por ello se pasará de los 2.200 millones de metros cúbicos consumidos hoy en día, lo que supone un 0,6 % del agua consumida en el sector energético, hasta los 7.300 millones para 2040 y de 12.100 millones para 2050.

El diagrama del suministro en los diferentes tipos de tecnología de producción de hidrógeno es el siguiente:

• Las tecnologías de producción de hidrógeno basadas en la gasificación del carbón tienen unos consumos de agua de 26.1 L si proviene de agua subterránea o ríos y de 43.5 L si se trata de agua salada, donde no se tiene en cuenta el consumo de agua relativo a la captura de carbono.

• Las tecnologías de producción de hidrógeno basadas en el reformado del vapor de metano tienen unos consumos de agua de 22.9 L si proviene de agua subterránea o ríos y de 38 L si se trata de agua salada.

• Para las tecnologías a las que se les realiza una captura de carbono, se tiene un suministro extra de 2,8 L si el agua se obtiene de ríos o agua subterránea y de 4.7 L si se usa agua del mar. A estas cantidades se suma el consumo mencionado de 32,1 L/kg para el reformado y de 50 L/kg para la gasificación del carbón.

• Las tecnologías de producción de hidrógeno basadas en la electrólisis tienen unos consumos de agua de 17.2 L si proviene de agua subterránea o ríos y de 28.6 L si se trata de agua salada.

Por sus características técnicas, cada tipo requiere de un suministro de agua distinto; para la producción de hidrogeno no renovable se destina un 14 % del suministro para la refrigeración, para el hidrógeno con captura un 92 % y, por último, para el renovable se destina un 56 % del suministro total. La refrigeración de los diferentes sistemas se realiza en bucles cerrados, por lo que no se consume el agua salvo posibles pérdidas por evaporación y por fugas que pueda presentar el circuito.

La extracción de agua para refrigeración es un 29% actualmente, aunque la transición de la reformada por vapor (con refrigeración) al hidrógeno verde y azul (con un alto requisito de refrigeración por la captura de carbono), puede aumentar hasta el 62% en 2040. Sin embargo, dado que se prevé que el hidrógeno verde cope la gran cantidad de la producción para el año 2050, la cuota de refrigeración podría disminuir hasta el 46% en el mercado mundial de producción de hidrógeno.

La problemática geográfica del consumo de agua

Europa se enfrenta a una gran cantidad de desafíos en los próximos años respecto a las cada vez más frecuentes sequías, que presentarán un impacto en la generación eléctrica y, en particular, en la producción de hidrógeno renovable electrolítico. De la gran cantidad de proyectos planteados en el continente europeo para la producción de hidrógeno para el año 2040, el 37% de los mismos se situarán en zonas con un alto estrés hídrico. Aunque el agua consumida para la producción de hidrógeno no tiene un impacto significativo de manera global, puede tener un impacto perjudicial a nivel local en situaciones en las que no se tenga abundantes reservas hídricas.

Según Water Risk Atlas (Aqueduct Water Risk Atlas (wri.org)) la situación actual de riesgo hídrico en Europa es el siguiente:

La cuenca del mediterráneo se destaca con las zonas con un mayor estrés actualmente. Estas zonas son en las que se quiere implementar gran parte de los proyectos de producción de hidrógeno por el gran potencial fotovoltaico que presentan, aunque están ligadas a gran cantidad de sequías sufridas en el continente.

A nivel nacional se encuentra la misma problemática que en el resto de Europa, el mayor estrés hídrico se presenta en las zonas costeras del mediterráneo, donde se pretenden realizar multitud de proyectos de producción de hidrógeno electrolítico. A continuación, se muestra la previsión del riesgo hídrico en los próximos años.

En el resto de Europa, el 64 % del total de proyectos ya en desarrollo de producción de hidrógeno en el territorio nacional están en zonas con riesgo hídrico, y en 2050 la mayoría se encontrarán con escasez de agua. Por lo que se antoja necesario la implementación de plantas de tratamiento agua salada para el suministro para los electrolizadores.

Soluciones para los problemas hídricos

Como se ha comentado, en los próximos años habrá un aumento de las sequías a consecuencia del cambio climático. Esto supondrá no solo problemas para la cadena de valor del hidrógeno renovable, sino también para el resto de los sectores industriales y no industriales, como puedan ser la agricultura y la ganadería. Ya han existido problemas en la industria francesa de la generación eléctrica, donde por problemas de sequías y del aumento de las temperaturas de las reservas hídricas ha sido imposible poder refrigerar parte de sus centrales nucleares.

Por eso, los gobiernos deben controlar la implantación de proyectos de producción de hidrógeno renovable en zonas con riesgo hídrico. También pueden reservar incentivos para las tecnologías de producción de hidrógeno con una menor necesidad de suministro de agua como puedan ser el generado por medio de electrólisis renovable. Aunque no es la tecnología que presenta unas menores necesidades de suministro de agua es la única que no emite GEI, y que no precisa de una captura de carbono que conlleva un mayor consumo de agua.

Se deben promover proyectos de I+D que busquen aumentar la eficiencia de los electrolizadores ya que, por cada punto de aumento en el rendimiento de los equipos, se reduce la extracción de calor y en un 2% el consumo de agua, que para potencias industriales disminuye el suministro hídrico.

Cuanto más eficiente energéticamente sea el electrolizador, menos calor residual se generará y habrá que evacuar, necesitándose menos cantidad de agua para enfriar el sistema. Las líneas de investigación para la mejora en este aspecto se centran en:

• Mejoras en la resistencia de las membranas en el transporte iónico.

• Mejoras en la evacuación de las burbujas de gas formadas que entorpecen la reacción electroquímica.

• Mejora en los catalizadores en el ánodo y cátodo.

También es necesario investigar en procesos de tratamiento de del agua, ya que la calidad de ésta supone un factor clave en la producción del hidrógeno. Otro punto a mejorar son las técnicas actuales de desalación para obtener así más agua y menos energía. También se deben centrar los esfuerzos de I+D en el desarrollo de tecnologías de electrolización que requieran una menor pureza de agua, e incluso que permitan la operación con agua “salada”.

Conclusiones

Los proyectos de hidrógeno consumen volúmenes importantes de agua, lo que podría ser preocupante para regiones con escasez. La demanda de agua de la industria del hidrógeno es solo una fracción de la del sector energético y, probablemente, seguirá siéndolo en los próximos dos o tres años. Por estos motivos es importante favorecer el desarrollo a escala industrial de las soluciones de producción de hidrógeno con una menor necesidad de uso de agua, que como se ha mencionado previamente son las soluciones de tecnología electrolítica.

Como gran parte de los proyectos de producción de hidrógeno se realizarán en zonas costeras con abundantes horas de sol anuales, sería interesante el uso de agua desalada, a ser posible a partir de energías renovables. Sin embargo, como los procesos encargados de retirar la sal del agua tienen un suministro intensivo de electricidad, hay que gestionar correctamente el uso de estas plantas desalinizadoras, ya que disminuyen el rendimiento global de la producción de hidrógeno. Además, hay que gestionar los residuos salinos de la implementación de este tipo de plantas que suponen un impacto medioambiental no despreciable.

La planificación geográfica de la implementación de futuros proyectos de producción de hidrógeno renovable en la unión europea será un factor para tener en cuenta, ya que habrá que considerar el potencial renovable de la zona en la que se desarrollará la instalación de producción de hidrógeno, y el posible estrés hídrico que pueda presentar la zona cuando se inicie el proyecto y la previsión que pueda presentar el lugar en los próximos años.

Es necesario comentar que en la producción del hidrógeno para el año 2050, en el que se habrán obtenido los objetivos propuestos por la Unión Europea, la cantidad de agua necesaria supondrá un porcentaje pequeño en comparación con otros sectores. En España, por ejemplo, el 80% del agua se destina para la agricultura. De igual manera, como se ha visto estos últimos años en regiones del territorio nacional como pueda ser Cataluña, se posee una deficiente infraestructura de suministro de agua repercutiendo en grandes pérdidas por la falta de mantenimiento adecuado. La puesta a punto de este tipo de infraestructuras a lo largo del país puede suponer una compensación total al consumo de agua adicional generado por la producción de hidrógeno.

Por último, hacer referencia a la mejora en la eficiencia energética de los electrolizadores. A escalas de electrolizadores de más de cien megavatios, un aumento porcentual de la eficiencia de la electrólisis conllevará una reducción exponencial del agua necesaria para la producción y refrigeración.