El hidrógeno renovable agudizará el estrés hídrico: ¿mito o realidad?

En el día de hoy me voy a centrar en una de las utilities necesarias para la producción de hidrógeno: el AGUA. El consumo del agua suscita bastante interés a la hora de hablar de hidrógeno renovable producido mediante electrólisis. En redes sociales, muchos están preocupados por el posible impacto en el estrés hídrico que puede conllevar la generación de hidrógeno renovable a gran escala. Pero, ¿Mito o Realidad?

La primera sorpresa que nos llevamos es que el hidrógeno verde necesita menos cantidad total de agua que sus contrapartes más contaminantes.

1.Imagen.- Consumo directo e indirecto de agua en los distintos orígenes del hidrógeno. (Fuente: “Water for hydrogen production”-IRENA)

En primer lugar, podemos ver como el hidrógeno producido desde el carbón necesita mucho agua tanto de manera directa como auxiliar. La electrólisis con membrana de intercambio de protones (PEM) tiene la intensidad de consumo de agua más baja, aproximadamente 17,5 litros por kilogramo de hidrógeno (L H₂O/kg H₂). A la electrólisis alcalina le sigue la electrólisis PEM, con una intensidad de consumo de agua de 22,3 L H₂O/kg H₂. Sin embargo, podemos observar como el reformado de vapor de gas natural (SMR) tiene una intensidad de agua similar a la electrólisis con 17,5 L H₂O/kg H₂.

Uso directo e indirecto del agua

En la siguiente infografía podéis apreciar la distribución del agua empleada en cada una de las tecnologías. Como podréis comprobar, no todo es el uso del agua directo, también, uso indirecto que engloba rechazo existente tanto en la etapa de pre-tratamiento como en la etapa de enfriamiento.

2.Imagen.-Esquemas de extracción y consumo de agua específicos del proceso en litros para tecnologías de hidrógeno típicas para generar 1 kilogramo de hidrógeno. (Fuente: IRENA Water for hydrogen production).)

3.Imagen.-Esquemas de extracción y consumo de agua específicos del proceso en litros para tecnologías de hidrógeno típicas para generar 1 kilogramo de hidrógeno. (Fuente: IRENA Water for hydrogen production).)

Si os fijáis, en 2 de los 3 métodos de generación de hidrógeno la refrigeración representa aproximadamente el 56% y el 52%, respectivamente, de la extracción total de agua de las instalaciones de hidrógeno verde y marrón. Por otro lado, la refrigeración representa sólo alrededor del 14% de la retirada total de las instalaciones de hidrógeno gris.

4.Imagen.- Distribución entre consumo de agua y proceso de enfriamiento para los tres orígenes del hidrógeno. (Fuente: IRENA Water for hydrogen production).

Ahora vamos a pasar a cuantificar el número de proyectos de hidrógeno verde y azul (SMR+Captura de CO₂). Como se puede observar, Europa se ha volcado por el hidrógeno verde proveniente de la electricidad renovable. En contrapartida, lo más destacable, es que el Reino Unido ha apostado un 33% de sus proyectos al hidrógeno azul.

5.Imagen.- Distribución de proyectos de hidrógeno en Europa en función del origen.(Fuente: IRENA Water for hydrogen production).

¿Qué es el estrés hídrico?

Me gustaría volver al origen del análisis, y analizar el concepto de estrés hídrico. La definición habitual dice así “Se habla de estrés hídrico cuando la demanda de agua es más alta que la cantidad disponible durante un periodo determinado o cuando su uso se ve restringido por su baja calidad. El estrés hídrico provoca un deterioro de los recursos de agua dulce en términos de cantidad y de calidad”.

Según el análisis de IRENA (quien desee aquí tiene disponible el informe original: IRENA and Bluerisk (2023), Water for hydrogen production, International Renewable Energy Agency, Bluerisk, Abu Dhabi, United Arab Emirates.), establece el mapa del continente europeo con la intensidad de estrés hídrico que se le presupone a la región, junto con la ubicación de los proyectos de hidrógeno.

6.Imagen.- Un mapa del estrés hídrico y de los proyectos de hidrógeno operativos y previstos por tecnología de producción en Europa. (Fuente: IRENA Water for hydrogen production).

Hoy en día, en Europa se generan 7,5 MTn de hidrógeno al año, siendo la tecnología principal SMR (sin captura de CO₂). El panorama no es bueno, ya que, si los proyectos pretenden generar grandes cantidades de hidrógeno verde, pueden verse situaciones que no sea posible disponer de todo el agua necesario.

Por poner un ejemplo, la megasequía más reciente se produjo en 2022, el año más seco de Europa en 500 años, cuatro años después de la segunda peor sequía europea. Afectó en particular al sector energético.

Las plantas nucleares en Francia se cerraron parcialmente porque las temperaturas del agua de refrigeración eran demasiado altas, la producción de energía hidroeléctrica en Italia disminuyó debido a la sequía de los ríos y la producción de las centrales eléctricas de carbón en Alemania se redujo debido a que el transporte de carbón se vio interrumpido debido a los bajos niveles de los ríos.

Si focalizamos en la disposición de agua en los proyectos de hidrógeno por países, observamos que gran parte de los proyectos están anclados en lugares donde el agua no es abundante.

7.Imagen.- Distribución de proyectos en función de escasez de agua y origen. (Fuente: IRENA Water for hydrogen production).

Aunque la mayor sorpresa la llevamos al ver las plantas operativas actuales de hidrógeno renovable se encuentran en regiones de poco estrés hídrico.

8.Imagen.- Distribución de hidrógeno verde y azul global operativo y planificado. (Fuente: IRENA Water for hydrogen production).

Y Ager ¿cuál es la solución al problema?

Para solucionar algo, es necesario comprenderlo y para entender esto es necesario conocer porque se genera calor dentro de la electrólisis. En condiciones estándar de temperatura y presión (temperatura de 273K (0ºC) y a una presión de 1 atm (101.325 Pa)), el potencial reversible es de 1.23 V y el termoneutro es de 1.481 V para cualquier valor del pH en la electrólisis del agua.

Que quiere decir eso, que por debajo de 1,23 V no ocurre la electrólisis. Entre el rango de 1,23 V y 1,48 V, el sistema necesita calor para que ocurra. En condiciones estándar para que se produzca la electrólisis del agua se necesita aportar más de 1,48 V al sistema. Pero, todo el sobrepotencial que estemos aplicando por encima de ese umbral, se convertirá en calor, hecho que necesitaremos evitar para evitar la degradación de los electrodos y la membrana.

Por cada aumento de 1 punto porcentual en la eficiencia de la electrólisis*, la extracción de calor y los requisitos de consumo de agua para la producción de hidrógeno verde se reducen aproximadamente un 2%.*

Esto se debe principalmente a que, para el mismo tipo de tecnología de producción de hidrógeno, cuanto más eficiente energéticamente sea el sistema, menos calor residual será necesario transferir; esto significa que se requiere menos agua para enfriar.

9.Imagen.- Relaciones entre la eficiencia de conversión de hidrógeno y las intensidades de extracción y consumo de agua de un proyecto típico de electrólisis. (Fuente: IRENA Water for hydrogen production).

Y como se logra aumentar la eficiencia de la electrólisis, pues reduciendo la resistencia de la membrana al transporte del ion, mejorando los catalizadores involucrados en los electrodos (ánodo y cátodo) y mejorando el diseño del stack para lograr evacuar de manera rápida y efectiva las burbujas del gas que se generan y para no entorpecer la reacción electroquímica.

10.Imagen.- Sobrepotenciales de la electrólisis. (Fuente: International Journal of Hydrogen Energy Volume 42, Issue 41, 12 October 2017, Pages 25831-25847).