El hidrógeno verde y la crisis del agua

Juan Ignacio de la Fuente Rodríguez

04/05/2023

Mientras la reserva hídrica en España está al 50% de su capacidad, desde los Gobiernos UE se toman decisiones contradictorias y cortoplacistas orientadas a crear expectativas, renovar la economía y generar empleo anunciando un gran número de proyectos de hidrógeno verde auspiciados bajo el paraguas de los fondos europeos procedentes del programa Next Generation.

El problema parece simplificarse a una descarbonización urgente y una generación masiva de energía renovable para producir hidrógeno verde por electrólisis alimentada por energía solar, eólica y otras fuentes de energía renovable excedentes como la mejor manera de descarbonizar las industrias más contaminantes, hablan del brillante futuro y se centran en los costos asociados a la electricidad necesaria para la electrólisis, pero se habla poco del agua y los recursos hídricos necesarios para obtenerlo.

Recursos hídricos necesarios

Según fuentes oficiales los recursos hídricos de España se estiman en 111.000 hm3/año, que incluye la aportación de la red fluvial 109.000 hm3/año y la subterránea 2.000 hm3/año.

En España se consumen unos 29.000 hm3/año para atender todas las demandas básicas, distribuidas en 80% para el riego de cultivos, el 14% por las ciudades y pueblos y un 6% por la industria.

Según se publica en el Boletín Hidrológico semanal del MITECO las reservas actuales en toda España son 28.000 hm3, por debajo de nuestro consumo anual:

La producción de hidrógeno como una fuente de energía alternativa se posiciona en el mercado como un sector en auge que se caracteriza por tener unos requerimientos de calidad de agua muy exigentes y restrictivos, a la par que precisan garantizar un aporte continuo de agua al proceso de producción.

Tomamos como referencia de la calidad del agua de entrada al electrolizador la que marca la Normativa de la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM), que hace referencia al agua que se usa como reactivo, determinando que lo más habitual en el caso de los electrolizadores es que el agua sea del tipo I.

Para obtener este tipo de agua ultrapura, se necesita una Planta de Tratamiento de Aguas (PTA) cuyo tren de tratamiento estará marcado, por la calidad del agua de aporte (red de abastecimiento urbana, pozo, lagos, ríos, etc.) y por el volumen de agua que hay que aportar al proceso de electrólisis.

La producción de una tonelada de hidrógeno a través de la electrólisis requería un promedio de 9 toneladas de agua, pero los sistemas de purificación y tratamiento de agua más modernos requieren unas dos toneladas de agua impura para producir una tonelada de agua purificada, es decir, una tonelada de hidrógeno en realidad no necesita nueve sino 18 toneladas de agua. Teniendo en cuenta las pérdidas, la proporción es más cercana a las 20 toneladas de agua por cada tonelada de hidrógeno.

Según fuentes oficiales, el consumo actual de hidrógeno en España para la industria (principalmente en refinerías, con REPSOL mayor consumidor, metalurgia, etc) se sitúa en torno a las 500.000 t/año, en su mayoría 99,99% a partir de combustibles fósiles como el metano, solo el 0,01 % del total del hidrógeno (50 toneladas anuales) se obtiene a partir de energías renovables.

El Gobierno español pretende que en 2030 se consuma como mínimo un 25% de forma renovable, es decir, 125.000 t/año, un ambicioso objetivo que espera implementar con ayuda de los fondos europeos destinados a la transición energética, lo que a razón de 20 t agua/t hidrógeno representa un consumo de 2,5 hm3/año de reservas de agua disponibles.

Adicionalmente el Ministerio de Transición Ecológica también pretende construir un hidroducto, proyecto H2MED, impulsado por Francia para llevar hidrógeno a Alemania por el Mediterráneo que estará operativo hacia 2030 con una capacidad de transporte de hasta 2 millones de toneladas anuales de hidrógeno verde, lo que supondría extraer 40 hm3/año de agua de nuestro sistema hídrico.

Es al menos contradictorio pensar que cuando no tenemos reservas suficientes para el consumo, creamos expectativas de convertirnos en un país exportador de hidrógeno verde y se estimulen proyectos que consumen ingentes cantidades de agua en una España con sed y que sufre restricciones de este elemento fundamental para la vida y subsistencia del campo, sin antes pensar en las obras hidráulicas de almacenamiento y distribución necesarias para poder desarrollar estos proyectos.

Recursos energéticos

Creo que antes de posicionar el hidrógeno como la solución al cambio climático, primero tenemos que tratar el hidrógeno como un problema en el cambio climático, porque como apunta la AIE, se generan 830 millones de toneladas anuales de CO2 cuando este gas se produce mediante combustibles fósiles, por lo que esto debería ser la primera prioridad.

Asimismo, reemplazar todo el hidrógeno gris mundial significaría 3.000 TWh renovables adicionales al año -similar a la demanda eléctrica actual en Europa.

La transición al hidrógeno verde podría ser rentable si se utilizase todo el exceso de energía renovable que no se consume, y que, por tanto, no puede almacenarse, pero se está creando un problema ético que hay que discutir en profundidad entre la subsistencia del campo y los macroproyectos anunciados que requiere enormes cantidades de suelo de labranza y secano para instalar plantas fotovoltaicas y al mismo tiempo el consumo masivo de agua para la producción de hidrógeno verde.

Analizado desde el punto de vista energético, se necesitan 60 kWh/kgH2verde, por lo que producir 2 millones de toneladas anuales de hidrógeno verde, supondría 120 TWh/año a lo que hay que añadirle, al menos un 20% por consumo energético por transporte, por lo cual la estimación de consumo eléctrico puede situarse orientativamente en unos 144 TWh/año y una superficie ocupada de 36.000 ha de suelo equivalente al 0,072% de todo el territorio nacional.

Según datos de REE (Red Eléctrica Española) la producción renovable en todo el año 2022 supuso el 42,2% del mix nacional. Las energías eólica y fotovoltaica cierran el año 2022 con 61.000 GWh eólico y 28.000 GWh en fotovoltaica, es decir, un total de 89 TWh anuales en renovables, muy por debajo de los 144 TWh/año necesarios solo para cumplir con el proyecto H2MED previsto para el 2030.

El coste del agua como factor determinante

Si hablamos de una economía sostenible y no financiada por fondos europeos, el coste del hidrógeno verde debe ser competitivo comercialmente, hablando de la purificación del agua, los químicos orgánicos explican que la forma más simple de hacerlo es destilándola. Este método es barato porque sólo necesita electricidad, pero no es rápido y el costo de la electricidad para destilar un litro de agua requiere 0,717 kWh, en promedio.

Según fuentes oficiales el precio medio de la electricidad en España para los usuarios no domésticos fue de un promedio de 0,201 €/kWh en el último año.

A una tasa de consumo de energía de 0,717 kWh, la destilación de un litro de agua, entonces, costaría 0,144 €. Para una tonelada de agua, eso sería 144,12 €.

Sin embargo, la electrólisis necesita hasta 20 toneladas de agua para producir una tonelada de hidrógeno. Esto significa que el costo de la purificación del agua para la producción de una tonelada de hidrógeno sería de 2.882 €. Esto se basa en la suposición de que el agua se purificaría utilizando el método más barato disponible.

Por lo tanto, proporcionar el tipo de agua adecuado para la hidrólisis cuesta dinero, y aunque 2.882 €/ tonelada de hidrógeno puede no parecer mucho, el costo de la purificación del agua no es el único gasto relacionado con el agua en la tecnología que busca fabricar hidrógeno a partir de fuentes renovables, además el agua que se introduce en un electrolizador tiene que ser transportada a él, lo que significa más gastos para la logística.

Adicionalmente, aunque con energía fotovoltaica podríamos operarlo a 25 €/MWh, incluso menos, producir una tonelada de hidrógeno verde a razón de 60 kWh/kgH2, representa un coste de 1.500 €/tH2 verde en electricidad.

Significa que producir hidrógeno verde, sin tener en consideración el impacto del CAPEX tendría un coste de insumos a la producción superior a 4.382 €/tH2, siendo un factor decisivo, no el coste de la energía ni el electrolizador, sino el coste del agua.

Obviamente, para reducir estos gastos, tendría sentido elegir un lugar donde el agua sea abundante, como por ejemplo un río o el mar, o, alternativamente, cerca de una instalación de tratamiento de agua. Esto pone un límite a la elección de lugares adecuados para electrolizadores a gran escala. Pero como un electrolizador, para ser "ecológico", necesita ser alimentado por energía renovable, también tendría que estar cerca de un parque solar o eólico.

Estos, no pueden ser construidos en cualquier lugar; los parques solares son más rentables en lugares con mucho sol, y los parques eólicos funcionan mejor en lugares donde hay suficiente viento y mejor aún offshore pero es también la forma más costosa de las tres fuentes renovables -solar, viento terrestre y viento marino- el CAPEX de una granja marina son el doble de los de su contraparte en tierra y cuatro veces más altos que los costos de una instalación solar comparable.

Conclusión

No es una novedad el uso de hidrógeno en los procesos industriales desde hace muchos años, cuya demanda no ha subido significativamente en los últimos años.

En la actualidad, sin una demanda real, se está implementando la red de conexión y estimulando la producción sin saber con certeza a qué vamos a dedicar esa producción, si los costes son competitivos y la utilidad de esas inversiones. El costo del suministro, almacenamiento y purificación del agua es un coste significativo que debe ser abordado desde su origen y puede convertirse en un factor restrictivo para el desarrollo de hidrógeno verde.

Con un coste base de 4,4 €/KgH2 de insumos (energía y agua), impulsado principalmente por el coste del agua, la UE hará rentable la producción de hidrógeno verde solo mediante subvenciones efectivas.

Bruselas celebrara en otoño se una subasta con presupuesto de 800 millones de euros para otorgar ayudas en forma de primas a los productores.

Un precedente ya lo tenemos en EEUU con la reciente Ley de Reducción de la Inflación con subvenciones a los productores de hasta 3 $/Kg H2verde producido.

Esta subvención es menos especulativa porque premia directamente a la producción, mientras que la europea hasta ahora ha premiado a la inversión sin resultados claros, pero es de esperar que pronto siga los pasos de EEUU.

Juan Ignacio de la Fuente Rodríguez es ingeniero industrial con más de 30 años de experiencia en construir plantas de generación eléctrica

14 comentarios

Antonio
04/05/2023
Desde el descornamiento:
¿Sería viable poner un electrolizador a escala adecuada en cada ciudad, aguas abajo, de forma que se abasteciese de las aguas residuales ya depuradas antes se ser vertidas al rio o al mar? El agua ya habría cumplido su función para el consumo humano, por lo que el costo de purificarla y depurarla no sería computable. La calidad sería peor que si se obtuviese directamente de la red de abastecimiento urbana, pero mejor que si se obtuviese directamente del mar, rio, pozo, lago o pantano, por lo que supongo que el tratamiento en la PTA sería más barato y eficiente.
LSL
04/05/2023
Este señor llevará 30 años trabajando en generación eléctrica, pero en el cálculo de kWh necesarios para desalar agua salada ha confundido litros (dm3) con m3, un error de 1 a 1000 que invalida todos sus cálculos.. Ruego retiren el artículo cuanto antes porque el ridículo es importante
Juan Ignacio
04/05/2023
Hola LSL, creo que te confundes.
En cuanto al costo de la electricidad, destilar un litro de agua requiere 2,58 megajoules de energía, lo que se traduce en 0,717 kWh, en promedio.
Si lo revisas bien, verás que esta correcto y no hay confusión de litros a toneladas
Juan Ignacio
04/05/2023
Hola Antonio,
Gracias por tu pregunta.
Aunque sean aguas residuales siguen formando parte de los recursos hídricos.
Pero cuando electrolizas el agua, la molécula se rompe con aportación de energía y desaparece de los recursos hídricos para convertirse en H2 y O2 gaseoso.
Espero haber aclarado tu duda
Saludos,
Juan Ignacio
04/05/2023
Hola LSL,
No hay ninguna confusión si lo revisas bien.

El precio medio de la electricidad en España para los usuarios no domésticos fue de un promedio de 0,201 €/kWh en el último año.
A una tasa de consumo de energía de 0,717 kWh, la destilación de un litro de agua, entonces, costaría 0,144 €. Para una tonelada de agua, eso sería 144,12 €.
JJJ
04/05/2023
Creo que el autor debería informarse mejor antes de escribir. La energía necesaria para producir agua desmineralizada a partir de agua del mar, sin perjudicar nuestros preciosos recursos hidráulicos, es casi 1000 veces menos que la que se precisa para la electrolisis propiamente dicha. La disponibilidad de agua no es un problema para la producción de hidrógeno. Otras cosas que menciona sí que lo son, o podrían serlo. Ciertamente hará falta una importante producción de electricidad renovable, por lo que hay que ser prudentes con el hidrógeno y usarlo sólo cuando no se pueda utilizar electricidad directamente. Por ejemplo, los coches de hidrógeno no tienen ningún sentido, ni lo tiene usar el hidrógeno para calefacción.
Carlos Bernuy Lopez
05/05/2023
Hola Juan Ignacio,

En primer lugar muchas gracias por tu artículo y aportar debate en el gran desafío de producir tantos millones de hidrógeno verde que necesita nuestra industria para ser descarbonizada.
Un par de apuntes respecto a los datos usados para obtener el coste del agua por unidad de hidrógeno. Como he expuesto en Twitter (https://twitter.com/carlosbernuy/status/1654237124491608071), la cuantía energética de purificar un m3 de agua de mar por técnicas de ósmosis inversa junto con el resto de tratamiento necesario para llegar a las purezas necesarias es de un máximo de 8 kWh, 100 veces por debajo del dato energético de tu artículo. Por otro lado al igual que vamos a usar energía renovable para la electrolisis, la usaremos para tratar el agua, con lo que el dato del precio de electricidad usado en el cálculo del artículo es unas 10 veces superior. Todo esto nos lleva a que, usando los datos del artículo, el coste del agua por tonelada de hidrógeno es de 2,8 €, y como bien dices, haciendo un cálculo gordo de la producción de hidrógeno, la electrolisis es en torno a 1 500 € por tonelada o 1,5 €/kg, unidad de referencia en el mundo del hidrógeno. Eso siginfica que incluso teniendo en cuenta el CAPEX de los equipos, el coste de purificar el agua representa menos de un 1 % del coste total de producir hidrógeno.

Por otro lado hablas bien de la necesidad de cantidades importantes de agua, pero hay que tener en cuenta que los 40 hm3 que planteas son bastante menores que los más de 600 hm3 de pérdidas que tenemos en la red. Además nunca hay que olvidar que en los proyectos de hidrógeno, siempre usaríamos agua de mar o agua residual, nunca agua potable. En este sentido y como referencia la ciudad de Barcelona genera en torno a 80 hm3 de aguas residuales anualmente, más del doble necesario en el artículo.

Por lo tanto, esto nos muestra que sin negar todos los desafíos que tiene el hidrógeno verde por delante (por ejemplo, el precio y la abundancia de la energía renovable o el propio suministro de tantos electrolizadores necesarios para producir tanto hidrógeno verde) el agua lo es menos.
Juan Ignacio
05/05/2023
Hola JJJ,
Es perfectamente viable utilizar agua del mar si ya tienes la desaladora construida cerca del mar, pero debes añadir un coste adicional promedio de 0,6 €/m3 agua desalada y a partir de aquí tratarla en la PTA y seguir el proceso de hidrolisis para obtener e-H2, nada cambia porque son procesos distintos.
Solo se incrementan los costes finales de e-H2 obtenido. Por supuesto todo con fuentes de energía renovable cercanos a la planta de hidrólisis o en su caso añadir unos costes de transporte del agua desalada.
Juan Ignacio
05/05/2023
Hola Carlos,
No hablo de la energía necesaria para desalar el agua, sino del coste del agua para poder llegar a un agua tipo I y poder hidrólizar para producir e-H2.
El método de la osmosis inversa, es uno de los muchos que hay, cierto es que no consume mucha energía para poner el agua a 70 bares, pero sí es muy derrochador en consumibles como resinas y membranas, salmuera y otros productos que pueden afectar al medio ambiente, por lo que el precio final del agua al final es superior al que he indicado en el articulo.
Te dejo un texto de la Fundación AQUAE, sobre los costes:
"Un millar de galones de agua dulce procedente de una planta desaladora cuesta al consumidor promedio de US $2.50 a $5. En comparación, la misma cifra en agua dulce supondría un coste de $2.
Cifras sobre la desalinización del agua de mar en el mundo
La ciudad de San Diego, en Estados Unidos, invirtió mil millones de dólares en una planta de desalinización para convertir agua salada del Océano Pacífico, hasta 250 millones de litros de agua potable al día. Sin embargo, la desalinización demanda mucha energía y produce productos de desecho que pueden afectar el medio ambiente."
No obstante estoy de acuerdo contigo que la única forma que veo viable para el e-H2 en España es mediante una red de plantas de desalinización, pero entonces hay que considerar estas inversiones y sus costes O&M para añadirlos al coste final de e-H2, por eso fijo un precio mínimo base de 5 €/KgH2, que es realmente el objeto del articulo.
Juan Ignacio
06/05/2023
Tomando como base el informe del IRENA, con el coste más bajo de la energía 20$/MWh el precio del e-H2 lo fija en 2,5 $/KgH2, en su mismo informe dice que el precio del agua es prácticamente despreciable y que no tiene impacto significativo, con lo que yo estoy en desacuerdo porque hablando del agua como otro vector energético si analizamos los precios han subido notablemente:
https://www.iagua.es/noticias/locken/precio-agua-espana
y su precio no se corresponde con el valor real ya que el agua en un bien público
La realidad de hoy en España, es que las reservas hídricas disponibles son más bajas que nuestro consumo 29.000 hm3/año vs. 28.000 hm3/año disponibles, las cuencas están sobreexplotadas, falta un Plan de Gestión del Agua alineado y que soporte el desarrollo del e-H2
Hoy en Cataluña hay 495 municipios con restricciones de agua.
No conocemos cual será el precio en 2025 y de donde saldrá el agua necesaria, mientras los modelos de desarrollo del e-H2 asumen que el precio de hoy será el mismo que en 2025.
Si en la actualidad hubiera una planta de e-H2 en operación en esta región, estaría hoy parada para dar prioridad al campo y a su población:
https://www.publico.es/sociedad/catalunya-amplia-restricciones-agua-495-municipios-sequia.html

Si el e-H2 se soporta en las plantas desaladoras, al analizar su régimen jurídico en España, vemos que son de dominio público y aunque la desaladora se construya con fondos privados, las aguas se consideran como de manantiales de uso público, es decir, no son d propiedad privada, por eso me parece temerario crear un modelo de negocio para exportar 2 millTon e-H2 en el 2025 sin estar hecho un verdadero Plan de Gestión del Agua y unos acuerdos a largo plazo de compra del agua, hablar de desaladoras es una salida hacia adelante para un problema real.

Actualmente tenemos unas 800 de las cuales solo 360 son desaladoras del agua del mar, con una capacidad total de unos 340 hm3/año, principalmente localizadas en la costa levante y sureste de España, su uso es para el regadío y la población.
Pero estas desaladores no cumplen algunos requisitos necesarios para el H2 verde, el problema es que “en España no existen sistemas que permitan conocer si la electricidad ha sido producida con energías renovables o convencionales”, para producir e-H2 la energía tiene que ser renovable, por lo que la desaladora necesita de la planta de energía renovable a su lado lo cual limita mucho la viabilidad sobre todo en zonas costeras donde están localizadas las desaladoras.
Si las nuevas desaladoras están construidas por los promotores de los proyectos e-H2, deberían estar en sus modelos de negocio, pero no están porque es mejor usar el coste del agua (hoy) que es bajo a costa del Estado, que es quien paga las desaladoras y propietario del agua producida.
He querido poner en valor al agua con el costo de la electricidad renovable necesaria para destilar un litro de agua que requiere 0,717 kWh en promedio, para conseguir condiciones de calidad para el electrolizador, repercutiéndolo este coste a la producción de hidrogeno verde en 2,88 €/KgH2.
A estas alturas, con vistas al 2025 los promotores de los proyectos del e-H2 deberían estar solicitando permisos de medioambiente y costas para construir desaladoras, incluso ya deberían estar en construcción y prever en sus modelos de negocio el coste O&M para calcular el precio final al que pueden vender el e-H2 producido.
Si lo que se piensa es que el Estado construya las desaladoras , se encargue del O&M y además venda el agua a 2 €/m3 como hoy, entonces las cuentas cuadran para e-H2, pero sería un proyecto subsidiado no sostenible a largo plazo, creando un gigante de expectativas con pies de barro.
Miguel M
17/05/2023
Nadie genera agua pura a nivel industrial por evaporación con energía eléctrica. Se puede usar evaporación cuando se dispone de un exceso de energía térmica, pero la mayor parte de las plantas que se construyen para producir agua pura a partir de agua salobre o salada usan ósmosis inversa. En ese caso el consumo de energía eléctrica es del orden, con las mejores tecnologías, de 3 kWh/m3 (o 0,003 kWh por litro, no 0,717 kWh). Lo de que el consumo de agua es el doble de la cantidad de agua producida se aplica si trabaja con agua de mar, si es agua dulce se aprovecharía más del 90%. Así que me temo que los datos de partida de este artículo deberían corregirse. Y también deberían corregirse las conclusiones.
Asimov
02/06/2023
sin lugar a dudas . al leerlo . no podía ni creermelo . es más no he terminado ni de leerlo . pero bueno a título de comparativa. De necesidad de recursos hídricos . ahora que se han cerrado centrales térmicas de carbón . una central térmica de carbón . de una capacidad de 1100 mw. precisa de una concesión de agua de 18 hm3 anuales . para refrigerar sus circuitos . De esos 18 hm3 anuales unos 4 hm3 son de rechazo . es decir mínimo precisa anualmente. 14 hm3. o 14.000.000 m3 . cerramos la central térmica de carbón y la concesión la utilizamos para producir hidrógeno verde .
Ricardo Eirea
20/06/2023
+

Una pregunta...
Es evidente que el proceso libera cantidades de oxigeno al ambiente .....
Ese oxigeno liberado es capaz de rescatar hidrogeno para hacer la reconstruccion del agua???
Pilar Chuliá
13/01/2024
Perdona mi ignorancia...quieres decir que ese agua utilizada en las plantas de hidrógeno desaparece para siempre??

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