El agua dulce es un recurso cada vez más escaso y esencial para la vida. Muchos de los procesos implicados en la producción energética requieren grandes cantidades de este elemento, lo que contribuye a su agotamiento y contaminación.
Por eso, vale la pena preguntarse ¿existe alguna forma de almacenar y transportar energía limpia y renovable sin consumir excesiva agua? La respuesta es sí: el hidrógeno verde. El hidrógeno verde se produce mediante la electrólisis del agua, un proceso en el cual se utiliza la electricidad para separar el hidrógeno y el oxígeno de sus moléculas. Para que el hidrógeno se pueda considerar verde, esta electricidad debe provenir de fuentes renovables, como la eólica o la solar, entre otras, garantizando así que el hidrógeno no contribuya al cambio climático.
La electrólisis requiere menos agua que los combustibles fósiles
Aunque su origen sea el agua, el hidrógeno verde consume mucha menos agua dulce que otros procesos de producción energética. Por ejemplo, en un proceso de destilado de gasolina se necesita aproximadamente 7 veces más agua para producir la misma energía que la que genera 1 kilo de hidrógeno [1]. De hecho, la producción mundial de hidrógeno representa solo el 0,6% [2] del consumo total de agua dulce del sector energético. Esto resalta el potencial del hidrógeno verde como un vector energético renovable que apenas tiene impacto en el consumo de agua.
Debido a sus nulas emisiones de CO2, la electrólisis se posiciona como la tecnología clave para la producción de hidrógeno verde, y aunque pueda parecer contraintuitivo, su moderado consumo de agua la hace especialmente importante. Según un análisis de IRENA [3] la electrólisis PEM requiriere solo 17,5 l/kg de hidrógeno, mientras que la electrólisis alcalina necesita 22,3 l/kg. Ambas opciones son considerablemente más sostenibles respecto a su consumo de agua que los métodos tradicionales basados en combustibles fósiles, como el reformado de metano (32,2 l/kg) y la gasificación de carbón (31,0 l/kg) como se evidencia en la Figura 1.
El consumo de agua en la electrólisis no se limita a la reacción química, sino también a la refrigeración para disipar el calor generado, que es incluso más importante. El estudio de IRENA revela que, de manera general para todo tipo de aguas, solo el 44% del agua necesaria en el sistema se utiliza directamente para el proceso de electrólisis, mientras que el 56% [4] restante se destina a la refrigeración.
Optimizar el proceso es clave
Por ello, optimizar estos sistemas es crucial para reducir el consumo de agua y aumentar la eficiencia general del proceso. Para comprender su magnitud, imaginemos una cuenca con un volumen de 500 hm³, como podría ser el embalse del Ebro [5]. Producir 1 millón de toneladas de hidrógeno verde solo requeriría el 3,2% de su capacidad, lo que es similar al consumo anual de una ciudad como Alicante (asumiendo un consumo promedio de 133 litros por habitante al día [6]). Aunque pueda parecer considerable, es menor que el utilizado por sectores como la agricultura o la industria, y con ese hidrógeno se podría suministrar electricidad a casi un tercio de la población española durante un año. ¿Y qué pasa con el agua utilizada? No se pierde en su totalidad.
En el caso concreto del uso de agua de red, la más pura, entorno al 30% se convierte en agua residual (salmuera) y puede ser tratada y devuelta al medio. Aproximadamente el 30% se consume en la electrólisis y alrededor del 40% se devuelve al medio en forma de vapor de agua, cerrando el ciclo de forma responsable (como se muestra en el esquema de una planta de producción, Figura 2).
Por otro lado, la ubicación geográfica de las instalaciones es un factor determinante en el impacto ambiental del proceso. Para las plantas que utilizan agua de mar y están cerca de grandes cuerpos de agua salada, la salmuera resultante puede ser liberada directamente al mar. En cambio, las plantas en el interior requieren métodos alternativos de eliminación debido a la ausencia de cuerpos salinos cercanos. Las regulaciones locales, establecidas por las Confederaciones Hidrográficas de cada región, dictan cómo y dónde podemos descargar el agua residual, asegurando que nuestro impacto en el medio ambiente sea siempre responsable.
Solución: ¿desalinizar agua de mar?
La escasez de agua representa un desafío significativo para la sostenibilidad global, impactando de manera particular en la industria energética. Pero, ¿cómo afecta esta situación a la producción de hidrogeno verde? Para abordar este desafío, se han aprovechado técnicas ya existentes, como la desalinización, la recolección de agua de lluvia y el tratamiento de aguas grises. Estas alternativas de producción de agua dulce viabilizan la producción de hidrógeno a nivel global, incluso en zonas con escasez de agua.
Actualmente, más del 35% [3] de la capacidad mundial de producción de hidrógeno verde y azul se encuentra en zonas con escasez de agua. Así pues, el uso de agua de mar para la producción de hidrógeno y su refrigeración es una estrategia efectiva para disminuir la demanda de agua dulce y mitigar los riesgos asociados a la escasez hídrica. Si bien la desalinización puede aumentar marginalmente el coste de producción, es una solución sostenible para la producción de hidrógeno, reduce la presión sobre los recursos hídricos y apoya un futuro energético más sostenible y respetuoso con el medio ambiente.
La desalinización comienza con la captación de agua de mar. Durante este proceso inicial, se emplean filtros para proteger la vida marina y asegurar la calidad del agua. Una vez captada, el agua pasa por una etapa de pretratamiento que elimina partículas suspendidas y materia orgánica que podrían dañar las membranas de desalación.
El corazón del proceso de desalinización es la separación del agua dulce de las sales disueltas. Para ello, se utilizan principalmente dos métodos: la destilación térmica y la ósmosis inversa. La destilación térmica implica calentar el agua salada hasta obtener vapor para luego condensarlo. Por otro lado, la ósmosis inversa, más eficiente energéticamente, fuerza el paso del agua salada a través de una membrana semipermeable bajo presión, obteniendo agua dulce y dejando la salmuera concentrada.
Aumento moderado del coste
A nivel internacional, el proceso de desalinización del agua de mar solo añadiría entre un 0,5% y un 1% al coste de un kilogramo de hidrógeno verde, según un informe de Caldera y Breyer [7]. Este incremento, hoy en día, no es excesivo ya que países como España, cuentan con un LCOH (indicador del coste de producir una cierta cantidad de hidrógeno, considerando todos los costes involucrados en su producción) en torno a los 5 o 6 €/kg [8].
El caso de Chile
Como ejemplo, en el árido desierto de Atacama, Chile, se destaca una planta piloto que apuesta por el hidrógeno verde. Con una capacidad de 10 MW, esta instalación tiene como objetivo producir 350 toneladas de hidrógeno verde al año [9][10][11]. ¿Cómo logrará esta proeza en un lugar con tan poca agua? La respuesta radica en la desalinización. Suponiendo que esta planta desalinizara el 100% del agua que utiliza y tomando un coste promedio de 3,0 kWhel/m3 [7], solo implicaría un aumento del 0,1% en la potencia instalada, evidenciando así el mínimo incremento del coste que esto supondría.
Con un consumo responsable y tecnologías innovadoras como la desalinización, el hidrógeno verde se posiciona como una solución viable para un futuro energético sostenible. A diferencia de los métodos tradicionales basados en combustibles fósiles, el hidrógeno verde consume menos agua y no emite gases contaminantes, preservando nuestro planeta para las generaciones venideras. La investigación y el desarrollo de nuevas tecnologías, como la electrólisis de agua de mar de forma directa, auguran un futuro aún más eficiente y sostenible para la producción de hidrógeno verde. Es hora de abrazar esta alternativa energética y convertir la esperanza en realidad, forjando un futuro donde la energía limpia y el agua coexistan en armonía.
Referencias
1. Castellanos, E. (2017, 13 enero). El agua que se gasta al fabricar las cosas. iAgua.
3. Water for hydrogen production. (2023, 1 diciembre).
4. Comparison of Commercial, State-of-the-Art, Fossil-Based Hydrogen Production Technologies. Lewis, E. J., et al. (2022).
5. Datos actualizados del embalse de Ebro. (s. f.-b). Embalses.net.
6. INE – Instituto Nacional de Estadística. Estadística sobre el suministro y saneamiento del agua . INE.
7. Caldera, U., & Breyer, C.(2017). Learning Curve for Seawater Reverse Osmosis Desalination Plants: Capital Cost Trend of the Past, Present, and Future. Water Resources Research, 53(12), 10523-10538.
- Levelised Cost of Hydrogen Calculator | European Hydrogen Observatory. (s. f.).
- Haru Oni»: Hidrógeno Verde hecho en Chile.(s. f.).
- Castro, M. (2023, 31 enero). El hidrógeno verde suma inversionistas en Chile. Bloomberg Línea.
- De Mendoza – Memo, N. (2022, 25 enero). Chile transformará agua de mar en potable a un ritmo de 21.000 litros por segundo. Memo.
