Primer análisis de los requisitos de agua para una economía del hidrógeno
Escrito por Kanijo en Ciencias de la Tierra, Tecnologí aUno de los beneficios que se vende sobre la futurista economía del hidrógeno de Estados Unidos es que el suministro de hidrógeno — en forma de agua — es virtualmente ilimitado. Esta suposición se toma como cierta de tal forma que no ha habido ningún gran estudio que haya considerado completamente cuánta agua sería necesaria para mantener una economía del hidrógeno sostenible.
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| Este gráfico muestra el consumo anual de agua como materia prima y refrigerante para generar 60 mil millones de kg de hidrógeno, lo cual está influenciado tanto por la fracción de hidrógeno producido por electrólisis generada termoeléctricamente y por las eficiencias del electrolizador. Crédito de la imagen: Michael E. Webber. |
Michael Webber, Director Asociado del Centro para Energía Internacional y Política Ambiental en la Universidad de Texas en Austin, recientemente ha cubierto tal hueco proporcionando el primer análisis de los requerimientos totales de agua con datos recientes para una economía de hidrógeno “de transición”. Aunque la economía del hidrógeno se espera que esté a pleno rendimiento para el 2050 (de acuerdo con un informe de 2004 del Consejo de Investigación Nacional [NRC]), una economía mundial de transición del hidrógeno tendrían lugar en aproximadamente 30 años, para el 2037.
En este momento, el NRC predice una producción anual de 60 mil millones de kg de hidrógeno. El análisis de Webber estima que esta cantidad de hidrógeno usaría aproximadamente entre 57 y 207 billones de litros de agua anualmente como materia prima para producción electrolítica y refrigerante de la energía termoeléctrica. Esto es entre 156 y 567 mil millones de litros por día, un incremento de entre un 27 y un 97% de los 585 mil millones de litros diarios (216 billones de litros anuales) que se usan hoy en el sector de la energía termoeléctrica para generar un 90% de la electricidad de los Estados Unidos. Durante las últimas décadas, la retirada del agua se ha mantenido estable, sugiriendo que este incremento en la intensidad del agua podría tener unas consecuencias sin precedentes en los recursos naturales y la política pública.
“El mayor significado de este trabajo es que, cambiando nuestra producción de combustible en la red eléctrica, podemos tener un impacto drástico sobre los recursos del agua a menos que se implementen cambios en la política que requieran un cambio amplio en los métodos de refrigeración de las plantas de energía que necesiten menos agua o fuentes de energía que no requieran refrigeración”, dijo Webber a PhysOrg.com. “Este análisis no significa que no deba buscarse el hidrógeno, sino que si se busca la producción de hidrógeno a través de la electrólisis termoeléctrica, los impactos en el agua serían potencialmente graves”.
La estimación de Webber tiene en cuenta tanto los usos directos como indirectos del agua en una economía del hidrógeno. El uso directo es agua como materia primera para el hidrógeno, donde el agua pasa por un proceso de división que separa el hidrógeno del oxígeno. La producción puede llevarse a cabo de distintas formas, tales como reforma de vapor de metano, división termoquímica nuclear, gasificación de carbón o biomasa, y otros. Pero uno de los métodos de producción dominantes en la etapa de transición, como se predice en el informe de 2004 del Departamento de Energía (DOE), probablemente será la electrólisis.
Basado en las propiedades atómicas del agua, 1 kg de gas de hidrógeno requiere aproximadamente 7 litros de agua como materia prima. En un año, 60 mil millones de kilogramos e hidrógeno requerirían 429 mil millones de litros de agua destilada fresca. Este número es similar a la cantidad de agua requerida para refinar una cantidad equivalente de petróleo (entre 1 y 2,5 litros de agua por cada litro de gasolina).
El mayor incremento en el uso del agua vendría de los requisitos indirectos de agua, específicamente el uso como fluido refrigerante para la electricidad necesaria para suministrar la energía que requiere la electrólisis. Dado que la electrólisis es posible usarla con las infraestructuras actuales, tiraría de la red eléctrica y por tanto dependería de procesos termoeléctricos.
Con un 100% de eficiencia, la electrólisis requeriría casi 40 kWh por kilogramo de hidrógeno — un número derivado del mayor valor calórico del hidrógeno, una propiedad física. No obstante, los sistemas de hoy tienen una eficiencia de aproximadamente el 60-70%, con un objetivo futuro del DOE del 75%.
Dependiendo de la fracción de hidrógeno producida por electrólisis (las estimaciones de Webber presentan valores de entre un 35 a un 85%), la cantidad de electricidad requerida basada en una eficiencia de la electrólisis de un 75% estaría entre 1,134 y 2,754 billones de kWh — y de hasta 3,351 billones de kWh para una electrólisis de menor eficiencia con un 60%. En comparación, la actual generación anual de electricidad en los Estados Unidos en 2005 fue de 4,063 billones de kWh.
En 2000, la generación de energía termoeléctrica requirió una media de 61,8 litros de agua por kWh, llevando a Webber a estimar que la producción de hidrógeno a través de la electrólisis, con un 75% de eficiencia, requeriría aproximadamente 3300 litros de agua refrigerante por kilogramo de hidrógeno. Esto es 198 billones de litros por año sólo como refrigerante.
Para 2050, el informe del NRC predice que la demanda de hidrógeno podría superar los 100 mil millones de kg — casi el doble de los 60 mil millones de kg en los que se basan las estimaciones de Webber. Para entonces, los investigadores pueden haber encontrado mejores formas de producir hidrógeno, con la ayuda de las inversiones a gran escala del DOE, las cuales superarán los 900 millones de dólares en 2008.
“El que la mayor parte del agua usada sea para refrigerar nos deja la esperanza de que podamos cambiar la forma en que funcionan las plantas de energía, lo cual aligeraría considerablemente el gasto de los recursos de agua, o que podamos encontrar otras formas de producción de energía a gran escala para satisfacer la demanda de electrólisis”, dijo Webber.
Si la electrólisis se convierte en el método más extendido de producción del hidrógeno, Webber sugiere que los investigadores pueden querer buscar otros métodos de generación de electricidad en lugar de los procesos termoeléctricos para alimentar la electrólisis. Con esta perspectiva, sugiere rutas del hidrógeno tales como las fuentes eólicas o solares, así como los métodos de refrigeración sin agua como la refrigeración por aire.
“Cada una de las elecciones energéticas que podemos hacer, en términos de combustibles y tecnologías, tiene sus propias contraprestaciones asociadas”, dijo Webber. “El hidrógeno, así como el etanol, el viento, el sol, u otras elecciones alternativas, tienen muchas ventajas, pero también algunos impactos importantes que conviene tener en mente, como intenta sugerir este artículo. Animaría a continuar con la investigación en la producción de hidrógeno como parte de un conjunto exhaustivo de aproximaciones a tener en cuenta para gestionar la transición a la era de la energía verde. Pero, debido a algunos de los impactos inesperados — por ejemplo los recursos del agua — parece prematuro determinar que el hidrógeno es la respuesta que debemos seguir y excluir el resto de opciones”.
Cita: Webber, Michael E. “The water intensity of the transitional hydrogen economy.” Environmental Research Letters, 2 (2007) 034007 (7pp).
Autor: Lisa Zyga
Fecha Original: 18 de octubre de 2007
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