Requerimientos de agua de una economía basada en el hidrógeno

Fecha de publicación en Astroseti: 24-Oct-2007

Pensando que el agua es un bien escaso, con la tecnología actual ¿cuanta agua necesitaría una economía basada en el hidrógeno?

Por Lisa Zyga

Uno de los más proclamados beneficios de la futurista economía basada en hidrógeno de los EEUU es que el suministro de hidrógeno —en forma de agua —es virtualmente ilimitada. Esta asunción se da por probada a pesar de que ningún estudio importante ha considerado completamente cuanta agua necesitaría un economía de hidrógeno sostenible.

Michael Webber, director asociado en el Centro para Energía Internacional y Política Ambiental en la Universidad de Texas en Austin, recientemente ha rellenado este hueco proporcionando el primer análisis de los requerimientos de agua totales con datos recientes para un economía de hidrógeno "transicional". Dado que se espera que la economia de hidrógeno esté totalmente implantada alrededor del 2050 (según un informe de 2004 del Consejo Nacional de Investigación (National Research Council, NRC), la economía de transición al hidrógeno ocurrirá en unos 30 años, en 2037.

Este gráfico muestra el consumo de agua como materia prima y refrigerante para generar 60 000 millones de kilos de hidrógeno, influeciado tanto por la fracción de hidrógeno que se produce por electrolisis alimentada termoeléctricamente y por las eficiencias del electrolizador. Credito de la Imágen: Michael E. Webber.

En este momento, el NRC predice una producción anual de 60 000 millones de kilos de hidrógeno. El análisis de Webber estima que esta cantidad de hidrógeno utilizaría entre 19 y 69 billones de galones de agua (un galón son 4,55 litros) anualmente como materia prima para la producción electrolítica y como refrigerante de la energía termoeléctrica. Esto es entre 52 y 189 miles de millones de galones por día, un incremento de entre el 27 y el 97% de los 195 000 millones de galones (72 billones de galones anuales) usados actualmete por el sector de la energía termoeléctrica para generar alrededor del 90% de la electricidad en EEUU. Durante la pasadas últimas décadas, la retirada de agua ha permanecido estable, lo que sugiere que este incremento en la intensidad del gasto de agua puede tener consecuencias sin precedentes en la pólítica de recursos naturales y públicos.

"La mayor significación de este trabajo es que, al cambiar nuestra producción por hidrocarburos para la red eléctrica, podemos tener un impacto muy dramático sobre los recursos hídricos a no ser que se implementen cambios políticos que requieran grandes cambios en los sistemas hacia métodos de refrigeración de las plantas que sean menos impactantes sobre el agua o hacia fuentes de energía que no requieran refrigeración", dice Webber a PhysOrg.com. "Este análisis no quiere decir que no se debe continuar hacia el hidrógeno, sino que si la producción de hidrógeno se realiza mediante electrolísis alimentada termoeléctricamente, los impactos sobre el agua son potencialmente muy severos".

La estimación de Webber cuenta con ambos usos del agua, el directo y el indirecto, en la economía de hidrógeno. El uso directo es el agua como materia prima para el hidrógeno, donde el agua sufre un proceso de fisión que separa el hidrógeno del oxígeno. La producción se puede llevar a cabo de varias maneras, como reconstitución de vapor de metano, separación termoquímica nuclear, gasificación de carbón o biomasa, y otras. Pero uno de los métodos de producción dominante en la etapa de transición, tal como se predice en un informe de planificación en 2004 del Departamento de Energía (DOE), será con toda probabilidad la electrolisis.

Basado en las propiedades atómicas del agua, 1 kg de hidrógeno gaseoso requiere cerca de 2,4 galones de agua como materia prima. En un año, 60 000 millones de kilogramos de hidrógeno requerirían 143 000 millones de agua pura destilada. Esta cantidad es similar a la cantidad requerida para refinar una cantidad equivalente de petroleo (entre 1 y 2,5 galones de agua por galón de gasolina).

El mayor incremento en el uso del agua vendría de los requerimientos indirectos, específicamente como fluido refrigerante para la electricidad necesitada para proporcionar la energía que la electrolisis requiere. Puesto que la electrolisis utilizaría infraestructuras existentes, estas tirarían de la red y dependerían en el fondo de procesos termoeléctricos.

Al 100% de eficiencia, la electrolisis requeriría cerca de 40 kWh por kilogramo - una cantidad derivada del altísimo valor de calentamiento del hidrógeno, una propiedad física. Sin embargo, los sistemas actuales tienen una eficiencia del 60-70%, con el objetivo futuro del DOE del 75%.

Dependiendo de la fracción de hidrógeno producida por electrolisis (Webber presenta estimaciones para valores desde el 35 al 85%), la cantidad de electricidad requerida basada en una eficiencia del 75% en la electrolisis estaría entre 1134 y 2754 miles de millones de kWh - y hasta 3351 miles de millones de kWh para una eficiencia en la electrolisis del 60%. Por comparación, la generación actual anual de electricidad en los EEUU en 2005 fue de 4063 miles de millones de kWh.

En el 2000, la generación de energía termoeléctrica requirión como media de 20,6 galones de agua por kWh, conduciendo a Webber a estimar que la producción de hidrógeno mediante electrolisis, con una eficiencia de 75%, requeriría alrededor de 1100 galones de agua como refrigerante por kilogramo de hidrógeno. Esto es 66 billones de galones por año sólo para refrigerar.

En 2050, elinforme de la NRC predice que la demanda de hidrógeno podría exceder de 100 000 millones de kilos - casi dos veces los 60 000 millones de kg en los que se basaban las estimaciones de Webber. Por entonces, los investigadores podrían encontrar mejores formas de producir hidrógeno, con la asistencia de las inversiones a largo plazo del DOE, que excederán de 900 millones de dólares en 2008.

"El hecho de que la mayoría del agua utilizada es para enfriar deja esperanzas de que podamos cambiar la forma en que operan las plantas de energía, lo que podría suavizar significativamente la potencial carga sobre los recursos hídricos, i de que podamos encontrar otras formas de producir energía a gran escala que satisficieran las demandas de la electrolisis", dice Webber.

Si la electrolisis se convierte en un método extendido de producción de hidrógeno, Webber sugiere que los investigadores podrían querer buscar un método de generación de electricidad para la electorlisis diferente de los procesos termoeléctricos. Con esta perspectiva, sugiere caminos hacia el hidógeno como fuentes eólicas o solares, asi como metodos de enfriemiento libres de agua como la refrigeración por aire.

"Cada una de las elecciones energéticas que podemos hacer, en términos de combustibles y tecnologías, tiene sus pros y contras asociados", dice Webber. "El hidrógeno, como el etanol, la eólica, la solar, y otras elecciones alternativas, tienen muchos méritos, pero también tienen algunos impactos importantes a tener en cuenta, tal como este artículo intenta sugerir. Debo animar a la continuación de la investigación en la producción de hidrógeno como una parte de un conjunto comprensivo de aproximaciones a considerar para llevar a cabo la transición hacia la era de la energía verde. Pero, debido a alguno de los inesperados impactos - por ejemplo en los recursos hídricos - parece prematuro determinar si el hidrógeno es la respuesta que debemos perseguir con la exclusión de otras opciones".

Se puede encontrar más información en la Webber Energy Group, una organización que busca servir de puente entre las divisiones que separan a los politicos de los ingenieros y científicos en materias relacionadas con la energía y el medioambinete.

Cita: Webber, Michael E. "The water intensity of the transitional hydrogen economy." Environmental Research Letters, 2 (2007) 034007 (7pp).

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