Hidrógeno verde y el papel de la reutilización y la desalinización de agua

Por Eduardo Pedroza, Representante en Brasil de ALADYR y Gerente de Nuevos Negocios de GS INIMA; Alejandro Sturniolo: Director de IDA y ALADYR, Global Head of Water Reuse & Strategic Partnerships en H2O Innovation; Marcio José: CEO de Aquapolo y miembro de IDA y ALADYR.

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Agua y energía, un reto global

En una evaluación histórica del consumo mundial de energía, se observa un crecimiento muy relevante en el siglo XX. Mientras que la población mundial creció aproximadamente 6 veces, el consumo de energía avanzó 80 veces (1). Una clara evidencia del desarrollo económico y un mayor aumento del consumo de energía per cápita. 

Según los datos actuales sobre la generación de energía en el mundo, hemos superado el nivel anual de 617 EJ para una población de aproximadamente 7.800 millones de habitantes (2 y 3), por lo tanto, un consumo medio diario per cápita de 60 kWh/persona/día. A lo que hay que añadir que más del 80% de esta generación de energía está asociada al uso de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas) y gran parte del consumo asociado al uso de vehículos de motor.

Según estudios y publicaciones de diversas fuentes (4 & 1), el consumo de combustibles fósiles junto con la deforestación es actualmente responsables de la emisión de unos 7×10¹² kg/año de CO₂ a la atmósfera. Mientras que los mecanismos naturales de eliminación del CO₂ atmosférico, la fotosíntesis y la disolución en los océanos, son responsables de retener unos 4×10¹² kg/año. Se trata de un aumento neto de 3×10¹² kg de CO₂/año. Esto corresponde a un aumento anual del 0,4% de la concentración de CO₂ en la atmósfera.

Según los modelos referenciados por el IPCC (5), esta acumulación adicional de CO₂ en la atmósfera aumenta la retención de calor, debido al efecto invernadero, y como consecuencia, la proyección es que entre 1990 y 2100 habrá un aumento de la temperatura media global de 1,4 - 5,8 °C. Esto genera consecuencias relevantes como el aumento del nivel del mar, cambios en las cantidades y patrones de precipitación, eventos climáticos extremos como inundaciones, sequías, olas de calor y huracanes. Con fuertes impactos en la agricultura, aumento de la acidificación de los océanos e impactos en la biota.

Figura 1: Índice de temperatura global tierra-océano. Fuente: NASA GISS. 

 

Figura 2: Pendientes del volcán Villarica en Chile 2018 y 2022. Fuente: Nasa (6)

 

Las imágenes son una comparación del 13 de enero de 2018 y del 8 de enero de 2022. Según René Garreaud (6), científico de la Universidad de Chile, la escasa cobertura de nieve en el verano de 2022 debe atribuirse a la falta de tormentas en 2021 tras la tendencia a la sequía en la región en la última década.

Figura 3: Lago Aculeo en el centro de Chile, 2014 y 2019. Fuente: Nasa (7)

 

Estas imágenes contrastan una foto del lago en 2014, cuando aún contenía una cantidad considerable de agua, y en 2019, cuando solo presentaba barro y vegetación. El declive del lago se debe a la inusual sequía de la última década, unida al creciente consumo de agua por parte de la creciente población.

Evidentemente, el cambio climático incide sobre todo en el ciclo del agua, ya sea con grandes sequías o inundaciones. Interferir con las estrategias e infraestructuras hídricas y urbanas existentes, así como orientar las nuevas necesidades de los proyectos futuros.

Es un reto ajustar las infraestructuras de saneamiento (abastecimiento de agua, tratamiento de aguas residuales y drenaje de aguas), especialmente teniendo en cuenta el crecimiento de la población y la concentración urbana. También, se trata de un reto económico debido a la relevancia del agua en la economía en general, ya sea en las actividades industriales, la producción de alimentos o la relación intrínseca del agua con la generación de energía.

Cabe mencionar que las grandes economías tienen en su matriz energética una participación relevante de las centrales hidroeléctricas, con embalses impactados por la regularidad de las lluvias. Y si la opción es migrar exclusivamente a centrales termoeléctricas con usos de combustibles fósiles, tendremos en consecuencia más emisiones de CO2. 

En este escenario, la generación de energía neutra en carbono ha avanzado globalmente (eólica, fotovoltaica, biomasa). Sin embargo, es necesario acelerar este progreso. Debido a los crecientes impactos del cambio climático, y especialmente ahora con los conflictos geopolíticos de la guerra entre Rusia y Ucrania que agravan el suministro de gas y petróleo principalmente para Europa.

 

Hidrógeno verde

Dada la relación intrínseca de la economía con la energía y el agua y los retos que plantean el cambio climático y los recientes conflictos geopolíticos, el desarrollo tecnológico de fuentes de energía neutras en carbono y de sustitutos de los combustibles procedentes de Rusia, así como las soluciones tecnológicas para las infraestructuras hídricas adecuadas a las necesidades actuales y competitivas, están y estarán en el centro de las prioridades mundiales durante algún tiempo. Es en este contexto donde crece la atención a soluciones como el uso del hidrógeno.

Los primeros registros del descubrimiento del hidrógeno datan de 1766, cuando Henry Cavendish detectó un gas ligero que, al quemarse en el aire, se convertía en agua. En 1787, Antoine Lavoisier llamó a este nuevo gas "hidrógeno" (8). Poco después, los científicos descubrieron que añadiendo electricidad al agua se podía producir hidrógeno por la reacción inversa, un proceso llamado electrólisis. En la actualidad, el hidrógeno se utiliza como materia prima para la síntesis química, pero se han hecho realidad otras aplicaciones, como el almacenamiento de energía y los combustibles para el transporte. Si el hidrógeno se genera a partir de electricidad renovable (hidrógeno verde), sin emitir gases de efecto invernadero, podría desempeñar un papel fundamental en el contexto actual de transición energética.

La electrólisis del agua a temperatura y presión ambiente requiere una tensión mínima de 1,481 V y, por tanto, una energía mínima de 39,7 kWh/kg de hidrógeno. En los sistemas de electrolizadores alcalinos a gran escala hay un consumo de aproximadamente 47 kWh/kg de hidrógeno y trabajan a 90?C, es decir, la eficiencia es de aproximadamente el 82% (8).

Recordando que 1kg de hidrógeno libera 121kJ/g al quemarse.

El protagonismo del hidrógeno en el contexto de la transición energética se debe a varios factores:

El hidrógeno puede producirse a partir de diversas fuentes de energía, renovables o no, siendo una forma de almacenar energía en forma de gas. La versatilidad es importante en el contexto de la transición energética. Por ejemplo, la producción a partir del reformado de vapor y la oxidación del metano, el reformado del gas natural, la energía nuclear o incluso con el uso de la energía solar o eólica.

A pesar de ser bastante energético (equivalente a 2,75 kg de gasolina), existe el reto de la compresión (la energía de un litro de hidrógeno equivale a la energía de 0,27 litros de gasolina), siendo un gas muy ligero, lo que conlleva retos económicos de almacenamiento principalmente para aplicaciones en rutas de combustión tradicionales, sin embargo su aplicación gana otra perspectiva muy prometedora cuando la generación de energía eléctrica se produce a partir de pilas de combustible, reduciendo considerablemente la demanda de almacenamiento. Una aplicación prometedora para el uso en vehículos eléctricos de automoción. Siendo una opción de suministro rápido y con ventajas logísticas en comparación con los coches eléctricos con baterías de litio.

Una de las principales ventajas es la generación de energía sin emisiones de CO2 - hidrógeno verde (producción asociada a fuentes eólicas y solares), o con balance cero de emisiones (biomasa/etanol/biogás, o con uso de combustibles fósiles, pero con captura y almacenamiento de CO2), el llamado hidrógeno azul.

Asociado al beneficio de la generación de energía neutra en carbono y a su versatilidad en diversas aplicaciones, ya sea en pilas de combustible o en procesos de combustión, el Hidrógeno Verde se convierte en una amplia opción de gran interés en el sector industrial. Hay una tendencia creciente de proyectos que utilizan el hidrógeno en los sectores siderúrgico y petroquímico, la celulosa y, sobre todo, para producir amoníaco verde (fertilizante). Incluso la línea de amoníaco verde es muy atractiva en el mercado internacional debido a la demanda de fertilizantes para la producción de alimentos y porque es fácil de distribuir en comparación con el hidrógeno.

Una etapa importante en el desarrollo de la utilización del hidrógeno como fuente de energía son las innovaciones tecnológicas en el desarrollo de las pilas de combustible, una tecnología que utiliza la combinación química de los gases hidrógeno y oxígeno para generar electricidad y moléculas de agua.

La pila de combustible de hidrógeno es una tecnología que se beneficia de la combinación química de los gases de hidrógeno y oxígeno para generar electricidad y moléculas de agua.

Figura 4: Representación de una pila de combustible.

 

Existen varios tipos de pilas de combustible de hidrógeno, clasificadas convencionalmente con el tipo de electrolito utilizado.

• AFC (Alcaline Fuel Cell) utiliza una solución de hidróxido de potasio y agua.

• PAFC (Phosphoric acid fuel cells) utiliza ácido fosfórico como electrolito.

• PEMFC (Proton-exchange membrane fuel cells) utiliza una membrana polimérica sólida conductora de protones como electrolito.

• MCFC (Molten-carbonate fuel cells) utilizan carbonato de potasio o de litio como electrolito. Funciona a altas temperaturas de 600°C desarrolladas para el uso de gas natural o biogás.

• SOFC (solid oxide fuel cell) utiliza una membrana cerámica como electrolito.

Entre estas opciones tienen especial interés las celdas PEMFC porque trabajan con alta potencia y operan a baja temperatura.

En todos los contextos, un requisito previo será siempre esencial: el agua. Es la materia prima del hidrógeno, además de los diferentes usos que pueden requerirse a lo largo de la cadena de producción de hidrógeno, como la refrigeración (consumo variable en función de las rutas elegidas).

La necesidad de agua no se limita sólo a los aspectos cuantitativos como materia prima o en sus múltiples aplicaciones en el proceso, sino fundamentalmente por la alta calidad requerida en el proceso de electrólisis. Demandando una atención relevante en las rutas tecnológicas de tratamiento de aguas para la producción de Hidrógeno.

Por lo tanto, cualquier análisis de viabilidad técnica y económica de la producción de hidrógeno debe incluir las siguientes preguntas. ¿Hay suficiente agua para producir una solución energética global basada en el hidrógeno? ¿Son las tecnologías de tratamiento adecuadas y competitivas para esta opción?

Esto nos lleva a reflexionar sobre el papel de las tecnologías de reutilización del agua o de la desalinización del agua de mar en la producción de hidrógeno. ¿Pueden estas fuentes de agua alternativas ser una opción económicamente viable y sostenible?

 

El papel de la reutilización y desalinización

Es evidente que la función sostenible del hidrógeno verde requiere la elección de la fuente de agua utilizada en el proceso de electrólisis (por estequiometría, 1 kg de H2 requiere 9 kg de agua). No habrá sostenibilidad si la fuente de agua presenta implicaciones de disputa de disponibilidad con la población o restricciones ambientales.

Por ello, el uso de fuentes alternativas (reutilización y desalinización de agua de mar) se perfilan como opciones para el suministro de agua en la producción de hidrógeno. 

Cabe señalar que la adición de un proceso de desalinización del agua de mar o de reutilización del agua aumentará sin duda la necesidad de energía en el análisis del ciclo total de producción de hidrógeno electrolítico. Sin embargo, este aumento de energía en el tratamiento del agua no es significativo a priori, como señalan BESWICK, R., et al. (8).

Analizando un escenario más conservador en el coste energético (Reutilización o Desalación) aportamos un análisis simplificado de la opción de desalación de agua de mar. Teniendo en cuenta, en general, que en este proceso, mediante la tecnología de ósmosis inversa (OI), la energía requerida es de unos 3,5 kWh por m³ de agua desalada. Así, considerando una demanda mundial de 2,3 Gt de hidrógeno, el equivalente energético necesario para la desalinización del agua de mar sería de 0,26 EJ de energía (8).  Es decir, menos del 0,04% de la demanda mundial.

Desde el punto de vista económico, la desalinización por ósmosis inversa supondría un coste energético de 0,53-1,50 dólares por m3 de agua. Lo que no añadiría más de 0,01 dólares al coste de producción de hidrógeno por kg. Esto coincide con un análisis de Khan et al apud BESWICK, R., et al. (8). Destacando que la desalinización representaría el 0,1% de las necesidades energéticas de la electrólisis y añadiría 0,02 dólares al coste del hidrógeno por kg. Por lo tanto, incluso con el uso de procesos de desalinización integrados con la producción de hidrógeno, el coste estimado de 2,00 dólares por kilo seguiría siendo alcanzable. Principalmente si se combina con la reutilización del agua que presenta un menor coste.

También cabe destacar las sinergias del proceso de electrólisis con la reutilización del agua de las aguas residuales:

El oxígeno producido en la electrólisis podría aprovecharse en el proceso de tratamiento de las aguas residuales.
Sinergia potencial con la producción de metano a través de la digestión anaeróbica de las aguas residuales o de los lodos que podría, a través del reformado de vapor, aumentar la producción de hidrógeno (se requiere un análisis de viabilidad).

En esta relación intrínseca entre el agua y la energía, en un contexto de transición energética con gran impacto en la economía, surgen discusiones en América Latina, lideradas por asociaciones como ALADYR (Asociación Latinoamericana de Desalación y Reúso de agua) preguntando y evaluando las oportunidades de este mercado en América Latina.

 

Oportunidades en América Latina

América Latina está en el centro del debate sobre la transición energética y el cambio climático, ya sea por la relevancia de la selva amazónica, o por las reservas de minerales (especialmente por reunir más de 2/3 de las reservas mundiales de litio), o por las reservas de petróleo, el presal, o la producción de etanol a partir de la caña de azúcar. Aliado de una geopolítica con menos historia de conflictos entre naciones. A pesar de los retos del desarrollo económico y social.

La propia deficiencia en las infraestructuras de saneamiento puede ser una oportunidad de expansión con la adhesión a las tendencias de una nueva economía.  El saneamiento, la desalinización del agua de mar y la reutilización del agua atraen las inversiones de los grandes grupos mundiales del sector. Empresas como GS INIMA han desarrollado y están desarrollando, por ejemplo, sistemas de desalinización de agua de mar en Chile y México. En Brasil tienen un historial de inversiones en saneamiento, en el sector industrial, y son responsables de la operación de uno de los mayores sistemas de reutilización de agua para fines industriales en el mundo - Aquapolo, con una capacidad de 1 m³/s.

Varios aspectos normativos del sector del agua, el medio ambiente y la energía están en debate en América Latina en busca de avances para aportar seguridad jurídica, criterios medioambientales adecuados y atraer nuevas inversiones. Un ejemplo es el marco regulatorio del saneamiento en Brasil, visto en el mercado en general como un avance importante para una mayor iniciativa privada.

Figura 4: Aquapolo São Paulo/Brasil. Tratamiento de águas residuales para su reutilización.

 

Figura 5: ECONSSA - Atacama/Chile. La desalinización de agua de mar (1,2 m³/s) consume 2,8 kWh/m³.

 

América Latina tiene más de 40.000 kilómetros de costa, así como importantes complejos portuarios e industriales. El noreste brasileño, en particular, que tiene acuerdos y la ubicación estratégica de sus puertos (SUAPE y PECÉM) para la conexión con Europa y América del Norte

La región nordeste de Brasil, en particular, tiene condiciones muy favorables para la producción de energía eólica y solar, destacando ya con una generación actual de unos 20 GW (17 eólicos + 3 solares), que sigue en rápida expansión con nuevos proyectos autorizados o en construcción del orden de 29 GW (12 eólicos + 17 solares).

Sólo el noreste de Brasil tiene (9):

• Más de 2,5 millones de hectáreas de superficie con velocidades de viento superiores a 8,0 m/s (a una altura de buje de 120 m).

• Más de 42 millones de hectáreas con una irradiación solar superior a 2100 kWh/m2

Sin embargo, si se evalúa el potencial de crecimiento de esta región para nuevos proyectos, las cifras son aún más positivas. Según las estimaciones del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales - INPE, la producción de energía eólica onshore puede alcanzar los 309 GW (según las tecnologías actuales) con costes competitivos. Sin tener en cuenta el potencial eólico y solar brasileño offshore. Factores y condiciones que según COMERC ENERGIA (9) apuntan a un coste de producción en la región por debajo de los US$ 2,00 por kg, con estimaciones de llegar en 2030 a US$ 1,30 por kg[1].

Como resultado, la región ya ha dado lugar a la firma de memorandos de entendimiento entre las empresas y los gobiernos de los estados del noreste de Brasil, por ejemplo, Piauí y Ceará, este último también aprovechando la infraestructura del puerto de PECÉM. En Ceará, más de 15 empresas han firmado acuerdos.

En una entrevista concedida a un importante periódico económico de Brasil (Valor Econômico) en octubre de 2021, el presidente de Qair Brasil señaló que "Europa quiere consumir 80 GW de energía en forma de hidrógeno verde en los próximos años, pero sólo puede producir 20 GW". Del mismo modo, el gerente del Banco Mundial para el tema de la energía en América Latina destacó que "el Estado de Ceará puede ser un protagonista del hidrógeno verde". Está muy bien posicionada y ya ha avanzado en las asociaciones internacionales" (10). 

 

Consideraciones finales

La información destacada en el texto, los argumentos y las opiniones vertidas enriquecerán el debate sobre las oportunidades en América Latina en particular para el mercado del agua y las aguas residuales, la reutilización y la desalinización, teniendo en cuenta los desafíos actuales de la economía global y el cambio climático. Consideraciones, adiciones, preguntas, más detalles y correcciones serán atendidos por correo electrónico.

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Referencias bibliográficas

(1) ZÜTTEL, A.; et al. Hydrogen: the future energy carrier. The Royal Society, 2010. Disponível em: royalsocietypublishing.org.

(2) IEA, World Energy Balances: Overview, Paris. 2021. Disponível em: ww.iea.org/reports/world-energy-balances-overview

(3) SADIGOV, R.; Rapid Growth of the World Population and Its Socioeconomic Result, 2022. Disponível em: www.hindawi.com/journals/tswj/2022/8110229

(4) NASAa, Global Climate Change. Disponível em: https://climate.nasa.gov/

(5) IPCC, Painel Intergovernamental sobre mudanças climáticas. Disponível em: https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2019/07/SPM-Portuguese-version.pdf

(6) GARREAUD, R. Nasa: Global Climate Change  Disponível em: https://earthobservatory.nasa.gov/images/149463/chilean-volcano-low-on-snow

(7) NASAb: Global Climate Change  Disponível em: https://climate.nasa.gov/images-of-change?id=686#686-chiles-lake-aculeo-dries-up

(8) BESWICK, R. R.; OLIVEIRA, A. M. YAN, Y. Does the Green Hydrogen Economy Have a Water Problem? 2021. Disponível em: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c01375

(9) COMERC ENERGIA, 2021. Entenda a Importância do Hidrogênio Verde para o processo de descarbonização no Brasil Disponível em: https://panorama.comerc.com.br/hidrogenio-verde

(10) Governo do Ceará. Valor Econômico. 21/01/21. Disponível em: https://valor.globo.com/patrocinado/governo-do-ceara/noticia/2021/10/21/parcerias-internacionais-colocam-o-ceara-na-dianteira-do-hidrogenio-verde.ghtml

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[1] Proyección basada en las estimaciones de los avances tecnológicos.