Consumos de agua en proyectos de hidrógeno renovable II
En la publicación anterior hablamos sobre el consumo de agua en la producción de hidrógeno, y su importancia en este tipo de instalaciones. A continuación, veremos de forma más detallada los puntos técnicos más relevantes que afectan al consumo de agua de la planta. El objetivo es dar respuesta a diferentes preguntas que pueden surgir en el momento de desarrollar un proyecto de producción de hidrógeno, como pueden ser:
¿Cuánta agua se necesita para producir hidrógeno?
¿Qué fuentes de agua se pueden utilizar?
¿Cuál es el trámite para disponer de agua en las instalaciones?
¿Qué pureza de agua se necesita para producir hidrógeno? ¿Y en los sistemas de refrigeración?
¿Se puede reciclar agua en el proceso de producción de hidrógeno?
¿Cómo se puede minimizar el consumo de agua?
Etc.
Contexto
Volviendo sobre lo comentado en el artículo anterior, los consumos de agua en la producción de hidrógeno más significativos provienen de la electrólisis, y de la refrigeración del proceso. Viendo por ejemplo la Ilustración 1, esta puede servir para darnos una idea sobre las necesidades de estas instalaciones. Así, por ejemplo, para una planta que produzca 10.000 toneladas al año de hidrógeno se podrían necesitar como una primera estimación, 350.000 m3/año de agua bruta de red.
Es especialmente importante, para comenzar, tener claras las diferencias entre los distintos tipos de agua presentes en el proceso de producción de hidrógeno. La diferencia principal entre ellos es la calidad del agua, ya que el requerimiento cambia en función de la parte del proceso en la que se vaya a utilizar.
- Agua bruta de red: Se refiere al agua de entrada a las instalaciones, y la cual sería necesario tratar para conseguir las condiciones de pureza requeridas en función de la aplicación.
- Agua ultrapura: Agua que cumple con los requisitos de calidad de los electrolizadores. ¿Y qué calidad de agua se requiere en los electrolizadores? Pues bien, esto va a depender del tipo de tecnología, como veremos en el siguiente punto.
- Agua de refrigeración: Utilizada en el proceso de refrigeración para disipar calor de los procesos productivos y ayudar a mantener las temperaturas fijadas en las condiciones de operación. Se trata de un servicio auxiliar con sus propios requerimientos de calidad.
- Agua de rechazo: Agua de salida de la planta de tratamiento, en donde se consigue tratar el agua de red para convertirla en agua ultrapura. Como consecuencia, se consigue esta corriente de rechazo, con una mayor concentración de impurezas, que generalmente es purgada del proceso.
Ilustración 1. Requerimientos de agua en las diferentes fases de la producción de hidrógeno. Fuente (IRENA, 2023)
Para el caso de la refrigeración, igual que ocurre con la electrólisis, en función de la tecnología utilizada se tienen unos consumos eléctricos y de agua diferentes. Como veremos a continuación, las tecnologías de refrigeración más comunes que se pueden utilizar en las plantas de producción son torres de refrigeración, sistemas de refrigeración con aire seco, o sistemas adiabáticos.
La cantidad de agua requerida depende del diseño de la planta, del tipo de electrolizador, el sistema de tratamiento de agua, y el de refrigeración. Esto va a afectar a las cantidades de agua ultrapura requerida, así como de agua bruta asociada, y debido al coste del tratamiento del agua, al coste de la planta.
Por otra parte, desde un punto administrativo, es necesario que la demarcación de cuenca de la zona correspondiente tramite la concesión para el uso de esa cantidad de agua en las instalaciones. Es una parte clave sobre la tramitación de proyectos de producción de hidrógeno.
Desde AtlantHy vemos este consumo de agua como un punto crítico en la viabilidad de los proyectos, y que es necesario tener en cuenta desde un primer momento. ¿Y por qué es importante el consumo de agua en plantas de hidrógeno? En España existen diferentes zonas que sufren de estrés hídrico, y que pueden tener problemas para atender correctamente la demanda de agua (Ilustración 1). Uno de los objetivos clave a la hora de diseñar una planta de producción de hidrógeno, es conseguir minimizar su consumo de agua, y el efecto sobre las entidades acuáticas de la zona que pueda conllevar el proyecto.
Ilustración 2. Situación de España en agosto 2024 de escasez de agua. Fuente: (Subdirección general de Planificación Hidrológica, 2024)
Consumo de agua en la electrólisis
Para la producción de hidrógeno, dada la estequiometría de la reacción, se necesitan los ya comentados 9-10 litros de agua ultrapura/kg de H2. Pero realmente, se convierten en alrededor de 15-16 litros de agua de red/kg de H2.
La calidad del agua requerida para ser utilizada en los electrolizadores viene determinada por cada tecnólogo, y es establecida para maximizar la eficiencia y la vida útil de estos equipos. Es un valor fijado lo suficientemente bajo, en especial de conductividad eléctrica, para asegurar que la concentración de iones y moléculas dañinas está siempre por debajo de los requerimientos del electrolizador. Generalmente, se exigirá que cumplan con calidades de agua dentro de los parámetros ASTM tipo I para tecnología PEM, y tipo II para tecnología alcalina (Tabla 1).
Tabla 1. Principales requisitos de pureza del agua de acuerdo al código ASTM tipo I y II. Fuente: (ASTM, 2023)
| Resistividad (MΩ-cm) | Conductividad (μS/cm) | pH 25˚C | TOC (μg/L) | Sodio ( μ g/L) | Cloruros ( μ g/L) | Sílice ( μ g/L) | |
| Tipo I | > 18 | < 0.056 | N/A | < 50 | < 1 | < 1 | < 3 |
| Tipo II | > 1 | < 1 | N/A | < 200 | < 5 | < 5 | < 3 |
En la tecnología alcalina, el circuito del agua en el proceso implica la adición del agua y su mezcla con el electrolito que se utilice. Por su parte, a la tecnología PEM en términos generales se le asocia un mayor consumo de agua que la alcalina. Para una misma cantidad de agua ultrapura, dependiendo de la tecnología del electrolizador se va a necesitar diferente cantidad de agua bruta.
Se trataría en este punto de sobredimensionar la capacidad de la planta de tratamiento de agua teniendo en cuenta que eso conllevaría un aumento tanto del CAPEX como del OPEX del proyecto.
Consumo de agua en la refrigeración
La refrigeración es un servicio auxiliar de las instalaciones, y que, viendo las grandes cantidades de calor a disipar, resulta un factor que afecta significativamente a los consumos de las instalaciones en función de la tecnología utilizada.
La selección entre las tecnologías más comunes para la refrigeración de plantas de producción de hidrógeno va a depender de cada caso. Las características principales de cada una de ella son las recogidas en la Tabla 2 referentes al consumo de agua, y es importante destacar que se trata de valores aproximados de referencia. Es posible que haya diferencias relevantes en función del clima de la zona de la planta.
Los sistemas de refrigeración en seco (dry coolers) son los que permiten reducir al máximo el consumo de agua, y los que tienen un consumo eléctrico mayor. Sin embargo, en climas en donde la temperatura es elevada parte del año, como puede ser en Andalucía, estos equipos no tienen la capacidad suficiente para cubrir las demandas de refrigeración.
En estos casos, es cuando procede instalar sistemas que utilizan el agua para aprovechar su diferencia de temperatura y el calor de evaporación de esta, para refrigerar el fluido del proceso. Las torres de refrigeración son equipos que consumen agua de forma constante, mientras que los sistemas adiabáticos son más similares a los dry coolers, y funcionan en seco hasta el momento en que es necesario añadir agua en el sistema para cubrir la demanda de refrigeración.
Por este motivo, los sistemas adiabáticos tienen un consumo anual menor al de las torres, aunque también necesitan de una mayor área en la planta para cubrir la misma potencia.
Tabla 2. Características generales de los distintos tipos de tecnologías de refrigeración.
| Torre de refrigeración | Refrigeración en seco | Sistemas adiabáticos | |
| Consumo de agua (m3/t H2) | 50 | 0 | 10 |
| Espacio requerido (m2) | Reducido | Elevado | Elevado |
| Pureza del agua | Agua de red o similar | N/A | Agua desmineralizada |
Viendo la tabla, es importante el hecho de que las torres se pueden diseñar y seleccionar un relleno que permita la utilización de aguas de peor calidad, llegando a poder trabajar con aguas residuales tratadas. Esto es una opción para estudiar, y que puede conllevar a que el consumo de agua de red disminuya, favoreciendo una economía más circular.
De forma general, en la industria de la producción de hidrógeno se está optando mayoritariamente por dry coolers, cuando lo permite el clima, y por sistemas adiabáticos en los demás casos. En próximos artículos entraremos más en detalle sobre la refrigeración a escoger y sobre las características de cada tecnología.
Sistemas de purificación de agua
Teniendo claro las diferentes purezas necesarias en la planta de producción de hidrógeno, a continuación, haremos un repaso sobre cómo se puede obtener agua ultrapura a partir de agua de red. En caso de utilizar agua de ríos o de mar serían necesarios sistemas de tratamiento extra para conseguir en primer lugar las calidades de agua de red, siguiendo con los criterios establecidos en el Real Decreto 3/2023, de 10 de enero, por el que se establecen los criterios técnico-sanitarios de la calidad del agua de consumo, su control y suministro. Para cumplir con estos requisitos algunas de las opciones que se podrían implantar serías sistemas DAF (de flotación por aire disuelto), sistemas de tratamiento biológico, y de ultrafiltración.
Ilustración 3. Sistema de tratamiento de agua para una planta de hidrógeno.
Para tratar el agua de red para obtener agua ultrapura, generalmente la tecnología óptima pasa por la utilización de sistemas de ósmosis inversa de doble paso para la eliminación de iones y de materia orgánica (Tabla 1). Es un proceso en el que cada uno de los pasos cuenta con una membrana semipermeable en la que por un lado se obtiene el agua de mayor pureza, y por el otro lo que se denomina permeado, una corriente de agua con los contaminantes que quedan retenidos en la membrana.
Aun así, sigue siendo necesario reducir la conductividad eléctrica, lo cual se puede conseguir utilizando la electrodesionización (EDI), un filtro que emplea resinas de intercambio iónico, a las que se aplica tensión negativa y positiva. El sistema de EDI emplea energía eléctrica para reducir la carga iónica del agua.
Concesión del uso del agua
Pongámonos ahora en el caso de que el proyecto ya se encuentra diseñado, y ya somos conscientes del consumo de agua que va a requerir la planta de producción de hidrógeno, es necesario a su vez realizar el trámite administrativo correspondiente de cara a poder obtener la concesión de agua.
Para las plantas industriales, y con los altos caudales asociados, estas deben obtener una concesión para el uso privativo del agua, siguiendo el procedimiento reflejado en la Ilustración 4, y que puede tardar 18 meses en resolverse.
Ilustración 4. Procedimiento general para la obtención de la concesión del uso privativo del agua. Fuente: (Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico, s.f.)
La solicitud se presenta ante el organismo de cuenca o confederación hidrográfica correspondiente. Estas generalmente cuentan con un Plan Hidrológico propio, pero de forma general su prioridad para conceder las concesiones a los diferentes usos es el siguiente (Subdirección General de Dominio Público Hidráulico e Infraestructuras, s.f.):
- Abastecimiento de población, incluyendo en su dotación la necesaria para industrias de poco consumo de agua, situadas en los núcleos de población y conectadas a la red municipal.
- Regadíos y usos agrarios.
- Usos industriales para producción de energía eléctrica.
- Otros usos industriales no incluidos en los apartados anteriores.
- Acuicultura.
- Usos recreativos.
- Navegación y transporte acuático.
- Otros aprovechamientos.
De forma general, para realizar esta solicitud se deben presentar los siguientes datos antes a las autoridades competentes: el titular, la finalidad de esta, el plazo por el que se otorga, el caudal máximo instantáneo, el volumen máximo anual y en su caso el volumen máximo mensual cuyo aprovechamiento se concede, indicando el período de utilización cuando ésta se haga en jornadas restringidas.
Conclusiones
El consumo de agua es algo a tener en cuenta en cualquier proyecto de hidrógeno, y que puede condicionar la viabilidad de un proyecto de producción de hidrógeno. Este consumo puede varias en función del tipo de electrolizador y del sistema de refrigeración, en donde los dry coolers y los sistemas adiabáticos tienen un consumo de agua menor.
Es necesario además en las primeras fases del proyecto comenzar con los trámites para la solicitud de la concesión del uso privativo del agua, crítica para que el proyecto se pueda llevar a cabo.
Si quieres saber más sobre el tratamiento del agua, no dudes en escuchar nuestro Episodio 76, con Sergio Meana, de Hidritec.
En AtlantHy podemos ser de ayuda tanto en la parte del diseño de las instalaciones, como para la tramitación antes los organismos de cuenca de la solicitud de la concesión. Ayudamos a proyectos a realizar una selección de tecnologías, tanto de electrólisis como de refrigeración, incluyendo plantas de captura y de producción de combustibles sintéticos así como a conceptualizar el proyecto para conseguir todos los trámites ambientales necesarios.
Bibliografía
ASTM. (20 de 03 de 2023). American Society for Testing and Materials. Obtenido de https://www.astm.org/d1193-99e01.html
IRENA. (2023). Water for hydrogen production. Obtenido de https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2023/Dec/IRENA_Bluerisk_Water_for_hydrogen_production_2023.pdf
Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico. (s.f.). Concesiones para el uso privativo del agua. Obtenido de https://www.miteco.gob.es/es/agua/temas/concesiones-y-autorizaciones/regulacion-usos-aprovechamiento/concesiones.html
Subdirección General de Dominio Público Hidráulico e Infraestructuras. (s.f.). Concesiones en la legislación de aguas. Obtenido de https://www.miteco.gob.es/content/dam/miteco/es/agua/temas/concesiones-y-autorizaciones/procedimiento-ordinario-otorgamiento-de-concesiones_tcm30-509087.pdf
Subdirección general de Planificación Hidrológica. (septiembre de 2024). Informe mensual de seguimiento de la situación de Sequía y Escasez. Obtenido de https://www.miteco.gob.es/content/dam/miteco/es/agua/temas/observatorio-nacional-de-la-sequia/2409-Informe_SE_sep_2024.pdf
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