Producción de agua ultrapura para la alimentación de electrolizadores de hidrógeno verde

Agua ultrapura (UPW) para hidrógeno verde

Un kilogramo de hidrógeno contiene 33 kWh de energía utilizable, aproximadamente tres veces la energía contenida en un kilogramo de gasolina y diésel. Por lo tanto, se utiliza para una amplia gama de aplicaciones que van desde la generación de energía y el almacenamiento de energía hasta las pilas de combustible para el transporte. También forma parte de procesos industriales críticos como el proceso Haber-Bosch para la producción de amoníaco.

Aplicaciones del hidrógeno

Figura 1 - La amplia gama de aplicaciones del hidrógeno

El hidrógeno se puede sintetizar mediante una amplia gama de procesos que utilizan como base para su producción un hidrocarburo, agua o ambos. En el caso del hidrógeno verde, se utiliza la electrólisis del agua, alimentada con energía renovable, para producir este gas esencial según la siguiente ecuación:

El hidrógeno se produce a partir de agua ultrapura en una proporción de 9:1, es decir, se necesitan nueve kilogramos de agua ultrapura para producir un kilogramo de hidrógeno. Si tenemos en cuenta la cadena de tratamiento del agua, la proporción entre el consumo de agua de alimentación y la producción de hidrógeno puede variar entre 15:1 y 30:1 aproximadamente, dependiendo de la fuente de alimentación..

Figura 2 – Agua necesaria para producir un kilogramo de hidrógeno según la fuente de alimentación

Para garantizar la máxima eficiencia y proteger los electrolizadores altamente sensibles, la calidad del agua de alimentación debe cumplir con los estándares de calidad más altos. Para lograr estos requisitos, generalmente se justifica un sistema de desmineralización completo que incluya, en particular, ósmosis inversa de doble paso y electrodosionización.

Como el agua se recircula continuamente dentro de la unidad del electrolizador, cualquier impureza que pase a través del sistema de desmineralización o contaminación proveniente del equipo de la unidad del electrolizador puede acumularse rápidamente hasta alcanzar niveles importantes. Para evitar la acumulación de contaminantes dentro del circuito del electrolizador, se puede aplicar un pulidor de punto de uso para tratar una fracción o la totalidad del agua recirculada.

Figura 3: Desglose de precios de CAPEX y OPEX para plantas de hidrógeno verde

Si bien el sistema de tratamiento de agua representa generalmente entre el 1 y el 5 % de los gastos de capital totales de la planta, las pilas de electrolizadores representan entre el 50 y el 60 % del total. Es aún más importante tener un sistema adecuadamente diseñado en la fase inicial y en el circuito del electrolizador para proteger las pilas y aumentar su vida útil.

Además, los costos de electricidad suelen representar entre el 60 y el 80 % de todos los gastos operativos y son uno de los principales impulsores de costos durante la existencia de una planta. Una unidad de tratamiento adecuada es nuevamente primordial para garantizar que no se acumulen impurezas en la superficie del electrolizador que conducirían a un mayor consumo de electricidad.

Producción de UPW  ~ 2-5 kWh/m3 Electrólisis UPW ~ 5000 kWh/m3

Figura 4: Electricidad aproximada requerida por m3 para la producción de agua ultrapura y la electrólisis de agua ultrapura

Si bien es marginal tanto en CAPEX como en OPEX a escala de planta, un sistema de tratamiento de agua ineficaz o inadecuado puede tener consecuencias graves:

• Daños en la pila del electrolizador
• Mayor tiempo de inactividad debido a paradas de mantenimiento más frecuentes
• Mayor costo de propiedad debido a un mayor consumo de electricidad y agua