La electrólisis del agua de mar ha sido aclamada como una tecnología milagrosa para producir hidrógeno verde, que algunos consideran el combustible del futuro.
Otros sostienen que la electrólisis del agua de mar simplemente no es viable si se analizan las estadísticas.
Para llegar al fondo de la cuestión, debemos analizar las cifras.
El auge de la economía del hidrógeno en los últimos cuatro años aproximadamente ha reavivado numerosas ideas antiguas que merecen revisarse.
Algunas de estas ideas incluyen la electrólisis por plasma y la electrólisis del agua de mar, en la que el agua se descompone en sus partes constituyentes mediante electrólisis, ambas exploradas en el pasado y criticadas por considerarse económica o tecnológicamente inviables.
Cobertura mediática, mientras tanto, ha descrito la electrólisis del agua de mar como el próximo gran avance tecnológico y un catalizador de la economía del hidrógeno, presentándola como un avance casi milagroso. Pero esto es inexacto: la electrólisis del agua de mar es una solución que busca un problema.
Gran parte de las enormes inversiones en hidrógeno acaban respaldando avances tecnológicos que prometían vías de producción de hidrógeno más eficientes, baratas y fiables. Sin embargo, muchos defensores de estos avances son completamente nuevos en la industria del hidrógeno. A menudo no tienen la formación adecuada para comprender estos conceptos con el detalle suficiente, sin mencionar que muchos nunca han trabajado antes con electroquímica.
Cómo realizamos hoy la electrólisis
Tradicionalmente, el agua utilizada para la electrólisis se purifica mediante un proceso comercial de ósmosis inversa y puede requerir una posterior desionización para eliminar los iones restantes. La calidad del agua suministrada a la mayoría de los sistemas modernos de electrólisis del agua debe cumplir la norma ASTM Tipo II, en esencia una calidad de agua más limpia, aunque muchos fabricantes recomiendan el cumplimiento de la norma "ASTM Tipo I, la norma más exigente de agua de uso comercial.
La calidad de alimentación de tipo ASTM I puede lograrse fácilmente con plantas comerciales de ósmosis inversa y desionización. En esencia, es probable que un gran número de proyectos de hidrógeno anunciados a nivel mundial utilicen alimentación de agua de mar; sin embargo, deberán incorporar este paso adicional de procesamiento antes de introducir agua pura en el electrolizador para producir hidrógeno.
La ósmosis inversa más desionización, de última generación, disponible comercialmente y ampliamente implantada, es hoy el estándar para el tratamiento y la purificación del agua de mar.
La cuestión es si omitir este paso de purificación del agua para electrolizar directamente el agua de mar es un enfoque mejor. Para entender si debemos adoptar el enfoque del agua de mar, en el que pasamos directamente a la electrólisis del agua de mar, o mantener los enfoques actuales, en los que utilizamos la ósmosis inversa para purificar el agua, es necesario analizar las cifras.
Electrólisis del agua de mar: las cifras
Ni la economía del hidrógeno ni la electrólisis del agua son conceptos nuevos. Los electrolizadores de agua se utilizan desde hace más de un siglo, y su rendimiento y sus materiales han evolucionado notablemente durante ese periodo, lo que ha dado lugar a soluciones robustas, eficientes y sofisticadas. Lo mismo se aplica a las soluciones de tratamiento del agua.
Comencemos por analizar el consumo energético de los sistemas modernos de electrólisis del agua y de purificación del agua. Para producir 1 kg de hidrógeno se necesitan 8.92 kg de agua. En la práctica, se necesita más debido a las pérdidas: parte del agua no se convierte en hidrógeno y oxígeno y sale del sistema sin procesar. A efectos de los cálculos, se asumió un consumo medio de agua de 11 l/kg de hidrógeno.
En condiciones ideales, la producción de 1 kg de hidrógeno requiere 39.4 kWh/kg. En la práctica, y debido a diversas ineficiencias, la electrólisis del agua consume de media entre 50 – 55 kWh/kg. Las necesidades energéticas de las plantas modernas de tratamiento del agua dependen en gran medida de la calidad del agua de alimentación, de la calidad del permeado y del tipo de tecnología utilizada. Las plantas de ósmosis inversa de uso más común consumen aproximadamente 0.0012 kWh/l y 0.0046 kWh/l para agua salobre y agua de mar de alimentación, respectivamente. Además, en función de la calidad del agua producida, puede desplegarse una planta de tratamiento de agua desmineralizada para purificar aún más el permeado.
El consumo energético de una planta de tratamiento de agua desmineralizada es en el rango de 0.0016 kWh/l. Así, el consumo energético para purificar el agua de mar hasta cumplir los requisitos de pureza de alimentación del electrolizador oscila aproximadamente entre 0.055 y 0.077 kWh/kg H2 (considerando un consumo de agua asumido de 11 l/kg de hidrógeno), o menos del 0.2% del consumo energético total para producir hidrógeno.
Los beneficios energéticos de la electrólisis del agua de mar son insignificantes, al igual que los beneficios en costes.
Las plantas modernas de ósmosis inversa y desmineralización son muy rentables. Según informó Hydrogen Europe, el coste total de la desalinización del agua ronda los 0.85 USD/m3, lo que añade aproximadamente 0.0075 USD/kg al coste de producción del hidrógeno.
En lugar de la electrólisis del agua de mar, los futuros desarrollos de electrolizadores que funcionen con agua ultrapura deberían centrarse en optimizar parámetros como el gasto en costes y la eficiencia energética. Una mejora de solo el 0.2% en el consumo energético daría teóricamente los mismos resultados que operar electrolizadores con agua de mar.
Debido al aumento de la presión osmótica y a la disminución de la entropía, la electrólisis del agua de mar requerirá más energía que la electrólisis con agua ultrapura, por lo que cualquier posible ahorro energético quedará anulado por las leyes de la termodinámica.
¿La electrólisis del agua de mar, un callejón sin salida?
No debe pasarse por alto la complejidad de realizar electroquímica en el agua de mar.
El agua de mar contiene gran cantidad de especies orgánicas e inorgánicas, incluidos microbios e iones metálicos. La bioincrustación será un problema importante en la electrólisis del agua de mar, mientras que los iones metálicos, muchos de los cuales tienen un potencial redox inferior a 1.8 V, se electrodepositarán en exceso sobre los electrodos con el tiempo, reduciendo de forma efectiva el rendimiento electrocatalítico de la producción de hidrógeno.
Diversas especies presentes en el agua de mar también pueden descomponerse, lo que provoca la contaminación del hidrógeno (y del oxígeno) producido. Por ejemplo, y como señaló acertadamente Service, puede desprenderse gas cloro corrosivo y tóxico durante la electrólisis del agua de mar.
Por último, hay buenas razones para que un importante proceso industrial utilizado a nivel mundial para convertir salmuera de cloruro sódico altamente concentrada en lejía, gas cloro e hidrógeno utilice agua ultrapura y cloruro sódico puro, en lugar de depender de las altas concentraciones de cloruro sódico contenidas en el agua de mar.
Plantear las preguntas adecuadas
La economía del hidrógeno aún tiene multitud de desafíos de alto impacto que requieren soluciones propias. Algunos de ellos pueden incluir la fabricación de electrolizadores a escala o la automatización de sus procesos de fabricación para reducir el gasto de capital de los sistemas de electrolizadores.
En lugar de destinar grandes cantidades de financiación a soluciones poco prácticas o a soluciones en las que el desafío supera a los beneficios, centremos los esfuerzos en resolver problemas de alto impacto y con beneficios claros, cubriendo estas lagunas en las cadenas de valor del hidrógeno y de los combustibles limpios.
La electrólisis directa del agua de mar daría lugar a una menor durabilidad de los electrolizadores, a mayores gastos energéticos y de costes y a una menor pureza del hidrógeno producido. Incluso la termodinámica es desfavorable para esta vía directa.
