L’acqua per l’Economia dell’Idrogeno
Un aspetto poco trattato negli studi sull’idrogeno consiste nella quantificazione dei bisogni di acqua per la sua produzione. L’acqua è necessaria sia direttamente nella produzione dell’idrogeno, per scissione con l’elettrolisi o nel processo di reforming del metano, che indirettamente per il raffreddamento delle centrali elettriche per alimentare l’elettrolisi.
Lo studio non considera i costi e si basa su una produzione di 60 miliardi di kg di idrogeno nel 2030, parzialmente prodotti da elettrolisi con elettricità termoelettrica.
Il riferimento è nel paper: The Water Intensity of the Transitional Hydrogen Economy di Michael Webber
Una prima questione riguarda i consumi elettrici della produzione con elettrolisi; non si evince dal testo se i consumi comprendono la compressione e lo stoccaggio dell’idrogeno.
Analisi
Lo studio inizia quantificando la domanda futura di idrogeno in miliardi di kg; tra l’ipotesi di Turner (150), Kruger (104) e del National Research Council (60) scelgie quest’ultima, equivalente ad 1/3 dei consumi attuali di benzina e diesel totali negli Stati Uniti: 180 miliardi di galloni (dato che 1 kg H2 è equivalente ad un gallone di benzina o diesel).
Consumi diretti di acqua
Da un’efficienza teorica dell’elettrolisi che consuma 2,38 galloni (gl.) di acqua per kgH2 si arriva ad un consumo di 143 miliardi di galloni di H2O per produrre 60 miliardi di kgH2. La produzione di H2 da Steam reforming richiede 1,19 gl/kg come materia prima e 3,5 gl per il vapore.
L’elettrolisi richiede acqua per il raffreddamento delle centrali termoelettriche. Il vettoriamento ed il trattamento dell’acqua richiedono: da 0 a 0.014 kWh/gl e 0.085 kWh/gl, rispettivamente. Questi dati portano ad un consumo compreso da 0.2 a 0.24 kWh/kgH2.
Ne consegue che i consumi energetici per produrre H2 da elettrolisi sono, teoricamente 39.4 kWh/kgH2, mentre i reali, efficienza al 60%, salgono a 65.7 kWh/kgH2.
L’analisi mostra subito la sensibilità all’efficienza dell’elettrolisi della produzione di H2 mediante…elettrolisi! Questo nel caso in cui l’idrogeno è candidato a sostituire 1/3 dei consumi attuali totali di benzina e diesel negli Stati Uniti.
Lo studio non dice: “Simuliamo come potrebbe avvenire la produzione di H2 fra 30 anni”, bensì stima quanta acqua ed elettricità servono per produrlo con tecnologie attuali e per i bisogni automobilistici attuali.
I consumi indiretti di energia ed acqua.
I consumi indiretti sono funzione del parco centrali, nel caso di elettricità solare o eolica sono uguali a 0.
I dati usati nello studio sono di fonte U.S. Geological Survey (2000): la produzione termoelettrica di elettricità rappresenta il 48% di tutta la richiesta di acqua fresca e salina (195 miliardi di galloni; il 70 % fresca), più o meno uguali ai bisogni agricoli, che rappresentano il 35% dei consumi di acqua fresca.
Nella produzione di elettricità si stimano 20,6 galloni/kWh prodotto.
Nel 2000 3840 miliardi di kWh (90% termoelettrica)
Nel 2005 4063 miliardi di kWh (90% termoelettrica)
Nel 2030 aumenteranno le rinnovabili, ma…il 90% rimane termoelettrica.
(Questo, ovviamente, spiega gli alti consumi di acqua per produrre l’idrogeno, ma non si tratta della produzione di H2 in sé, bensì un sistema elettrico basato sul termico ed inefficiente, di cui l’idrogeno ci rende più coscienti.)
Domanda totale di acqua.
Usando 20.6 gl/kWh per produrre energia termoelettrica si ottengono 1.100 gl/kgH2
(con efficienza al 70% = 54kWh/kgH2 * 20.6 gl/kWh);
Usando 0.47gl/kWh per il raffreddamento più il consumo teorico di 2.38gl/kgH2 lo studio stima il consumo totale di acqua per produrre 60 miliardi di gl. di idrogeno.
La produzione di idrogeno elettrolitico alimentato con elettricità termoelettrica richiede 27 galloni di acqua/kgH2.
La produzione di benzina consuma da 1 a 2,5 gl di acqua/gallone di benzina.
La produzione di idrogeno via steam reforming consuma 4,6gl acqua/kgH2.
Lo studio produce anche una stima dei consumi di acqua se l’elettricità per l’elettrolisi è prodotta in centrali idroelettriche : 18 galloni di acqua/kWh a causa dell’evaporazione nei bacini artificiali.
Commento
Lo studio non presenta una stima della domanda di acqua nel caso in cui l’idrogeno venga prodotto da reforming, lo standard oggi, né sottolinea che i consumi elettrici ed idrici sono applicabili non solo all’idrogeno ma anche nel caso spesso citato di una diffusione dei veicoli plug-in ed elettrici (solo a batterie).
In conclusione, si tratta di uno studio interessante ed utile ma che allarga i confini delle tecnologie dell’idrogeno a quello che è il campo della decarbonizzazione dei trasporti in generale e del conflitto che si sta producendo tra mobilità e produzione elettrica e tra mobilità ed agricoltura nel campo dei biocarburanti.
Aggiornamento
Greenbang ha estrapolato una frase del paper per imputare gli accresciuti consumi di acqua alla produzione di idrogeno. Hydrogeno cars now lo nota e Greenbang si scusa.
