Combien d'eau faut-il pour fabriquer de l'hydrogène par électrolyse ?

Combien d'eau est consommée par l'électrolyse

Première étape : la production d'hydrogène

La consommation d'eau provient de deux étapes : la production d'hydrogène et la production de vecteurs énergétiques en amont. Pour la production d'hydrogène, la consommation minimale d'eau électrolysée est d'environ 9 kilogrammes d'eau par kilogramme d'hydrogène. Cependant, compte tenu du processus de déminéralisation de l'eau, ce rapport peut aller de 18 à 24 kilogrammes d'eau par kilogramme d'hydrogène, voire même atteindre 25,7 à 30,2.

Pour le processus de production existant (reformage à la vapeur de méthane), la consommation d'eau minimale est de 4,5 kgH2O/kgH2 (nécessaire pour la réaction), en tenant compte de l'eau de traitement et du refroidissement, la consommation d'eau minimale est de 6,4-32,2 kgH2O/kgH2.

Étape 2 : Sources d'énergie (électricité renouvelable ou gaz naturel)

Une autre composante est la consommation d'eau pour produire de l'électricité renouvelable et du gaz naturel. La consommation d'eau de l'énergie photovoltaïque varie entre 50-400 litres/MWh (2,4-19kgH2O/kgH2) et celle de l'énergie éolienne entre 5-45 litres/MWh (0,2-2,1kgH2O/kgH2). De même, la production de gaz à partir de gaz de schiste (sur la base de données américaines) peut être augmentée de 1,14 kgH2O/kgH2 à 4,9 kgH2O/kgH2.

En conclusion, la consommation totale moyenne d'eau d'hydrogène générée par la production d'énergie photovoltaïque et la production d'énergie éolienne est d'environ 32 et 22 kgH2O/kgH2, respectivement. Les incertitudes proviennent du rayonnement solaire, de la durée de vie et de la teneur en silicium. Cette consommation d'eau est du même ordre de grandeur que la production d'hydrogène à partir du gaz naturel (7,6-37 kgh2o/kgH2, avec une moyenne de 22kgH2O/kgH2).

Empreinte hydrique totale : plus faible lors de l'utilisation d'énergies renouvelables

Comme pour les émissions de CO2, une condition préalable à une faible empreinte eau pour les voies électrolytiques est l'utilisation de sources d'énergie renouvelables. Si seule une petite fraction de l'électricité est produite à partir de combustibles fossiles, la consommation d'eau associée à l'électricité est bien supérieure à l'eau réellement consommée lors de l'électrolyse.

Par exemple, la production d'électricité au gaz peut utiliser jusqu'à 2 500 litres/MWh d'eau. C'est aussi le meilleur cas pour les combustibles fossiles (gaz naturel). Si la gazéification du charbon est envisagée, la production d'hydrogène peut consommer 31 à 31,8 kgH2O/kgH2 et la production de charbon peut consommer 14,7 kgH2O/kgH2. La consommation d'eau provenant du photovoltaïque et de l'éolien devrait également diminuer au fil du temps à mesure que les processus de fabrication deviennent plus efficaces et que la production d'énergie par unité de capacité installée s'améliore.

Consommation totale d'eau en 2050

On s'attend à ce que le monde utilise beaucoup plus d'hydrogène à l'avenir qu'il ne le fait aujourd'hui. Par exemple, les Perspectives de la transition énergétique mondiale de l'IRENA estiment que la demande d'hydrogène en 2050 sera d'environ 74EJ, dont environ les deux tiers proviendront de l'hydrogène renouvelable. Par comparaison, aujourd'hui (l'hydrogène pur) est de 8,4 EJ.

Même si l'hydrogène électrolytique pouvait répondre à la demande d'hydrogène pour l'ensemble de 2050, la consommation d'eau serait d'environ 25 milliards de mètres cubes. La figure ci-dessous compare ce chiffre à d'autres flux de consommation d'eau artificielle. L'agriculture utilise la plus grande quantité de 280 milliards de mètres cubes d'eau, tandis que l'industrie utilise près de 800 milliards de mètres cubes et les villes utilisent 470 milliards de mètres cubes. La consommation d'eau actuelle du reformage du gaz naturel et de la gazéification du charbon pour la production d'hydrogène est d'environ 1,5 milliard de mètres cubes.

Ainsi, bien que l'on s'attende à ce que de grandes quantités d'eau soient consommées en raison des changements dans les voies électrolytiques et de la demande croissante, la consommation d'eau provenant de la production d'hydrogène sera encore beaucoup plus faible que les autres flux utilisés par l'homme. Autre point de référence, la consommation d'eau par habitant se situe entre 75 (Luxembourg) et 1 200 (US) mètres cubes par an. Avec une moyenne de 400 m3/(par habitant*an), la production totale d'hydrogène en 2050 équivaut à celle d'un pays de 62 millions d'habitants.

Combien coûte l'eau et combien d'énergie est utilisée

coût

Les cellules électrolytiques nécessitent une eau de haute qualité et nécessitent un traitement de l'eau. Une eau de qualité inférieure entraîne une dégradation plus rapide et une durée de vie plus courte. De nombreux éléments, y compris les diaphragmes et les catalyseurs utilisés dans les alcalins, ainsi que les membranes et les couches de transport poreuses des PEM, peuvent être affectés par les impuretés de l'eau telles que le fer, le chrome, le cuivre, etc. La conductivité de l'eau doit être inférieure à 1μS/ cm et carbone organique total inférieur à 50μg/L.

L'eau représente une part relativement faible de la consommation et des coûts énergétiques. Le pire scénario pour les deux paramètres est le dessalement. L'osmose inverse est la principale technologie de dessalement, représentant près de 70 % de la capacité mondiale. La technologie coûte 1 900 à 2 000 $/m³/j et a un taux de courbe d'apprentissage de 15 %. À ce coût d'investissement, le coût de traitement est d'environ 1 $/m³, et peut être inférieur dans les zones où les coûts d'électricité sont faibles.

De plus, les frais d'expédition augmenteront d'environ 1 à 2 $ par m³. Même dans ce cas, les coûts de traitement de l'eau sont d'environ 0,05 $/kgH2. Pour mettre cela en perspective, le coût de l'hydrogène renouvelable peut être de 2 à 3 $/kgH2 si de bonnes ressources renouvelables sont disponibles, alors que le coût de la ressource moyenne est de 4 à 5 $/kgH2.

Ainsi, dans ce scénario conservateur, l'eau coûterait moins de 2 % du total. L'utilisation de l'eau de mer peut multiplier par 2,5 à 5 la quantité d'eau récupérée (en termes de facteur de récupération).

Consommation d'énergie

En ce qui concerne la consommation d'énergie du dessalement, elle est également très faible par rapport à la quantité d'électricité nécessaire pour alimenter la cellule électrolytique. L'unité d'osmose inverse actuellement en fonctionnement consomme environ 3,0 kW/m3. En revanche, les usines de dessalement thermique ont une consommation d'énergie beaucoup plus élevée, allant de 40 à 80 KWH/m3, avec des besoins en énergie supplémentaires allant de 2,5 à 5 KWH/m3, selon la technologie de dessalement. En prenant le cas conservateur (c'est-à-dire une demande énergétique plus élevée) d'une centrale de cogénération comme exemple, en supposant l'utilisation d'une pompe à chaleur, la demande énergétique serait convertie à environ 0,7 kWh/kg d'hydrogène. Pour mettre cela en perspective, la demande d'électricité de la cellule électrolytique est d'environ 50 à 55 kWh/kg, donc même dans le pire des cas, la demande d'énergie pour le dessalement est d'environ 1 % de l'apport énergétique total au système.

L'un des défis du dessalement est l'élimination de l'eau salée, qui peut avoir un impact sur les écosystèmes marins locaux. Cette saumure peut être davantage traitée pour réduire son impact sur l'environnement, ajoutant ainsi 0,6 à 2,40 $/m³ supplémentaires au coût de l'eau. De plus, la qualité de l'eau électrolytique est plus stricte que l'eau potable et peut entraîner des coûts de traitement plus élevés, mais cela devrait encore être faible par rapport à la puissance absorbée.

L'empreinte eau de l'eau électrolytique pour la production d'hydrogène est un paramètre de localisation très spécifique qui dépend de la disponibilité, de la consommation, de la dégradation et de la pollution de l'eau locale. L'équilibre des écosystèmes et l'impact des tendances climatiques à long terme doivent être pris en compte. La consommation d'eau sera un obstacle majeur à la mise à l'échelle de l'hydrogène renouvelable.