Una óptima calidad de agua, es imprescindible para producir hidrógeno verde. El agua ultrapura para hidrógeno verde es un elemento necesario a la hora de producir esta energía verde. En el presente artículo, analizamos las necesidades que requiere la producción de agua ultrapura, las tecnologías que se disponen y las soluciones más óptimas para obtenerla. Todo ello a través de la visión eminentemente práctica del equipo ingeniero de BlueGold.
Agua ultrapura y producción de hidrógeno verde
El agua ultrapura es un componente esencial para producir hidrógeno verde. Ante la creciente demanda de energías alternativas, más sostenibles y renovables, la innovación es clave. Por lo tanto, disponer de un sistema innovador que ofrezca agua ultrapura, es esencial para la producción del hidrógeno verde. En BlueGold, especialistas en ingeniería de tratamiento de agua desmineralizada, se han desarrollado sistemas de vanguardia para obtener agua ultrapura a través de un proceso más eficiente.
En BlueGold, la innovación y la tecnología son nuestras herramientas para ofrecer eficiencia y calidad
El éxito de BlueGold, está avalado por 20 años de experiencia. Desde su nacimiento en el año 2004, BlueGold ha cumplido con éxito su propósito: proporcionar soluciones técnicas en el sector del tratamiento de aguas. En su trayectoria, ha ejecutado múltiples proyectos tanto para el sector privado como el público, ofreciendo una amplia variedad de servicios técnicos. Entre otros, podemos distinguir: potabilización de agua, depuración y reutilización de aguas residuales, desmineralización de agua, sistemas de instrumentación y control, y sistemas contra incendios. Vemos algunos proyectos:
- Reactor Biológico de Membranas (MBR) en El Campello, Alicante.
- Planta Electro-Desionización (EDI) para la producción de agua desmineralizada en Cádiz, España
- Planta de Agua Ultra Pura contenerizada en Fort St. James, Canadá.
La experiencia internacional acredita nuestra profesionalidad. El contar en nuestro haber con numerosos proyectos realizados a nivel internacional, distingue nuestra labor. Cada propuesta se distingue por ofrecer una solución innovadora y vanguardista que satisfaga las necesidades del cliente. Para lograr siempre la solución más óptima de rendimiento, eficacia y costes, nuestros profesionales desarrollan un estudio previo detallado.
BlueGold apuesta firmemente por las plantas de electrodesionización. La descarbonización y la sustitución de combustibles fósiles, ha dado lugar a la necesidad de desarrollar energías alternativas y, consecuentemente, un incremento de la demanda de hidrógeno. Por ello, en BlueGold hemos centrado nuestro desarrollo tecnológico en el diseño y mantenimiento de plantas de electrodesionización (EDI). Sin embargo, aún existen retos por superar como un sistema de producción menos contaminante o reducir los costes de producción. En el presente artículo, realizaremos un análisis de las tecnologías más innovadoras en este campo, así como ejemplos reales de su utilización.
En BlueGold, hemos centrado nuestro desarrollo tecnológico en el diseño y mantenimiento de plantas EDI
Eficiencia en el proceso de producción de agua ultrapura
Es necesario una gran inversión, tanto pública como privada, para una transición verde. Como apunta un informe de GlobalData, en el 2022 se alcanzó la cifra de 109.000 toneladas de hidrógeno verde producido. Este dato representa un aumento del 44% respecto del año 2021 (GlobalData, Hydrogen Transition Outlook and Trends: Q1, 2023).
Durante el año 2022, se alcanzó la cifra de 109.000 toneladas de hidrógeno verde producido
Producir hidrógeno verde requiere energía renovable y agua ultrapura. En el proceso de producción de agua ultrapura, es necesario contar con una planta de tratamiento de aguas (PTA), que permita alcanzar unas características adecuadas en el agua. Una vez alcanzada la calidad necesaria, se lleva a cabo en los electrolizadores un proceso químico que separa el agua en moléculas de H2 y O2.
Es necesario contar con soluciones eficientes para obtener agua ultrapura. Uno de los objetivos es lograr disminuir el uso de agua potable e incrementar el uso de agua reciclada. Para ello, es necesario disponer de plantas de tratamiento de agua eficaces, maximizar la recuperación de agua y reduciendo el residuo generado. Además, es de gran relevancia la eliminación de aguas residuales asociadas al tratamiento por los efectos que tiene sobre la reducción de costes. Por lo tanto, es imprescindible desarrollar innovaciones en el diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales que permitan optimizar el consumo y generen un agua de calidad.
Las innovaciones en el diseño de plantas de tratamiento, ofrecen calidad y optimizan el consumo
Entre las soluciones contempladas se encuentra el tratamiento previo del agua. Este tratamiento se realiza de forma necesaria como paso previo al acceso del agua a los electrolizadores. Atendiendo a lo dispuesto por la normativa de la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales, debe ser agua de tipo I. Actualmente, para producir agua de tipo I, las PTA que desarrollan el proceso, constan fundamentalmente de las siguientes etapas:
1: Pretratamiento del agua empleada mediante la filtración y adecuación.
2: Tratamiento fisico-químico mediante Osmosis Inversa (RO) para eliminar los sólidos disueltos en el agua mediante membranas semipermeables.
3: Electrodesionización (EDI) del agua para eliminar los iones que esta pueda contener mediante resinas de intercambio iónico y la aplicación de electricidad.
RO y EDI, proporcionan agua de calidad para producir hidrógeno. Es decir, a través de estas dos técnicas, se produce un agua desionizada con una baja concentración de sales que hace que sea un agua ultrapura para hidrógeno verde idónea. Por lo tanto, innovar en sistemas de ósmosis inversa y de electrodesionización es prioritario y esencial para las instalaciones de producción de hidrógeno verde.
Características y producción del agua ultrapura para el hidrógeno verde
El hidrógeno (H2), es el compuesto químico más abundante en el universo. Gracias a sus propiedades químicas, el hidrógeno es ligero y altamente reactivo. Por su alto poder energético, es un candidato perfecto para sustituir los combustibles fósiles ante la descarbonización del sector energético, industrial y transporte. Aunque representa una alternativa viable, aún existen retos a superar para una producción de hidrógeno más limpia y económica.
El proceso de producción define el tipo de hidrógeno. El hidrógeno recibe un color que se asocia al proceso de obtención, siendo los siguientes, los principales tipos de hidrógeno:
Gris: El hidrógeno gris se obtiene empleando combustibles fósiles, siendo este el método más económico de producción, pero el más contaminante por la cantidad de CO2 que emite a la atmósfera.
Azul: Al igual que el hidrógeno gris, este se produce a partir de combustibles fósiles, pero con la salvedad de que utiliza técnicas de captura y almacenamiento de CO2.
Verde: El hidrógeno verde también conocido como hidrógeno renovable porque para su obtención se emplea agua y energía renovable.
La obtención de hidrógeno verde, se lleva a cabo a través de la electrólisis. Este proceso químico, implica la descomposición química del agua (H2O), en oxígeno (O2) e hidrógeno (H2), mediante la aplicación de una corriente eléctrica. La producción de hidrógeno por electrólisis implica el uso de un dispositivo electrolizador con electrodos (ánodo y cátodo) separados por una membrana. A través de una corriente continua, se descompone el agua en oxígeno e hidrógeno. En el ánodo, se produce la oxidación del agua, generando oxígeno, mientras que en el cátodo, los iones de hidrógeno se reducen a átomos de hidrógeno, liberando hidrógeno gaseoso.
El rendimiento de la planta de tratamiento es un factor esencial a tener en cuenta. Como se indica anteriormente, el hidrógeno verde se obtiene a partir de agua y energía procedente de fuentes renovables, por lo tanto, se trata de un combustible renovable. Un factor importante a tener en cuenta en la producción de H2 verde es el agua a emplear, por lo tanto, es necesario optimizar e incrementar el rendimiento de las plantas de tratamiento de agua. En consecuencia, la innovación es clave para cuidar de los recursos hídricos de nuestro planeta.
Innovación es clave para optimizar plantas de tratamiento y proteger recursos hídricos en producción de H2 verde
El agua utilizada debe alcanzar unos estándares mínimos. A continuación, tomaremos como referencia la normativa de la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM). Esta organización establece que la calidad del agua para electrolizadores debe ser de tipo I:
Tabla 1. Estándares de calidad para distintos tipos de agua
Ósmosis inversa en plantas de tratamiento para la producción de hidrógeno verde
El agua debe alcanzar una calidad apropiada para producir hidrógeno verde. Para ello, es necesario un pretratamiento físico-químico, ósmosis inversa (RO), y electrodesionización (EDI). Además, cada una de estas etapas debe estar diseñada para adaptarse a la calidad y características del agua de alimentación. A través del filtrado, se eliminan sólidos en suspensión y coloidales presentes en el agua, que podrían dañar de manera irreversible las membranas de ósmosis inversa y prolongar su vida útil.
En el pretratamiento, pueden incluirse procesos químicos que adecuen el agua bruta. Puede ser necesaria la adecuación de pH del agua bruta, la eliminación de químicos disueltos que dañan las membranas de osmosis o que dificultan el tratamiento posterior, como exceso de hierro y manganeso, durezas muy altas, TOC alta; también es necesario la eliminación de la materia orgánica disuelta, algo muy común cuando estamos reutilizando aguas residuales, para lo que se disponen de diferentes sistemas de pretratamiento adecuados a estos problemas.
Puede ser necesario realizar una adecuación del agua bruta
Una vez finalizado el pretratamiento, da comienzo la etapa de ósmosis inversa. Esta etapa resulta crucial, por ello, el equipo de BlueGold realiza un estudio exhaustivo para un diseño eficiente. Se toman en cuenta factores como la caracterización del agua de alimentación, la selección de membranas en base a la calidad del agua y el diseño integral del sistema. De igual forma, se produce la elección del equipo de bombeo para superar la presión osmótica del agua.
La ósmosis inversa es un proceso de purificación. Unas membranas semipermeables, permiten eliminar impurezas, sales y otros contaminantes. Para ello, se hace pasar el agua a través de una membrana semipermeable mediante la aplicación de una presión superior a la presión osmótica que separa las sustancias. Por lo tanto, de un lado de la membrana quedan las sustancias (concentrado o rechazo) y del otro lado, agua con una baja concentración de sólidos disueltos (permeado).
A través de unas membranas semipermeables, se eliminan impurezas, sales y otros tipos de contaminantes
La producción de hidrógeno requiere una conductividad comprometida adecuada. La conductividad de salida de la RO debe estar entre 5-10 µS/cm y permite que la electrodesionización (EDI/CEDI) posterior trabaje de forma adecuada para obtener agua ultrapura. La conductividad depende de la calidad del agua puesto que, en función de sus características, será necesario aplicar uno, o dos pasos, de ósmosis inversa. La ósmosis inversa permite una baja conductividad al eliminar más del 99% de las sales presentes en el fluido.
El propósito de BlueGold, es alcanzar la mayor eficiencia en cada diseño. En la etapa de ósmosis inversa, se minimiza el flujo de rechazo mediante procesos de recuperación, y el coste energético, evitando los tanques intermedios. Además, se implementa un sistema de limpieza para mantener las membranas eficientes, reduciendo así costes de operación y garantizado un agua de calidad que alcance los estándares de calidad requeridos para producir hidrógeno verde.
Los diseños que crea el equipo ingeniero de BlueGold, buscan la mayor eficiencia
Electrodesionización (EDI): alta calidad de agua para producir hidrógeno verde
Tras la ósmosis inversa, tiene lugar la electrodeionización (EDI). Es esta etapa, la que permite obtener agua ultrapura mediante la eliminación de iones y otras impurezas que presenta el agua tras la ósmosis inversa.
Es necesario para la electrólisis eliminar los iones disueltos en el agua. En el proceso químico de la electrólisis, por el cual se genera hidrógeno, debe utilizarse un agua ultrapura sin iones disueltos. Sin embargo, la ósmosis inversa no logra eliminar estos iones del permeado y, por lo tanto, es necesario realizar una tercera etapa.
En el proceso de electrólisis, el agua no debe contener iones disueltos
En una cámara de resina de intercambio iónico, se produce la electrodesionización. Esta cámara, se encuentra delimitada por membranas permeables aniónicas y catiónicas selectivas. En los extremos de la cámara se dispone un cátodo (-) y un ánodo (+) que reciben una fuente de corriente externa que da lugar a un campo eléctrico continuo.
La resina capta y retiene los iones presentes en el agua. A través de la fuerza de atracción, el movimiento de los iones con carga positiva son atraídos por el cátodo y los iones de carga negativa, por el ánodo. En este proceso, se liberan iones H+ y OH-, que sirven para la regeneración continua de la resina. En consecuencia, se obtiene una corriente de concentrado que arrastra las sustancias suprimidas del agua, y una corriente de agua ultrapura.
Por la fuerza de atracción, los iones de carga positiva, tienden al cátodo y, los de carga negativa, son atraídos por el ánodo
Imagen 1. Proceso de electrodesionización
La electrodesionización se caracteriza por diversos y simultáneos procesos. En los procesos que se producen en la electrodesionización, distinguimos:
Electrodiálisis: Con una corriente eléctrica continuamente aplicada, tanto iones positivos, como negativos, se dirigen a los electrodos que tengan carga opuesta.
Intercambio iónico: En la zona existente entre las diferentes membranas se encuentra la resina que posee distintos tipos de carga. Los iones de sales presentes en el agua se adhieren a la resina de intercambio iónico, moviéndose de forma opuesta a su carga. Finalmente, son sustituidos en las posiciones de intercambio de la resina por aniones de hidroxilo (OH-) y cationes de hidrógeno (H+).
Regeneración: La regeneración es llevada a cabo por los iones H+ y OH-. Esto se produce gracias a la disociación de las moléculas de agua que se produce en el ánodo y en el cátodo con la aplicación de la corriente eléctrica.
La tecnología EDI permite obtener un agua ultrapura de calidad. A este respecto, la calidad quedará determinada por distintas características como son una baja conductividad, bajos niveles de impurezas y de iones. Como resultado, se maximiza la eficiencia del proceso en la producción de hidrógeno a través del uso de un agua de calidad.
Los sistemas de BlueGold, realizan una electrodesionización (EDI) eficiente. Los ingenieros del equipo técnico, diseñan sistemas EDI a tenor de un análisis de agua de alimentación, selección de membranas y electrodos, diseño de lavado de mantenimiento eficiente, sistema de recuperación del flujo de rechazo, y un sistema de monitoreo del agua. Por lo tanto, la eficiencia y la calidad del flujo del agua, está garantizada y se da cumplimiento a los estándares de calidad exigibles.
Los ingenieros de BlueGold diseñan sistemas EDI que garantizan eficiencia y calidad del agua
Propuesta de BlueGold
Imagen 2. Sistema BG Ultrapure
En BlueGold, cada proyecto se desarrolla de forma personalizada. Por ello, su equipo técnico desarrolla un estudio y un diseño adaptado a las necesidades del cliente. Además, ofrece un servicio integral que abarca desde el diseño, la instalación y el suministro, hasta su posterior mantenimiento.
El sistema BG Ultrapure es un sistema para la producción de agua ultrapura. Se trata de un diseño, creado por BlueGold, que tiene su fundamento en la electrodesionización. Es una solución compacta y de fácil implantación que se adapta a las necesidades de los clientes en función de la calidad del agua de entrada, aportando la mejor solución y calidad. Además, este sistema posee una tecnología capaz de recuperar el agua en un 99% y con niveles de dureza <1 ppm que, incluso, puede llegar en determinadas circunstancias a los 2-4 ppm.
BG Ultrapure, un sistema para producción de agua ultrapura
El sistema de BG Ultrapure permite trabajar con una calidad de agua de entrada de las siguientes características:
Tabla 2. Características del agua de entrada en el sistema de BG Ultrapure
Conclusión
En la actualidad, producir agua con calidad para producir H2 verde, es un reto. Como hemos visto, el agua debe alcanzar determinadas condiciones y esto puede generar un aparente desafío. Para solventar esta dificultad, es preciso la instalación de Plantas de Tratamiento de Agua que permitan acondicionar el agua a las condiciones adecuadas para la electrólisis.
BlueGold pone su experiencia al servicio de la innovación de soluciones de calidad. Ante el reto planteado, gracias a la dilatada trayectoria de BlueGold en sector del tratamiento de aguas residuales, se ofrecen soluciones innovadoras. Nuestro equipo técnico, formado por ingenieros altamente especializados, es capaz de diseñar, suministrar y ejecutar proyectos que permitan obtener una elevada calidad de agua ultrapura para hidrógeno verde.
El equipo técnico de BlueGold, es capaz de desarrollar proyectos integrales para producir agua de alta calidad para producir H2.
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