Agua residual, el pionero hacia un suministro de energía sostenible y respetuoso con el clima

Figura 3: Planta de tratamiento de agua de reinyección EnviroFALK

Figura 4: Limpieza de circuito EnviroFALK

Figura 1: Power-to-X (PtX)

Figura 2: Membrana de polímero electrolito en electrólisis

Christopher Lenz, Gerente de Desarrollo de Negocios, EnviroFALK

Energías renovables: desafíos y oportunidades

El avance del calentamiento global requiere un cambio de los combustibles fósiles finitos a energías limpias y renovables provenientes de plantas hidroeléctricas, solares, eólicas y de biogás.

La energía eólica y solar son las principales portadoras de energía en la generación de electricidad renovable. Sin embargo, un gran problema para el futuro del sector energético debido a las energías renovables fluctuantes es el almacenamiento. La red eléctrica no es capaz de almacenar energía en momentos de escasez, lo que conduce a que las instalaciones tengan que ser reguladas y, por lo tanto, funcionen de manera ineficiente. Para el almacenamiento a corto plazo de la llamada energía de exceso, actualmente se utilizan centrales hidroeléctricas de bombeo y baterías, pero estas no son suficientes para garantizar el suministro energético a largo plazo.

Power-to-X (PtX): La tecnología clave para una mejor huella de CO2

“Power-to-X” es un término general para tecnologías que permiten procesar y almacenar electricidad excedente de energías renovables, para así reemplazar los portadores de energía fósiles (Figura 1).

– Portador de energía gas - Power-to-Gas (PtG)
– Combustibles líquidos - Power-to-Liquid (PtL)
– Materias primas químicas - Power-to-Chemicals (PtC)

Power to Gas (PtG)

En el proceso PtG, se utiliza el exceso de electricidad de fuentes renovables para producir lo que se denomina “hidrógeno verde”, que como portador de energía del futuro solo deja agua como residuo de combustión.

Se emplean diferentes tipos de sistemas de electrólisis, llamados “electrolizadores”, que dividen el agua en sus componentes químicos, hidrógeno (H2) y oxígeno (O2), mediante corriente eléctrica. En particular, la “membrana de intercambio protónico (PEM)” (Figura 2) juega un papel importante debido a su resistencia a los cambios de carga de las energías renovables fluctuantes, así como por su alta eficiencia y tiempos de reacción rápidos.

Después de la electrólisis, el H2 se comprime para poder almacenarlo y transportarlo. Como portador de energía, el hidrógeno verde se utiliza, entre otras cosas, como combustible ecológico en vehículos con pilas de combustible y en la industria, así como en forma procesada como materia prima en la industria química y farmacéutica.

Para su transporte y uso posterior, el hidrógeno puede, bajo ciertas condiciones, inyectarse en las redes de gas natural existentes. Sin embargo, esto solo es posible en cantidades limitadas debido a su menor densidad energética. Para inyectar mayores cantidades, primero se produce metano (CH4) mediante metanización a partir del H2, que luego se introduce en la red de gas natural, donde puede usarse para calefacción y/o generación de electricidad.

Además, los vehículos y camiones a gas que funcionan con hidrógeno verde también pueden repostar y operar de manera casi neutra en emisiones de carbono.

Power to Liquid (PtL)

El hidrógeno verde también se utiliza en la producción de combustibles líquidos sintéticos. La tecnología PtL emplea electricidad excedente para producir un gas de síntesis a partir de hidrógeno y monóxido de carbono, del cual se fabrican combustibles sintéticos líquidos (E-Fuels). Esta tecnología permite reemplazar gradualmente la gasolina y el diésel derivados del petróleo. También puede producir combustibles sintéticos para la aviación y el transporte marítimo. Una gran ventaja de esta tecnología es la utilización de infraestructuras existentes, como estaciones de servicio y sistemas de transporte.

Como la producción sintética de E-Fuels a partir de energía de exceso de electricidad captura la misma cantidad de CO2 que libera durante la combustión, estos combustibles se consideran neutros en carbono.

Power-to-Chemicals (PtC)

En la tecnología PtC, basada en el proceso PtG, se producen materias primas químicas a partir de electricidad de exceso y la síntesis de hidrógeno con CO2 y nitrógeno, que deben reemplazar a los combustibles fósiles como el petróleo y el gas natural. Ejemplos de esto son plásticos, detergentes y aditivos que son importantes en muchas industrias.

Agua pura: la materia prima indispensable para las tecnologías PtX

El agua pura juega un papel central en todas las tecnologías PtX, especialmente en la producción de hidrógeno verde mediante electrólisis. Esta agua de alta pureza está casi libre de contaminantes, como compuestos orgánicos, bacterias, partículas y gases disueltos, y presenta una conductividad muy baja, típicamente de 0,055 µS/cm, lo que la hace ideal para su uso en procesos sensibles como la electrólisis PEM. El agua pura se obtiene de diferentes fuentes, que pueden variar mucho en su calidad según su origen. Esta diversidad requiere un tratamiento de agua pura adaptado individualmente para eliminar todos los minerales y gases no deseados que podrían interferir en los procesos de electrólisis.

La importancia del agua pura para los procesos PtX no puede ser subestimada: sin la calidad adecuada del agua, pueden formarse depósitos de sal en las membranas y electrodos de los electrolizadores, afectando significativamente su eficiencia y durabilidad. Por ello, el tratamiento del agua pura orientado al proceso (Figura 3) no solo es un criterio esencial, sino un factor crítico para la producción sostenible de combustibles sintéticos.

De agua cruda a agua pura

Al planificar una planta de tratamiento de agua, la integración sin fisuras en el sistema PtX es fundamental. Esto incluye, por ejemplo, la planificación orientada a la ubicación dentro del sistema global, la conexión técnica mediante interfaces de comunicación específicas, componentes de plantas uniformes y una documentación coherente. También es importante considerar los costos nivelados de electricidad (LCOE) en la planificación de una planta de tratamiento de agua, incluyendo no solo los costos de inversión, sino también los costos operativos continuos. Estos incluyen consumo de energía y medios, volumen de aguas residuales, insumos y costos de servicio.

El tratamiento del agua cruda para la producción de hidrógeno mediante electrólisis se realiza en varias etapas en un orden específico, adaptado a la calidad del agua local en un proyecto de ingeniería detallada. Se emplean diferentes etapas, como:

– Pre-filtración con filtros de retrolavado, filtros de grava o ultrafiltración
– Eliminación de dureza mediante intercambiadores iónicos o adición de antiscalantes para estabilizar la dureza
– Eliminación y retención de CO2 mediante desgasificación con membranas o solución de carbonato sódico
– Desalación superior al 98 % mediante ósmosis inversa (OI)
– Desalación total mediante una segunda etapa de ósmosis inversa o electrodeionización (EDI)
– Sistemas de reciclaje de agua de proceso para desalación continua a < 0,1 µS/cm y filtración de partículas a menos de 1 µm
– Sistemas de desgasificación para eliminación residual de H2 y O2
– Sistema de pretratamiento de agua de proceso con tanque de almacenamiento y sistemas de elevación de presión
– Enfriamiento del agua de proceso (opcional)

Calidades de agua pura que varían según el proceso:

El principal rasgo de los sistemas de tratamiento de agua pura EnviroFALK, especialmente diseñados para aplicaciones de alta presión y altas temperaturas, como la electrólisis PEM, es la limpieza en circuito (Figura 4), que permite reciclar agua de proceso “contaminada”. Una tecnología que contribuye activamente a la protección del medio ambiente y optimiza la eficiencia de costos en procesos industriales. Los sistemas de circuito están diseñados específicamente para tratar agua de proceso a altas presiones de operación, hasta 50 bar, y temperaturas superiores a 65 °C. Gracias a la utilización de tecnologías modernas, diseñadas para operación continua, se garantiza un tratamiento confiable y económico del agua.

Soluciones de agua pura de alto rendimiento para máxima seguridad y flexibilidad en el proceso

En EnviroFALK, todo gira en torno a conceptos de solución para el tratamiento de agua en hospitales, laboratorios y sectores industriales seleccionados. Además, los expertos desarrollan sistemas de agua pura que suministran electrolizadores con agua de alta pureza. Esto permite a la empresa una producción confiable y eficiente de hidrógeno.

La calidad y disponibilidad del agua pura son cruciales para el proceso PtX. Una alta disponibilidad del servicio y tiempos cortos de reparación (Tiempo Medio para Recuperar - MTTR), así como una alta disponibilidad del sistema (Acuerdo de Nivel de Servicio - SLA), son imprescindibles para los sistemas de tratamiento de agua. Para minimizar fallos operativos, se requieren medidas como redundancia de componentes críticos, inventario optimizado de repuestos, uso de componentes probados y monitoreo preciso de los parámetros del proceso. Estas estrategias permiten una disponibilidad del sistema superior al 99 %. Para ello, EnviroFALK ofrece una amplia gama de componentes de alta calidad para maximizar la seguridad del proceso.

Los sistemas de proceso de agua pura de EnviroFALK se caracterizan por su construcción modular, que permite una integración flexible en conceptos de plantas existentes. Esta modularidad ofrece la ventaja de que las diferentes etapas del proceso pueden organizarse de forma individual según las necesidades espaciales y técnicas del proceso. Ya sea en paralelo, apiladas o en salas separadas, los sistemas se pueden adaptar de manera óptima a las condiciones específicas.

Sistemas avanzados de agua pura para energía limpia

En los últimos años, EnviroFALK ha desarrollado y suministrado numerosos sistemas de tratamiento de agua pura orientados a aplicaciones en proyectos PtX, en estrecha colaboración con fabricantes reconocidos de sistemas de electrólisis.

Desde sus inicios en 2012, se han implementado más de 100 sistemas de tratamiento de agua pura en diferentes conceptos y niveles de potencia para diversos proyectos PtX. Estos contribuyen en gran medida a la consolidación del hidrógeno como portador de energía sostenible y, por ende, a una generación de energía respetuosa con el medio ambiente y moderna.

En 2015, se construyó una de las plantas de hidrógeno con mayor capacidad y flexibilidad del mundo en el parque industrial de Mainz-Hechtsheim, con una potencia eléctrica de 6 MW. Allí, mediante electrolizadores PEM de Siemens, se produce hasta 1.000 Nm³ de hidrógeno verde por hora a partir de energía eólica excedente. El hidrógeno producido se almacena localmente y posteriormente se distribuye para diversas aplicaciones, como transporte, industria y red de gas natural. La materia prima “agua” se suministra mediante una planta de agua pura de 1.000 l/h y se limpia de partículas finas y sales disueltas con una planta de tratamiento de agua de proceso de 4.200 l/h.

En 2023, Air Liquide, en colaboración con Siemens Energy, estableció en Oberhausen el proyecto “Trailblazer”, un electrolizador PEM de 20 MW para la producción de hidrógeno verde. El Trailblazer suministra, a través de una tubería de hidrógeno existente, a industrias clave como acero, química, refinerías y transporte, 2.900 toneladas de hidrógeno verde al año, además de oxígeno. EnviroFALK suministró una planta de circulación con una capacidad de 30.000 l/h. La planta modular, preensamblada en la fábrica en Leverkusen, pudo ser instalada y puesta en marcha en muy poco tiempo en el sitio.

Otros ejemplos de éxito convincentes:

– Windgas Hassaurt GmbH (proyecto PtG)
Potencia eléctrica 1,25 MW de energía eólica, producción de hidrógeno aprox. 200 Nm³/h, planta de agua pura 300 l/h, sistema de circulación 600 l/h

– Salzgitter Flachstahl (proyecto PtG)
Potencia eléctrica 2,2 MW de energía eólica, producción de hidrógeno aprox. 400 Nm³/h, planta de agua pura 900 l/h, sistema de circulación 4.200 l/h

– Ludwigshafen (proyecto PtC)
Potencia eléctrica 54 MW, producción de hidrógeno 8.000 t/a, planta de agua pura 10.500 l/h, sistema de circulación 150.000 l/h

Proyectos PtX para una Europa climáticamente neutra

La planificación de proyectos innovadores PtX es un paso decisivo en el camino hacia una Europa climáticamente neutra para 2050. Estos proyectos contribuyen a reducir la dependencia de los combustibles fósiles y a diversificar el suministro energético. El primer Atlas global de PtX, elaborado por el Instituto Fraunhofer para la Economía de la Energía y la Tecnología de Sistemas Energéticos, muestra el enorme potencial, especialmente en regiones ricas en fuentes de energía renovable. Tales proyectos no solo pueden transformar Europa, sino también la infraestructura energética global, creando una situación de beneficio mutuo para el medio ambiente y la economía.

EnviroFALK se ha preparado para apoyar proyectos PtX con las tecnologías de agua pura más modernas, promoviendo aún más la neutralidad climática.

Vita de Christopher Lenz:

Christopher Lenz, nacido en 1994 en Limburg an der Lahn, mostró desde muy joven un marcado interés por la sostenibilidad y la eficiencia energética. Obtuvo su licenciatura en Ingeniería Energética en 2019, especializándose en tecnología del hidrógeno para una planta de producción a gran escala en colaboración con Trianel GmbH. Completó su maestría en Energías Renovables en 2021 con un trabajo sobre un análisis multicriterio para la economía del hidrógeno, que abordó aspectos económicos, ecológicos y técnicos. Ambos trabajos reflejan su profundo interés en la tecnología del hidrógeno. Como jefe de proyecto en Trianel GmbH, contribuyó significativamente a proyectos relacionados con el hidrógeno. Desde 2023, Christopher Lenz es responsable del área de plantas de agua pura para proyectos PtX como Business Development Manager en EnviroFALK.