Una planta de Shandong transforma agua de mar y calor residual en agua de bajo costo e hidrógeno verde

Un nuevo modelo para el agua y el hidrógeno

China ha puesto en marcha en Rizhao, una ciudad costera de la provincia de Shandong, una instalación compacta pero ambiciosa que transforma agua de mar y calor residual industrial en dos recursos estratégicos: agua dulce de bajo costo e hidrógeno verde. Los operadores del proyecto afirman que la planta produce agua dulce por unos dos yuanes por metro cúbico, alrededor de 28 centavos de dólar, un precio inferior a las tarifas habituales del agua corriente municipal en muchas ciudades. También produce hidrógeno de alta pureza como coproducto y concentra salmuera rica en minerales para su uso en la industria química marina. La instalación ha funcionado de manera continua durante más de tres semanas, un hito clave para demostrar la fiabilidad de un nuevo tipo de sistema integrado de agua y energía.

El concepto es sencillo de describir y difícil de llevar a la práctica. Una materia prima, el agua de mar, alimenta tres flujos de productos. Por cada 800 toneladas de agua de mar procesadas al año, la planta produce unos 450 metros cúbicos de agua ultrapura apta para la refrigeración industrial o el consumo doméstico, alrededor de 192.000 metros cúbicos estándar de hidrógeno verde y unas 350 toneladas de salmuera que pueden venderse a productores químicos. Según los datos publicados, el hidrógeno requiere unos 4,2 kilovatios hora de electricidad por metro cúbico estándar, una cifra acorde con el rendimiento de los electrolizadores modernos. Lo que distingue a Rizhao es la forma en que reduce el costo del agua: aprovecha el calor residual de baja temperatura de las plantas siderúrgicas y petroquímicas cercanas, calor que normalmente se disipa en el aire o el océano.

Cómo funciona el sistema de Rizhao

La planta produce agua dulce junto a industrias de alto consumo energético que generan flujos constantes de calor a baja temperatura. Ese calor impulsa una etapa de separación que convierte el agua de mar en agua muy limpia con temperaturas relativamente bajas. Entre las técnicas adecuadas para este proceso están la destilación por membrana y la humidificación-deshumidificación, que aprovechan el calor de baja temperatura. Una parte del agua dulce se destina a los usuarios y otra alimenta un electrolizador que separa el agua en hidrógeno y oxígeno. La salmuera concentrada restante puede servir como materia prima para productos como bromo, sales de magnesio y sal industrial, lo que reduce la necesidad de verter salmuera concentrada de nuevo en el océano.

Por qué importa el calor de baja temperatura

La industria pesada libera enormes cantidades de calor a temperaturas medias y bajas. Las acerías y las refinerías son ejemplos destacados. Capturar ese calor y utilizarlo para producir agua evita un consumo adicional de electricidad para la desalinización. En los parques industriales costeros, el agua de mar y el calor residual abundan, y las necesidades de refrigeración son constantes. Instalar plantas de desalinización y electrólisis junto a grandes fuentes de calor reduce tanto los costos operativos como la intensidad de carbono. También desvía el consumo de agua de los suministros municipales, lo que alivia la presión sobre los acuíferos y ríos locales.

Qué significan las cifras de energía

El consumo energético del hidrógeno suele expresarse en electricidad por kilogramo. Un metro cúbico estándar de hidrógeno contiene aproximadamente una novena parte de un kilogramo. A razón de 4,2 kilovatios hora por metro cúbico estándar, la cifra equivale a unos 47 kilovatios hora por kilogramo de hidrógeno. Está dentro del rango de los electrolizadores alcalinos modernos y de membrana de intercambio de protones. La innovación de Rizhao no es un electrolizador extraordinario, sino la forma en que la planta reduce los costos y la huella hídrica al combinar el electrolizador con una línea de agua de mar que funciona con calor residual. La electricidad debe seguir siendo baja en carbono para que el producto pueda considerarse hidrógeno verde, pero el costo térmico es mucho menor porque, de otro modo, ese calor se desperdiciaría.

¿Puede producirse hidrógeno directamente del mar?

La electrólisis directa del agua de mar, en la que los electrolizadores funcionan con agua marina sin una etapa de desalinización separada, es un campo activo de investigación. Su atractivo es mayor en alta mar, donde los parques eólicos y las plataformas pueden producir hidrógeno y transportarlo por tuberías o en barcos hasta la costa. El desafío está en la química. El agua de mar contiene altas concentraciones de cloruro, sulfato y materia orgánica. Las celdas convencionales tienden a favorecer la reacción de evolución del cloro en el ánodo, lo que corroe componentes y genera cloro no deseado. La arena, la acumulación de organismos y las incrustaciones también reducen la vida útil de los equipos. Para abordar estos problemas, los equipos de investigación prueban nuevos catalizadores resistentes al ataque del cloruro, separadores porosos que bloquean los iones que provocan reacciones secundarias y diseños que mantienen el cloro fuera de la zona de reacción. Una instalación de demostración flotante frente a la costa china ya ha mostrado que un sistema basado en membranas puede funcionar en mares agitados: aísla una capa de agua limpia para la electrólisis mientras capta el agua de alimentación del océano.

Dos caminos, un mismo objetivo

Hay dos formas principales de combinar el océano con el hidrógeno. La primera consiste en desalinizar el agua de mar y luego utilizar un electrolizador convencional. La segunda es adaptar el electrolizador para que funcione con agua de mar o con agua que se depure lo suficiente durante el proceso. Rizhao parece una versión pequeña de la primera opción, aunque con una diferencia: en vez de utilizar grandes bombas eléctricas y ósmosis inversa de alta presión para tratar el agua, aprovecha el calor de las instalaciones cercanas. Los parques eólicos alejados de la costa pueden favorecer la segunda opción, porque el espacio y el mantenimiento son limitados. Los parques industriales costeros pueden preferir la primera, ya que disponen de calor residual y obtienen tanto agua como hidrógeno que la industria puede utilizar. En los laboratorios y las plantas piloto, los catalizadores resistentes a la corrosión, las nuevas membranas y los conceptos sin membrana impulsan ambas opciones.

Costos y escala: de la planta piloto a la industria

Ofrecer agua dulce a dos yuanes por metro cúbico llama la atención. Esa cifra está por debajo de muchas tarifas urbanas de agua corriente e incluye un grado de purificación que muchos usuarios industriales tendrían que conseguir por su cuenta. Un menor costo del agua hace más atractiva la producción de hidrógeno en provincias con escasez de agua, ya que normalmente se necesita agua muy limpia para proteger los electrolizadores. La producción conjunta de agua e hidrógeno también distribuye los costos de capital entre dos productos, mientras que los ingresos por los productos químicos derivados de la salmuera pueden compensar parte de los gastos operativos.

El costo de la electricidad para producir hidrógeno depende de la fuente de energía. Con un consumo de unos 47 kilovatios hora por kilogramo, una electricidad que cueste entre tres y cinco centavos de dólar por kilovatio hora supone un gasto energético de aproximadamente 1,40 a 2,35 dólares por kilogramo. Los equipos, el mantenimiento y la financiación se suman a esa cifra, y sus costos varían mucho. Rizhao es una instalación pequeña, pero apunta a un modelo que China podría ampliar en sus zonas costeras. El país cuenta con densos corredores industriales donde abunda el calor residual. Por ello, instalaciones como los conglomerados siderúrgicos de Shandong, Hebei y Jiangsu son candidatas adecuadas para replicar el concepto con equipos de mayor tamaño.

La disponibilidad de electricidad también está mejorando. Un corredor de ultra alta tensión conecta ahora grandes campos eólicos y solares de las provincias occidentales con los centros de consumo del este. Nuevas líneas conectan la nueva capacidad de Gansu con la red que abastece a Shandong. El acceso a un suministro estable de electricidad renovable permitiría que una futura planta de Rizhao ampliara sus electrolizadores y mantuviera bajo el nivel de carbono del hidrógeno durante las horas en que el calor residual no baste para cubrir la demanda.

Por qué importa en las regiones con escasez de agua

El hidrógeno exige mucha agua cuando este recurso escasea. Producir un kilogramo de hidrógeno suele requerir unos nueve litros de agua limpia. Los analistas prevén que la nueva demanda de hidrógeno requerirá miles de millones de metros cúbicos de agua dulce durante la próxima década. Si el aumento se concentra en regiones secas, la presión sobre los suministros crecerá, a menos que se recurra al agua de mar y a las aguas residuales. Las investigaciones indican que combinar la desalinización con la electrólisis y recuperar el calor residual de las pilas de combustible y los electrolizadores puede reducir unos pocos puntos porcentuales el gasto energético total. Trasladar la fuente de agua a la costa y aprovechar el calor que de otro modo se desecharía permite reservar el agua del interior para las explotaciones agrícolas y las ciudades, a la vez que reduce marginalmente el consumo de energía.

El diseño ambiental sigue siendo importante. La salmuera puede dañar los ecosistemas marinos si se vierte sin cuidado. El modelo de Rizhao reduce este riesgo al venderla para la producción química, lo que limita los vertidos al océano. La captación de agua de mar también requiere un diseño cuidadoso para evitar daños a la vida marina. La mejor práctica consiste en captar el agua a baja velocidad a través de filtros finos y ubicar las tomas en zonas con pocos peces y larvas. No son aspectos secundarios: son esenciales para obtener permisos y el apoyo de las comunidades a medida que más parques industriales costeros buscan combinar la desalinización y la electrólisis.

China construye un ecosistema en torno a la tecnología del hidrógeno

Detrás de proyectos como el de Rizhao hay una base manufacturera en expansión y una red creciente de socios. En Tianjin, una importante fábrica de electrolizadores ahora bajo el control total de una empresa europea suministra cada año módulos alcalinos con una capacidad de cientos de megavatios. La planta ha mejorado la automatización y los sistemas de calidad, y ya ha suministrado equipos para algunos de los mayores proyectos de hidrógeno en funcionamiento. El control total permite ajustar los diseños con mayor rapidez, optimizar la logística y garantizar mejor la calidad de los pedidos internacionales.

Jarle Dragvik, director ejecutivo de HydrogenPro, presentó el cambio como una forma de adaptar la capacidad a la demanda de proyectos de gran escala.

Se trata de agilizar las operaciones y asegurar una estructura de costos eficiente, preparada para proyectos de gran escala.

Empresas extranjeras y nacionales están estrechando vínculos en China en los sectores de la desalinización, las energías renovables y el hidrógeno. Una empresa internacional de desarrollo de proyectos de agua y energía abrió en Shanghái un centro de innovación para trabajar con universidades y laboratorios en energía fotovoltaica, eólica, almacenamiento de energía, hidrógeno verde y desalinización de agua de mar. Las empresas chinas también exportan sus conocimientos. Una está construyendo en Egipto un proyecto de hidrógeno verde vinculado a la energía eólica y solar, con el objetivo de exportar amoníaco. Otra colabora en Arabia Saudita en el diseño de una enorme planta de hidrógeno y amoníaco. Estas iniciativas apuntan a una cadena de suministro capaz de ofrecer equipos, servicios y conocimientos operativos para proyectos dentro y fuera del país.

Qué podría ocurrir a continuación

La siguiente prueba para Rizhao y plantas similares será el paso del tiempo. Los ingenieros vigilarán la acumulación de residuos en las membranas que funcionan con calor, las incrustaciones en las tuberías y la estabilidad de los electrolizadores cuando arranquen y se detengan según la disponibilidad de calor residual. Un mayor número de horas de funcionamiento permitirá aclarar las necesidades reales de mantenimiento y los periodos óptimos de operación. En el plano comercial, integrar tres líneas de productos —agua, hidrógeno y productos químicos derivados de la salmuera— puede amortiguar las variaciones de ingresos y facilitar la financiación.

También se perfilarán mejor las opciones entre dos vías técnicas. La electrólisis directa del agua de mar podría encontrar su lugar en alta mar, junto a la energía eólica y undimotriz, donde se valoran la sencillez y los equipos compactos. La desalinización seguida de la electrólisis podría imponerse donde abunde el calor de baja temperatura y haya una demanda constante de agua de proceso muy limpia. El objetivo final es el mismo: suministrar hidrógeno verde a un costo competitivo sin recurrir a fuentes escasas de agua dulce. La planta piloto de Rizhao muestra una forma práctica de lograrlo y, al mismo tiempo, aprovechar el calor que actualmente desecha la industria.

Puntos clave

• Una planta costera de Rizhao, en Shandong, produce agua dulce e hidrógeno verde a partir de agua de mar y aprovecha el calor residual industrial.
• El precio declarado del agua es de unos dos yuanes por metro cúbico, y el consumo energético del hidrógeno es de unos 4,2 kilovatios hora por metro cúbico estándar.
• La producción anual por cada 800 toneladas de agua de mar incluye 450 metros cúbicos de agua ultrapura, 192.000 metros cúbicos estándar de hidrógeno y 350 toneladas de salmuera para la industria química marina.
• El uso de calor de baja temperatura para la desalinización reduce la necesidad de electricidad y alivia la presión sobre los suministros municipales de agua.
• La electrólisis directa del agua de mar avanza, pero persisten desafíos relacionados con los materiales, por lo que muchos proyectos siguen prefiriendo desalinizar el agua antes de la electrólisis.
• La red china de ultra alta tensión lleva nueva energía eólica y solar a Shandong y facilita la expansión de los electrolizadores.
• La capacidad manufacturera de Tianjin y los nuevos centros de innovación de Shanghái reflejan la expansión del ecosistema del hidrógeno y la desalinización.
• Los proyectos de exportación en Egipto y Arabia Saudita muestran el alcance internacional de los conocimientos chinos sobre hidrógeno y desalinización.
• El diseño cuidadoso de las tomas de agua y la gestión de la salmuera son esenciales para proteger la vida marina a medida que crecen los proyectos costeros.