Plantas de agua para instalaciones de hidrógeno verde

Algunos de los proyectos a destacar son: la planta de tratamiento de aguas mediante un Reactor Biológico de Membranas (MBR) en El Campello, Alicante; la planta electrodesionización para la producción de agua desmineralizada en Cádiz, España; y la planta de agua ultrapura 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. Ante las múltiples posibles circunstancias, se formulan soluciones innovadoras y vanguardistas adaptadas a 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 necesidad de encontrar energías alternativas, producida por la descarbonización y la sustitución de combustibles fósiles, ha dado lugar a un aumento de la demanda del 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.

Eficiencia en la obtención de agua ultrapura

La transición hacia energías verdes, representa una gran inversión pública y privada. 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).

Producir hidrógeno verde requiere energía renovable y agua ultrapura. Para poder obtener agua ultrapura, es necesario disponer de una planta de tratamiento de aguas (PTA), que produzca agua con unas características adecuadas. 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 todo ello, es necesario innovar en el diseño de plantas de tratamiento de aguas que optimicen el consumo y produzcan un agua de calidad.

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. En la actualidad, para obtener agua de tipo I, se instalan PTA compuestas básicamente por las siguientes etapas:

• Etapa 1: Pretratamiento del agua empleada mediante la filtración y adecuación.
• Etapa 2: Tratamiento fisico-químico mediante Osmosis Inversa (RO) para eliminar los sólidos disueltos en el agua mediante membranas semipermeables.
• Etapa 3: Electrodesionización (EDI) del agua para eliminar los iones que esta pueda contener mediante resinas de intercambio iónico y la aplicación de electricidad.

De la combinación de RO y EDI, se obtiene 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 apta para la producción de hidrógeno. Por lo tanto, innovar en sistemas de ósmosis inversa y de electrodesionización es prioritario y esencial para las instalaciones de producción de hidrógeno verde.

Hidrógeno verde: producción y características del agua ultrapura

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. A pesar de ser una alternativa viable, el hidrógeno aún tiene retos por superar para que su producción sea más económica y limpia.

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:

• 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.     
• Hidrógeno 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.
• Hidrógeno 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. Para ello, se aplica corriente continua para descomponer 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. De esta forma, a través de la innovación, podremos cuidar de los recursos hídricos.

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 las plantas de tratamiento de agua 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.

El pretratamiento puede incluir procesos químicos para adecuar 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.

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. Asimismo, también se recoge la elección del equipo de bombeo para superar la presión osmótica del agua.

La ósmosis inversa es un proceso de purificación. Se emplean membranas semipermeables para 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).

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 elimina mas del 99% de las sales contenidas en el agua a tratar, permitiendo una baja conductividad.

Los diseños de BlueGold, buscan la mayor eficiencia. 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.

Electrodeionización (EDI): agua de calidad para la producción de 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.

Eliminar los iones disueltos es necesario para la electrólisis. 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.

La electrodesionización se produce en una cámara con resina de intercambio iónico. 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.

Los iones presentes en el agua a tratar, son retenidos en la resina. 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.

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. Esta calidad estará definida por características como una baja conductividad, bajos niveles de iones y bajos niveles de impurezas. 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. De esta forma, se garantiza eficiencia y calidad en el flujo de agua, dando cumplimiento a los estándares de calidad.

Propuesta de BlueGold

Para BlueGold, cada proyecto requiere una atención individualizada. 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. Este sistema, diseñado por BlueGold, está basado 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.

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.

Conclusiones

Actualmente, surge la problemática de disponer de agua de calidad para producir H2 verde. 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.

La experiencia de BlueGold, para el diseño de soluciones eficientes y 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 agua de alta calidad para la producción de hidrógeno.