Al amanecer de la economía del hidrógeno

El interés en el hidrógeno está creciendo, y la demanda aumenta rápidamente. Está claro que la próxima transformación significativa en la transición energética se basará en la economía del hidrógeno, transformando electrones verdes en moléculas verdes a través de la electrólisis del agua para crear hidrógeno verde.

Por el momento, se producen 80 millones de toneladas de hidrógeno cada año, y se espera que aumente en unos 20 millones de toneladas para el final de la década. Mirando aún más hacia el futuro, para 2050, muchos estudios sugieren que la producción habrá crecido a alrededor de 500 millones de toneladas. Hoy, la mayoría de ese combustible se consume cerca de donde se produce, con mayor frecuencia en una planta química, pero en el futuro esa demanda será más amplia con el hidrógeno azul formando un puente hacia lo que será un futuro de hidrógeno verde.

Go Green para el éxito

Para un gas que es incoloro, insípido e inodoro, es irónico que se designe como gris, azul y verde; El color es designado según el método de producción. Para que el hidrógeno alcance su potencial como fuente de energía ecológica, es vital que la cadena de suministro se vuelva más ecológica.

El método actual para producir hidrógeno es a partir de combustibles fósiles como el metano, el gas natural o el carbón. Este tipo de hidrógeno, denominado hidrógeno gris, comprende casi el 95% de la cantidad producida hoy, y es un proceso intensivo en emisiones, con más de 10 kilogramos de CO 2 emitidos para producir cada kilogramo de hidrógeno. Se puede hacer una mejora aislando el CO 2 que se produce en el proceso, entregando así hidrógeno azul.

Pero el hidrógeno verde es lo que Siemens se esfuerza por lograr. Este es hidrógeno producido por electricidad renovable que alimenta un electrolizador para crear hidrógeno y oxígeno a partir del agua. Si el agua y la energía provienen de fuentes sostenibles, entonces el hidrógeno se clasifica como hidrógeno verde puro, que es el enfoque del nuevo negocio de energía de Siemens. Ve que el mercado del hidrógeno migra del gris al azul y luego al verde, y cada uno tiene su propio papel utilizando diferentes tecnologías de transición.

Capacidad para construir

La clave para habilitar el potencial de la economía del hidrógeno es una cadena de suministro que pueda producir hidrógeno verde a escala y a un precio que pagará el mercado. Durante los últimos 10 años, ese ha sido un enfoque en Siemens, y la compañía se encuentra en las etapas formativas de entregar esa tecnología para la industrialización a gran escala del hidrógeno.

 

  • El corazón de la planta de electrólisis de membrana de intercambio de protones de Siemens es el módulo Silyzer. La tecnología innovadora es ideal para explotar la generación intermitente de energía eólica y solar. Cortesía: Siemens Energy

 

Un gran hito llegó hace cinco años con el lanzamiento de Silyzer de 1 MW de Siemens (Figura 1) en el mercado. Desde entonces, la compañía ha emprendido pilotos comerciales con clientes para diferentes aplicaciones. Hace dos años, aumentó el portafolio con una versión de 10 MW. El año pasado, junto con sus socios Verbund y Voestalpine, Siemens construyó su primera instalación en una planta siderúrgica en Linz, Austria.

Al igual que con todas las tecnologías emergentes, la base de costos inicial fue alta, con prototipos y fabricación a medida, pero a medida que la tecnología madura y la adopción aumenta, los costos continúan reduciéndose. A medida que crecen los volúmenes de producción, se puede introducir la automatización avanzada en el proceso de fabricación junto con el aprovechamiento de la digitalización, como los Digital Twins y la modularización, donde la empresa utiliza bloques de construcción modulares estandarizados que se desarrollan para servir a los casos de uso del cliente.

Al igual que la famosa ley de Moore para circuitos electrónicos integrados, la escala de la tecnología de Siemens está aumentando año tras año, con un aumento de las potencias en un factor de 10 cada cuatro años. La compañía ahora está en la fase de licitación para proyectos de 100 MW, y en el futuro está hablando con socios sobre instalaciones que romperían la barrera de 1 GW. A medida que pasa el tiempo, el hidrógeno puede llegar a ser tan grande como el viento y la energía solar, pero en términos de madurez (mercado y tecnología), está entre 15 y 20 años detrás de las tecnologías renovables más establecidas. Se esperan reducciones de costos similares a las que se han observado en el sector fotovoltaico con el tiempo.

Muéstrame el dinero

En última instancia, a pesar de las presiones ambientales a las que se enfrenta cada faceta de la industria, todo se reducirá a costos. Para que se convierta en la corriente principal, la economía del hidrógeno no puede basarse en subsidios; se deben crear mercados sostenibles y obtener el costo correcto es una de las primeras casillas que se debe marcar.

El precio actual de la producción de hidrógeno gris a escala industrial es de aproximadamente € 2 por kilogramo (kg), a veces menos, dependiendo de las condiciones locales. Cuando se trata de usar hidrógeno como combustible de transporte, los consumidores pagan alrededor de € 9 por kg en una estación de servicio, cuando pueden encontrar uno, y eso debe reducirse en al menos un tercio para que sea atractivo.

Cuando se trata de costos comparativos, no tiene sentido comparar el hidrógeno verde con las opciones de combustibles fósiles convencionales que contribuyen en gran medida a las emisiones globales de gases de efecto invernadero (GEI). El sector de la movilidad está en camino de descarbonizar y reducir sus emisiones de GEI, por lo que claramente los combustibles fósiles deben desempeñar un papel decreciente.

Hoy, la política climática nacional se centra en las emisiones de los vehículos ligeros. En la mayoría de las economías miembros del Grupo de los 20 (G-20), los estándares de eficiencia o economía de combustible se utilizan para regular las emisiones de los vehículos ligeros convencionales, y 18 de los 20 países han propuesto prohibiciones de vehículos convencionales y / o desarrollado incentivos y objetivos para acelerar venta de vehículos con bajas emisiones de carbono. Es por eso que al considerar las necesidades de combustible para el transporte de servicio liviano, el costo y el rendimiento de los vehículos alimentados con hidrógeno deben compararse con los vehículos eléctricos basados en baterías (VE).

Hay muchos más modelos VE disponibles en la actualidad, y para algunos consumidores, es una gran ventaja poder recargar sus autos en casa. Sin embargo, los automóviles que funcionan con hidrógeno verde son superiores cuando se observan los tiempos de recarga y el rango de conducción. Por ejemplo, se necesitan menos de 1 kg de hidrógeno para conducir 100 kilómetros con un automóvil de tamaño mediano, y el abastecimiento de combustible toma solo de tres a cinco minutos. Esta velocidad es especialmente atractiva para vehículos de emergencia o taxis que no pueden permitirse perder demasiado tiempo cargando.

Aún más importante es el sector del transporte de servicio mediano y pesado, donde el hidrógeno verde es el combustible de cero emisiones más prometedor. El bajo peso, el largo alcance de conducción y la recarga rápida de hidrógeno son especialmente relevantes para vehículos y trenes pesados.

Sin embargo, en lugar del costo por litro, un cálculo más relevante es el costo total de propiedad (TCO). En su informe «Camino a la competitividad del hidrógeno: una perspectiva de costos», el Consejo del Hidrógeno espera que el costo total de propiedad por vehículo disminuya en aproximadamente un 45% en comparación con los costos actuales en una escala de fabricación de aproximadamente 600,000 vehículos por año.

Para que el hidrógeno verde alcance estos puntos de precio, hay tres desafíos principales que deben superarse: el costo de la electricidad, el factor de carga de la planta de electrolizadores y los costos de capital y operativos. Estos dependen de una variedad de factores, algunos fuera del control del productor, como el costo de la electricidad, pero con las energías renovables convirtiéndose en una parte más importante de la combinación energética, ese factor debería cuidarse solo.

Cuando se trata del costo de capital, como en la mayoría de los escenarios de fabricación de procesos, depende de la escala y la comercialización de la planta de electrolizadores para reducir el costo de compra. En cuanto al costo operativo, los Digital Twins de la planta de electrolizadores se pueden usar para optimizar el diseño y mejorar la productividad, mientras se maximiza el ciclo de vida de la planta. En áreas que tienen condiciones ventajosas, los costos para producir hidrógeno verde ya podrían ser de aproximadamente € 3 por kg.

Dependiendo de la aplicación, el hidrógeno verde se puede purificar y comprimir a los niveles necesarios para uso directo, almacenamiento o distribución. Si se requiere almacenamiento y transporte, hay varias opciones. Se puede almacenar en tanques como gas comprimido o líquido, almacenado en cavernas o en la red de gas natural para diferentes aplicaciones y si la red cumple con todos los requisitos tecnológicos.

Cuando se trata de transporte, los dos métodos principales para transportar hidrógeno son los petroleros para el transporte por carretera y a través de gasoductos para distancias cortas y medias, dependiendo del caso de uso específico del cliente. Cuando se observan aplicaciones a gran escala en los cientos de MW o incluso a escala GW, tiene más sentido ubicar la producción cerca de las instalaciones de generación renovable, como parques eólicos en tierra y en alta mar en lugares con recursos eólicos muy favorables. Esto se debe a que el costo de la electricidad es el principal factor de entrada para el hidrógeno verde, que comprende más del 70% del costo de producción. Debido a que el hidrógeno es costoso de transportar, estas ubicaciones generalmente requieren un proceso de síntesis adicional para obtener metanol verde o amoníaco, que puede transportarse fácilmente; estos son bienes comercializados a nivel mundial. Esto puede ser percibido como un negocio verde de exportación de hidrógeno.

Lograr la penetración en el mercado

El sector eléctrico a menudo se ve como un objetivo principal para usar hidrógeno verde para alimentar turbinas, pero como la participación en las emisiones globales de CO 2 del sector eléctrico es inferior al 40%, es vital que también penetre en otros sectores. Hoy en día, probablemente no exista un argumento comercial económicamente viable para producir hidrógeno específicamente para que se vuelva a electrificar directamente después en una turbina de gas con capacidad de hidrógeno, y en términos de eficiencia, hoy tampoco tendría sentido, porque hay más aplicaciones con mayor CO 2 potencial de reducción a menor costo total. Pero para aplicaciones piloto o en un mundo enormemente descarbonizado, para descarbonizar aún más el sector de la energía, más allá de lo que se puede lograr mediante la instalación de más energías renovables, el hidrógeno verde puede realizar el almacenamiento de energía a energía a largo plazo y estacional a gran escala.

La re-electrificación se logrará en turbinas de gas, motores o celdas de combustible con capacidad de hidrógeno para proporcionar seguridad del suministro de electricidad en períodos de bajo suministro de energía renovable, como la falta de viento. Este caso de uso será atractivo a mediano y largo plazo. No se trata de una u otra situación, el hidrógeno (en automóviles y camiones) puede ayudar a descarbonizar el sector de la movilidad, descarbonizar el sector de la industria (por ejemplo, en la producción de acero) y el sector de la energía más adelante.

Más de la mitad de las emisiones globales provienen de la industria, el transporte o el entorno construido, por lo que se deben ofrecer soluciones para descarbonizar esos sectores. Las fuentes tradicionales de energía renovable como la eólica, la solar y la hidroeléctrica desempeñarán su papel, pero también hay un papel importante para el hidrógeno producido a partir de energía renovable y agua, ya sea que se use directamente o combinado con productos químicos para crear metanol verde y amoníaco verde. Estos productos químicos pueden almacenarse, transportarse y utilizarse en todo tipo de sectores como combustible sintético o fertilizante.

Hay una gran atención en el sector del transporte y hay indicios de que podría estar entre los primeros en adoptar, especialmente cuando se trata de autobuses, camiones y trenes. Las celdas de combustible de hidrógeno ya se están utilizando para trenes regionales, que reemplazarán a los motores diesel. En China, Corea del Sur y Japón, hay un crecimiento prometedor en automóviles con celdas de combustible de hidrógeno y trenes de propulsión eléctrica en automóviles. En esta región, ha sido ayudado por fondos de investigación que se han centrado cada vez más en pilas de combustible en lugar de baterías. Además, los fabricantes alemanes de equipos originales (OEM), que se centran intensamente en las baterías, están desarrollando automóviles y camiones con celdas de combustible.

Hubo un momento en la última década en el que varios fabricantes de equipos originales de automóviles estaban estudiando tanto las celdas de combustible como los vehículos eléctricos, algunos de ellos priorizando las celdas de combustible. El costo de desarrollar dos conceptos revolucionarios en paralelo puede haber llevado a algunos a centrarse principalmente en los vehículos eléctricos, pero ahora los OEM están volviendo a la idea de las pilas de combustible. Parece que están comenzando a comprender los desafíos y las limitaciones de las baterías en los vehículos.

También se está viendo un nuevo desarrollo en China, donde en los últimos años los vehículos eléctricos fueron apoyados de forma masiva, generando un alto crecimiento en la industria. El programa «Diez ciudades, mil vehículos» que impulsó los vehículos eléctricos en China se está replicando ahora para el transporte de hidrógeno en ciudades como Pekín, Shanghái y Chengdu.

En el futuro, el hidrógeno verde tendrá un precio superior en comparación con sus contrapartes de hidrógeno menos amigables con el medio ambiente: azul y gris. Las primeras etapas de cualquier curva tecnológica deben tener cierto apoyo, como se vio en los primeros días de la energía eólica y solar. Pero a mediano y largo plazo, el hidrógeno debe y se sostendrá sobre sus propias piernas y será viable sin apoyo externo. Cuando exactamente eso sucederá, depende de varios factores, incluyendo la tasa de adopción, las economías de escala y los marcos regulatorios.

Armin Schnettler, PhD es vicepresidente ejecutivo y CEO de New Energy Business en Siemens Energy.

Fuente:  https://bit.ly/2Xdr9UB

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