El hidrógeno y la transición energética

Los investigadores ahora están simulando cómo la transición energética puede ser lo más exitosa y rentable posible. Como parte de la simulación, también están calculando cuánto hidrógeno se necesitará y de dónde podría provenir. En Alemania, un estudio reciente de Fraunhofer ISE mostró que el costo es tan bajo que la nación podría obsequiar la transición energética como regalo de Navidad.

La persistencia ahora tiene un precio. Si la sociedad quiere reducir las emisiones de dióxido de carbono en nombre de la protección del clima sin tener que cambiar sus formas, la economía tendrá que gastar unos 21.000 millones de euros más al año hasta 2050 que en un escenario de referencia. “El gasto adicional se debe principalmente al hecho de que tendríamos que importar más hidrógeno y portadores de energía sintética para lograr los objetivos climáticos”, dice Philip Sterchele. Ésta es una de las varias conclusiones que se pueden extraer de la última publicación del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE) sobre una serie de escenarios para un sistema energético prácticamente neutro en el clima, al que Sterchele contribuyó.

La cantidad de hidrógeno necesaria y factible desde un punto de vista tecnológico-económico no está escrita en piedra; más bien, depende de las decisiones de la sociedad. Los investigadores diseñaron una serie de escenarios para modelar los diferentes cursos de acción que podría tomar la sociedad.

Lo que todos los escenarios tienen en común es que en cada uno de ellos, las emisiones de CO 2 relacionadas con la energía son un 95% más bajas que los niveles de 1990. En el escenario de “Referencia”, los autores modelan una tendencia sin una aceptación social pronunciada de los cambios ni ningún cambio radical en el comportamiento del consumidor. En este escenario, las personas pueden estar dispuestas a cambiarse a automóviles eléctricos, pero no están preparadas para realizar cambios drásticos en su comportamiento de movilidad y consumo. Estos cambios más dramáticos ocurren en el escenario de “Suficiencia”, lo que hace que la transición energética sea más fácil y más rentable.

Mientras que el escenario de Suficiencia supone una gran disposición de las personas al cambio, el escenario de “Persistencia” apunta en la dirección opuesta, aferrándose a los motores de combustión interna en los automóviles y a las calderas de gas en los hogares. Mantener estos abastecidos con energía renovable requiere una cantidad particularmente grande de hidrógeno, lo que eleva el costo de las importaciones.

Para cada uno de los seis escenarios considerados en el estudio, los investigadores simulan la conversión de energía, las importaciones de energía y el consumo de energía cada hora desde ahora hasta 2050. “Tomamos en cuenta los costos de inversión, los costos de operación y mantenimiento para todas las plantas involucradas y el costo de las fuentes de energía ”, dice Sterchele. Basándose en estos supuestos, calculan los escenarios de expansión más rentables para el suministro de energía (para plantas fotovoltaicas y eólicas, por ejemplo) y, por supuesto, la demanda de hidrógeno.

En el escenario de referencia, la instalación de alrededor de 130 GW de sistemas fotovoltaicos en Alemania para 2030 es la más rentable. Es posible con un aumento anual de 8-9 GW alcanzar 400 GW de energía solar para 2050.

Demanda de hidrógeno

El hidrógeno es necesario en todos los sectores del sistema energético. Se prevé que las centrales eléctricas de gas con una capacidad combinada de 140 GW sean capaces de cumplir con el pronóstico de carga máxima para 2050 en momentos en que no hay sol ni viento y cuando los sistemas de almacenamiento de energía están vacíos. Esto también incluye la generación combinada de calor y energía, que simultáneamente proporciona calefacción a los edificios. En el sistema de energía optimizado, estas plantas de energía funcionan principalmente con metano, que se produce en parte a partir de hidrógeno y, en menor medida, directamente con hidrógeno.

El hidrógeno también se usa en los escenarios para producir calor de procesos industriales, particularmente por encima de los 500 ° C, y para alimentar algunos automóviles, camiones, trenes, barcos y aviones. En algunos casos, el hidrógeno se procesa en combustibles líquidos. En el caso del calor procesado, las calderas de hidrógeno y los hornos eléctricos comparten el trabajo.

Aproximadamente 10 millones de los autos en los escenarios serían propulsados ​​por hidrógeno y 40 millones por electricidad de baterías, pero esto no es el resultado de la optimización. Se basa en la suposición de que siempre habrá usuarios que se opongan a los coches que funcionan con baterías por cualquier motivo, por ejemplo, porque el tiempo de carga o la autonomía son demasiado cortos.

En los sistemas de calefacción, el hidrógeno solo se utilizaría en menor medida en pilas de combustible y calderas de combustible. Más del 80% del calor lo proporcionarían las redes de calefacción urbana o las bombas de calor. Esto es significativamente diferente en el escenario de Persistencia, en el que más de la mitad del calor provendría de calderas de gas y celdas de combustible, lo que aumentaría la demanda de hidrógeno.

Otro hallazgo se deriva de los cálculos de optimización de Fraunhofer ISE. Aunque puede parecer obvio que las pilas de combustible se utilizarán en una economía de hidrógeno para generar electricidad y calor, es probable que representen aproximadamente solo el 5% del mercado de sistemas de calefacción. Esto se debe principalmente al coste, que el estudio estima en 8.225 € / kW hoy y 1.289 € / kW en 2050.

Más hidrógeno

Según los investigadores, se necesitarán aproximadamente 325 TWh de hidrógeno, o aproximadamente 8,3 millones de toneladas métricas, para 2050. Sterchele y sus colegas simularon otro escenario, «Referencia 100», en el que las emisiones de CO 2 no se reducirían simplemente al 5%. pero se redujo a cero a mediados de siglo. En ese caso, se necesitarían no menos de 380 TWh de hidrógeno. El hidrógeno estaría disponible para todos los portadores de energía sintéticos, cuya síntesis a menudo se basa en hidrógeno.

Por tanto, la demanda de hidrógeno será aproximadamente cuatro veces su nivel actual. A esto se suman los requisitos para aplicaciones no energéticas, como la síntesis de amoníaco y la producción de metanol. El estudio de ISE no incluye estas aplicaciones, que aún deben sumarse a la cifra de 2050. Según la optimización de los investigadores, del 60% al 70% del hidrógeno en 2050 provendría de la producción nacional, mientras que del 30% al 40% se importaría. “Esta relación se deriva, entre otras cosas, de los supuestos de costos que hicimos”, dice Sterchele.

Los investigadores esperan que el costo del hidrógeno importado sea de 0,12 € / kWh para 2050. Sin embargo, el costo de producción en Alemania depende de manera crucial del costo de la electricidad. Si se utilizan picos de generación que de otro modo estarían regulados a la baja, por ejemplo, la producción de hidrógeno sería relativamente barata. Si se tienen que construir plantas de generación adicionales para producir más hidrógeno verde, los costos serían más altos. Para una combinación de electrolizadores PEM y electrolizadores alcalinos, los autores del estudio asumen costos de 738 € / kW de potencia de entrada. Estos costos disminuirán y la eficiencia aumentará, lo que hará que los electrolizadores sean un 38% más baratos para 2050.

Hay otras razones para producir hidrógeno a nivel nacional en Alemania. “Una ventaja de la producción nacional es que proporciona flexibilidad adicional al sistema”, dice Sterchele. El escenario prevé que se acumularán alrededor de 5 GW de capacidad de electrólisis para producir hidrógeno para 2030, que es aproximadamente lo mismo que las proyecciones de la Estrategia Nacional de Hidrógeno. La expansión solo comenzará realmente después de eso. Para 2050, esta cifra superará los 70 GW. Sin embargo, en el escenario de Persistencia, la expansión alcanzará casi los 15 GW para 2030 para lograr los objetivos climáticos y superará los 120 GW para 2050.

En la actualidad, a menudo se afirma que es fundamentalmente imposible producir todo el hidrógeno que Alemania necesita a nivel nacional. El estudio de Fraunhofer ISE no llega a esta conclusión. Para generar la proporción de hidrógeno a partir de las importaciones, sería suficiente la energía de 300 GW adicionales de sistemas fotovoltaicos. Combinado con los 400 GW requeridos en el escenario de Referencia, la expansión total estaría, por lo tanto, muy por debajo del potencial técnicamente posible, que los estudios estiman entre 1,000 GW y 3,000 GW. Si este hidrógeno se puede producir en el país depende de cuánta energía solar y eólica se considere aceptable.

Costo de la transición

En el escenario de referencia, el suministro de energía costaría 1.580 millones de euros más hasta 2050 según los supuestos del estudio que si no se reestructurara el sistema energético. Si este gasto adicional se distribuye por igual todos los años hasta 2050, asciende a 52 000 millones de euros al año. En el escenario de Persistencia, la cifra es de 73.000 millones de euros.

Los autores del estudio comparan estos gastos necesarios con los 102.000 millones de euros que se gastan anualmente en compras navideñas. Alemania podría obsequiar la transición energética como regalo de Navidad y aún quedaría dinero para la mitad de los regalos que normalmente se compran. Sería un error ver el gasto solo como una carga para la economía. Como los negocios en Navidad, estos costos estimulan el crecimiento económico y la creación de valor.

Se podría argumentar, en términos relativos, que la Persistencia no cuesta mucho más que una transición más comprometida, porque los costos adicionales están justificados por el hecho de que es más aceptable socialmente. Sin embargo, estos costos adicionales no contribuyen al crecimiento económico. En cambio, son esencialmente costos adicionales incurridos por las importaciones de energía. Además, se podría lograr una reducción del 100% en las emisiones de CO 2 por el mismo dinero. En cualquier caso, eso es necesario si Alemania quiere desempeñar su papel en la consecución de los objetivos climáticos de París. Por cierto, una vez que se complete la reestructuración del sistema energético, el gasto volverá a caer de manera significativa.

Fuente/PV-Magazine
Chile Desarrollo Sustentable
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