Los dos principales obstáculos a la revolución del hidrógeno

El hidrógeno jugará un papel indispensable en un sistema de energía libre de carbono del futuro, según casi todos los involucrados. Pero los escenarios que muestran su participación energética final en 2050 varían ampliamente. La Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA) dice que el 12%, el Consejo del Hidrógeno con sede en Bruselas dice que el 18%, mientras que el objetivo declarado de la UE es el 24%.

Cualquiera que sea el resultado final, los observadores de la industria ahora están de acuerdo en gran medida en que hay dos áreas en las que los costos deben reducirse para que avance el hidrógeno libre de carbono. El costo de la energía renovable, que ya ha sido objeto de marcados recortes en la última década, debería seguir disminuyendo. Y el costo de la electrólisis del agua para producir hidrógeno, que incluye los dispositivos básicos del hidrógeno verde, el electrolizador, debe seguir un camino similar hacia abajo.

Muchos opinan que ambos están a punto de suceder. De hecho, los dos están estrechamente relacionados, con los costos operativos y el costo de capital que representan el costo total de operación del electrolizador. Se espera que los precios de las energías renovables sigan cayendo, a medida que se acelera el despliegue de las energías renovables en las redes. Pero los costos de capital también deben reducirse, ya que los equipos de electrólisis se fabrican más rápidamente y cuestan menos.

Si bien el precio de la energía solar fotovoltaica ha caído casi un 90% en los últimos 10 años, debe caer aún más y los gobiernos parecen decididos a ayudar. Por ejemplo, en marzo, el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) anunció su objetivo de reducir a más de la mitad el costo de la energía solar a nivel de servicios públicos en 10 años, del costo actual de 4,6 centavos por kilovatio-hora (kWh) a 3 centavos. / kWh. Horas para 2025 y 2 centavos / kWh para 2030. El Departamento de Energía anunció un conjunto de proyectos de I + D y capital semilla para mejorar la energía fotovoltaica (perovskitas y películas delgadas) y la energía solar concentrada (CSP) para lograr mayores eficiencias y reducir costos .

El costo de la tecnología de electrólisis también está disminuyendo, con mejoras de diseño para aumentar la eficiencia. Se están implementando unidades alcalinas mejoradas incluso cuando los compradores recurren cada vez más a la electrólisis de membrana de intercambio de protones (PEM) con mayor eficiencia. Mientras tanto, la tecnología avanza para las celdas de electrolizadores de óxido sólido (SOEC), que prometen lograr una eficiencia muy alta a partir de un alto aporte de calor, de fuentes de calor industriales y posiblemente de reactores nucleares.

La pregunta ahora es si la electrólisis del agua para producir hidrógeno puede seguir la curva de costos descendente que ha seguido la energía solar fotovoltaica durante los últimos diez años. Será crucial mantener bajos los costos, ya que el hidrógeno electrolítico tendrá que competir con el “hidrógeno azul” producido a partir del gas natural y capturar carbono, que ahora es menos costoso. El éxito conducirá a la esperada adopción generalizada de lo que los defensores han llamado el “Santo Grial” del hidrógeno, hidrógeno electrolítico producido con electricidad renovable (que significa hidrógeno “verde”).

un plus

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La creencia común hoy en día es que el hidrógeno libre de carbono comenzará en aplicaciones industriales, en los principales grupos industriales, primero en forma de azul, luego en forma de verde. Para los electrolizadores ecológicos, el electrolizador es crucial y se sigue fabricando a pequeña escala con mucha delicadeza práctica, incluso por los principales fabricantes. Sin embargo, los fabricantes globales planean expandirse para reducir el costo.

Esto fue evidente en las discusiones recientes del equipo. Middle East Energy Online 2021 La conferencia, organizada por Informa Markets, durante la cual los principales actores de la industria compartieron ideas sobre sus planes de producción.

El actor principal a tener en cuenta es el gigante industrial alemán ThyssenKrupp, que como siderúrgico y productor de hidrógeno ve la cuestión del hidrógeno tanto desde el punto de vista del productor como del usuario.

Relacionado: El petróleo de $ 70 podría detener la ola de compras de petróleo crudo de China La unidad de electrólisis de agua alcalina estándar de la empresa es la unidad de 20 MW, que produce aproximadamente 4.000 metros cúbicos de hidrógeno por hora. Esta unidad es el bloque de construcción actual de la compañía para la producción de hidrógeno, con una unidad de 100MW que requiere una combinación de 5 bloques. Puede seguir construyendo a partir de ahí. Por ejemplo, para lograr 2,2 gigavatios de capacidad de electrólisis para el proyecto gigante en NEOM, la empresa necesitaría acumular 110 bloques.

“Hemos reducido los costos y aumentado el tamaño de nuestra unidad central a 20 megavatios”, dijo Malcolm Cook, vicepresidente de desarrollo comercial de ThyssenKrupp. “Nuestro enfoque ahora es de la cadena de fabricación actual de 1 gigavatio a una producción anual de 5 gigavatios”, dijo.

El aumento de la producción de electrolizadores de la compañía no está de acuerdo con un cronograma estricto y se producirá a la llegada de los pedidos. Pero Cook dice que la empresa está dispuesta a invertir en aumentar la producción.

Otro actor importante en el campo es el fabricante estadounidense de motores Cummins, que amplió enormemente su capacidad de producción de hidrógeno hace dos años cuando adquirió Hydrogenics, con sede en Canadá (con la empresa francesa Air Liquide reteniendo la propiedad parcial). La adquisición le dio a Cummins nueva experiencia tanto en celdas de combustible de hidrógeno como en electrólisis, colocándola en una mejor posición para el negocio de transporte de energía. Desde entonces, Cummins ha estado involucrado en una serie de proyectos de hidrógeno verde a pequeña escala.

“En términos de tamaño del proyecto, mientras que 10 MW era un objetivo hace dos años, ya tenemos un electrolizador PEM de 20 MW operando hoy en Canadá”, dijo Denise Thomas, Directora de Desarrollo de Negocios Globales de Electrolizadores Globales en Cummins. Añadió: “El siguiente paso lógico son los proyectos en el rango de 100 a 500 megavatios, que servirán como punto de partida para proyectos muy grandes en la escala de gigavatios”.

“La pregunta principal es el tiempo porque estamos aumentando la capacidad de fabricación, pero no tiene sentido poner toda la capacidad en su lugar porque muchos proyectos (de hidrógeno) están en la etapa de desarrollo”, dijo Thomas. “Hoy estamos bien con proyectos de hasta 500 megavatios”.

Thomas explicó que en este punto, es probable que los clientes no necesiten una capacidad de electrólisis de 1 GW en un solo bloque. En cambio, desarrollarán la mayoría de los proyectos en fases y la primera fase requerirá una capacidad de 100 a 200 MW. Sin embargo, está claro que la ambición de Cummins es alcanzar el nivel de GW, probablemente alrededor de 2025, afirma.

Otro gran actor que tiene como objetivo escalar a la fabricación en la escala de gigavatios es la empresa británica ITM Power, que todavía se encuentra en las primeras etapas de planificación de una gran planta de electrolizadores. Otra empresa es la noruega Nel ASA, que ha expandido la producción de electrolizadores a 500MW este año, con una mayor expansión planeada. Neill anunció recientemente su objetivo de producir hidrógeno verde a 1,50 dólares por kilogramo para 2025, lo que igualaría el costo del hidrógeno fósil convencional. Mientras tanto, la empresa danesa Haldor Topsoe y la empresa conjunta española Iberlyzer están trabajando para ampliar la capacidad de producción durante los próximos dos años.

Ninguna de estas empresas está dispuesta a superar su producción anual de 1 GW en un futuro próximo.

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Hoy, el hidrógeno verde solo está presente en cantidades diminutas. Su costo es al menos el doble que el del hidrógeno fósil. Básicamente, no hay mercado para ello. Así que todavía es muy pronto para esta industria.

Hoy en día, las industrias de los Estados Unidos producen aproximadamente 10 millones de toneladas métricas de hidrógeno anualmente, mientras que aproximadamente 120 millones de toneladas de hidrógeno se producen a nivel mundial (China es el país productor más grande). Casi todo esto se produce a través de procesos que provocan altas emisiones de carbono.

Se estima que alcanzar la producción actual de hidrógeno de Estados Unidos con electricidad renovable requerirá 115 gigavatios de energía eólica marina. La dificultad para hacerlo se hace evidente cuando se considera que Estados Unidos ahora está buscando formalmente 30 gigavatios de energía eólica marina para 2030.

IRENA, en su Hoja de ruta de transición energética hasta 2050, estima que la producción mundial de hidrógeno verde debería alcanzar casi 400 millones de toneladas, lo que requerirá una capacidad total combinada de 5 TWh para 2050. Hoy, la capacidad total del electrolizador instalado en todo el mundo es de aproximadamente 8 gigavatios.

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Estos números muestran que el aumento de la producción que tendrá que suceder para cumplir con los objetivos de hidrógeno verde establecidos por los gobiernos y las agencias internacionales es asombroso. Requerirá una iniciativa pública y sostenible para establecer objetivos y reducir los costos del hidrógeno verde a lo largo de la cadena de valor, incluso en el campo crítico de la electrólisis.

Cornelius Matisse, director ejecutivo de Dii Desert Energy, una empresa de consultoría sin fines de lucro con sede en Dubai, ve motivos para el optimismo.

Dijo recientemente: “Habrá mucha innovación en el aspecto de la electrólisis a medida que surjan nuevas tecnologías”. Middle East Energy Online 2021 conferencia. “Para los electrolizadores, están pasando del ensamblaje manual a la producción en gran parte automatizada, junto con importantes avances en investigación y desarrollo”.

Matisse contó 19 proyectos de hidrógeno en todo el mundo que requerirían una capacidad de electrolizador de aproximadamente 140 gigavatios. Él cree que esta cartera de proyectos comenzará a estimular niveles más altos de producción de electrolizadores, reduciendo los costos.

“No tengo ninguna duda de que esto sucederá. En diez años, cuando miremos hacia atrás, probablemente veremos una historia exitosa como la que vimos con las energías renovables hace 10 años”.

Pero esto no sucederá sin ayuda, ya que muchos de los proyectos de hidrógeno a los que se refiere cuentan con cierto apoyo.

“Debemos desde un punto de vista regulatorio aplicar lo que sea posible para acelerar este desarrollo, para crear estándares, para crear todos los requisitos básicos del mercado”, dijo Mattis.

Escrito por Alan Mamoser para Oilprice.com

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