- Por Enzo Sauma, Profesor del Departamento de Ingeniería y de Sistemas de la Universidad Católica de Chile.
El hidrógeno combustible se presenta hoy como una promisoria alternativa que permitiría continuar con el desarrollo de tecnologías sustentables. Puede ser un factor crítico en lograr una sociedad más sustentable con menores emisiones de carbono en el largo plazo. Sin embargo, aún quedan varios desafíos por resolver. Uno de ellos es la competitividad económica de la electrólisis, la cual depende fuertemente de la disponibilidad de fuentes de energía renovables.
Anualmente, se producen cerca de 70 Mton de hidrógeno, siendo su origen principalmente la reformación de gas natural (76 %) y la gasificación del carbón (23 %). Estos procesos son de menor costo, pero utilizan recursos no renovables con emisiones de CO2 relacionadas a su producción.
La electrólisis es otra alternativa de producción bastante menos común. Consiste en que, a través de un electrolizador se separan las moléculas del agua (H2O) con electricidad. Dependiendo del tipo de membrana utilizada, se distinguen distintas variantes, entre las que se destacan: las celdas alcalinas, las membranas de intercambio protónico (PEM), membrana de intercambio aniónico (AEM) y las emergentes electrolisis de óxido-sólido. La primera es la más utilizada y madura tecnológicamente.
Este proceso requiere alrededor de 50kWh/kg de hidrógeno, valor que depende de la eficiencia del electrolizador y varía entre tecnologías. Este proceso también requiere agua y su consumo es de 9 litros por kilogramo de hidrógeno. Dado lo anterior, es posible generar hidrógeno sin emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) relacionadas. Para lo cual, la electricidad se debe obtener de fuentes sin emisiones directas, como plantas fotovoltaicas y eólicas.
Actualmente, la electrólisis se ha vuelto un poco más competitiva por la introducción de las energías renovables intermitentes, que permiten la generación de combustible limpio y han logrado disminuir los precios de la energía eléctrica, que es uno de los principales costos operacionales.
COSTO NIVELADO DEL HIDRÓGENO
Una medida del costo de desarrollo de la producción de hidrógeno es el llamado “Costo nivelado del hidrógeno” (LCOH, por sus siglas en inglés). Se define como la división entre la suma de todos los costos descontados y la suma de toda la producción de hidrógeno descontada.
Hay dos formas de disminuir el costo nivelado del hidrógeno: disminuyendo sus costos directos de inversión y operación o aumentando la producción de hidrógeno. Respecto de este último punto, si sólo se usa energía renovable variable (como la energía eólica o la solar fotovoltaica) para alimentar de electricidad a la planta de producción de hidrógeno, se producirá menos hidrógeno que si se usa energía de la red eléctrica, que está disponible a toda hora. Consecuentemente, si sólo se usa energía renovable variable para alimentar de electricidad a la planta de producción de hidrógeno, se obtendrá un mayor LCOH que si se usa energía de la red eléctrica. Sin embargo, el hidrógeno producido al usar sólo energía renovable variable es libre de emisiones mientras que el hidrógeno producido al usar energía de la red eléctrica tiene asociado las emisiones del sistema eléctrico que alimenta la red eléctrica.
Considerando lo anterior, es que Sauma y Hurtubia han propuesto un nuevo índice del costo de desarrollo de la producción de hidrógeno, el cual es llamado “Costo nivelado de hidrógeno y sus emisiones” (LCOH&E, por sus siglas en inglés). Se define como la suma del LCOH y el costo promedio de las emisiones de CO2 al producir un kg de hidrógeno. Esta nueva métrica logra capturar el compromiso existente entre la reducción del costo nivelado de hidrógeno (LCOH) a través de una mayor producción de hidrógeno, usando energía de la red eléctrica, y el aumento de las emisiones del CO2, debidas a esta mayor producción de hidrógeno usando energía de la red eléctrica.
Usando el índice LCOH&E se puede analizar cómo el compromiso existente entre la reducción del costo nivelado de hidrógeno a través de una mayor producción de hidrógeno y el aumento de las emisiones del CO2 debidas a esta mayor producción de hidrógeno usando energía de la red eléctrica depende de distintos factores, como, por ejemplo, por la variación del precio de la electricidad que se usa de la red eléctrica. A medida que el precio de la electricidad que se usa de la red eléctrica disminuye se hace mucho más atractivo (es decir, de menor LCOH&E) el utilizar un mayor porcentaje de energía de la red eléctrica.
Estudios realizados en el Instituto Milenio en Amoniaco Verde como Vector Energético (MIGA) demuestran que la fracción óptima de electricidad que se debe usar de la red eléctrica en la producción de hidrógeno difiere si se minimiza el LCOH y si se minimiza el LCOH&E. En efecto, los resultados obtenidos muestran que usando sólo un 10% de energía de la red eléctrica para alimentar electrolizadores alcalinos en el norte de Chile, es posible aumentar la producción de hidrógeno en un 25%, sin aumentar el nivel de emisiones de CO2 en más de un 5%.
