Producción y almacenamiento hidrógeno verde para aplicaciones energéticas en Chile

Abstract

Una característica fundamental de las energías renovables no convencionales (ERNC) es la fluctuación en la generación de electricidad en consecuencia de la inherente variabilidad en la disponibilidad del recurso utilizado. De lo anterior, surge la idea de evaluar una solución para la intermitencia de centrales solares, mediante el uso de hidrógeno verde almacenando. El presente estudio entrega una evaluación técnica-económica de producción y almacenamiento de hidrógeno verde. La metodología utilizada consiste en dimensionar una planta fotovoltaica en el norte de Chile, que abastecerá de energía eléctrica a una planta PEM de electrólisis de agua. El hidrógeno para ser utilizado como combustible, requiere necesariamente incrementar su densidad energética, esto se logra aumentando la presión del gas (compresión) o disminuyendo su temperatura (licuefacción) en consecuencia, se definen ciclos termodinámicos de licuefacción y compresión, realizando balances de energía y masa con el software EES. Con estos resultados se diseñan conceptualmente unidades de almacenamiento de hidrógeno en cada caso para finalmente desarrollar ingeniería básica y un análisis económico comparativo entre ambas opciones. El hidrógeno no puede convertirse en una opción económicamente viable a menos que su costo sea comparable al de los combustibles convencionales. Con los resultados obtenidos se establece que, con una producción de 23 [MW] de energía fotovoltaica, equivalente a energía anual de 53.446,54 [kWh], se obtiene un caudal de 1.983,96 [kg/día] de hidrógeno líquido o comprimido de forma continua, equivalente a una potencia eléctrica de 1,98 [MW]. La mayor diferencia entre ambas opciones es que la planta de licuefacción necesita en un comienzo 40 días para establecer la producción continua. Mediante el análisis económico, se puede encontrar qué partes del proceso son más costosas e ineficientes que otras, por ejemplo, la planta de producción de hidrógeno por licuefacción presenta costos de inversión y almacenamiento de $2.799.331 [USD] y $6.549 [USD] (con 3 unidades de almacenamiento) respectivamente, valores inferiores que la planta de producción de hidrógeno por compresión, con costos de inversión y almacenamiento de $3.428.277 [USD] y $28.424 [USD] (con 2 unidades de almacenamiento) respectivamente. Finalmente, la evaluación económica muestra que la planta fotovoltaica presenta indicador VAN en [USD] positivo ($4.625.325), mientras que en producción-almacenamiento tanto en licuefacción ($10.286.326) como en compresión ($10.331.238) entregan resultados viables, pero es el proceso de licuefacción quien presenta mejores proyecciones a gran escala.