Estudio de factibilidad técnica y económica de plantas de generación eléctrica basadas en la combustión de hidrógeno producido en base a energía solar

Abstract

Hoy el 31% del total de los Gases de Efecto Invernadero (GEI) en Chile provienen de la matriz energética, que hoy cuenta con más de un tercio de su capacidad instalada con Energías Renovables No Convencionales (ERNC), pero que su mayor problemática es el fenómeno de intermitencia, presentando gran variabilidad en el recurso energético. Ante esto, surge la propuesta de aprovechar el recurso solar para la generación de hidrógeno verde, para luego ser usado como combustible en una central termoeléctrica. El presente trabajo entrega una evaluación de factibilidad técnica y económica de la implementación de una central de producción y almacenamiento de hidrógeno verde y de generación eléctrica en base a su combustión en el norte de Chile. La metodología empleada consta en la determinación de un diseño conceptual que abarque la producción, almacenamiento y aprovechamiento del hidrógeno para la generación eléctrica viable en base a la investigación bibliográfica de distintas técnicas y tecnologías. Posteriormente, se elige en base a distintos factores, y principalmente al recurso solar, con el cual se produce el hidrógeno, la ubicación fija de la central completa, resultando en un área entre 21,1 y 39,8 km2 a 30 km al Oeste de Sierra Gorda en la Región de Antofagasta. Luego, mediante el uso de MATLAB y librerías de propiedades termodinámicas de Python, se generan los balances de masa y energía y dimensionamiento de las etapas de: generación eléctrica, mediante combustión del hidrógeno en turbinas a gas, evaluando distintas capacidades y asegurando bajas emisiones de gases NOx; almacenamiento de hidrógeno comprimido, mediante tuberías enterradas; producción de hidrógeno, mediante electrólisis alcalina; y generación fotovoltaica, que energiza el proceso de electrólisis. El estudio culmina con un análisis de performance de la central y una evaluación económica que compara las distintas capacidades de generación. Dentro de los principales resultados se tiene que para la generación termoeléctrica con hidrógeno verde entre 30,4 y 63,6 [MW], con eficiencias de generación entre 31,7 y 36,5 [ %], se requiere una producción diaria de hidrógeno entre 67.1 y 126,5 [ton], precisando largos de tubería enterrada entre 18,8 y 35,5 [km] para una presión máxima de 100 bar y una potencia instalada de compresores entre 4,7 y 8,8 [MW]. Para producir el hidrógeno se calculó una potencia instalada de electrolizadores alcalinos entre 368,8 y 695,6 [MW] y un parque solar de entre 493,3 y 930 [MWp]. El consumo hídrico de la central se mantiene entre 2.426 y 4.755,8 [m3/día]. Se obtiene como subproducto de la central entre 538,6 y 1055,9 [ton] de oxígeno. La eficiencia energética de la central para la generación eléctrica llega a estar entre 4,8 y 5,1 [ %] y el factor de planta entre el 65,1 y 69,1 [ %]. Finalmente para la evaluación económica se obtiene un VAN entre 3157,7 MUSD y 6263 MUSD, una TIR entre 17,5% y 20% y un LCOE entre 40,7 USD/MWh y 48,9 USD/MWh.