Techno-economic analysis of the integration of large-scale hydrogen production and a hybrid CSP+PV plant in northern Chile

Abstract

El hidrógeno verde ha sido considerado como uno de los vectores energéticos del futuro, y Chile puede convertirse en líder en su producción debido a su gran potencial de energías renovables. La electricidad barata para producir hidrógeno verde es uno de los factores clave para que el hidrógeno solar sea un método de producción rentable. Sin embargo, sin almacenamiento de energía, la capacidad operativa de los electrolizadores es pequeña y, por tanto, la proporción de la inversión en el costo nivelado del hidrógeno (LCOH2) aumenta debido a la baja utilización de los electrolizadores. En esta tesis se propuso realizar un análisis técnico-económico de la integración de la producción de hidrógeno verde a gran escala y una planta híbrida CSP + PV de 100 MWe en el norte de Chile, uno de los puntos solares más importantes del mundo. Una planta solar híbrida aprovecha el bajo costo de la tecnología PV y la capacidad de despacho de la CSP con almacenamiento, lo que aumenta las horas de producción renovable, creando condiciones ideales para el desarrollo de la industria del hidrógeno verde. Para comprender mejor la utilidad de dicha integración, se comparó el rendimiento de la planta solar híbrida con el rendimiento ofrecido por cada tecnología solar independiente y con una conexión a la red mediante un contrato PPA. El análisis se llevó a cabo utilizando un código desarrollado con PySAM, una librería de código abierto basada en Python, que no sólo proporciona acceso a todas las capacidades del software System Advisor Model (SAM), sino que también ayuda a implementar escenarios personalizados de nuevas tecnologías. Este estudio ha constatado que la producción de hidrógeno a partir de energía solar no es económicamente competitiva con el hidrógeno de origen fósil en 2021. Sin embargo, también ha demostrado que para la próxima década el acoplamiento fotovoltaico-electrolítico será capaz de alcanzar valores rentables y el mínimo LCOH2 de las vías consideradas. Aunque las plantas híbridas no alcanzarían valores tan bajos como la PV en 2030, esta integración ofrece costos más bajos que la producción de hidrógeno basada solo en CSP. Además, en condiciones favorables, las plantas híbridas también podrían alcanzar el rango de valores del hidrógeno basado en combustibles fósiles (menos de 2 USD/kgH2) y beneficios adicionales si se analiza cada configuración de forma holística. De hecho, una planta híbrida consigue la mayor producción anual de hidrógeno, el menor costo específico de almacenamiento y el mayor potencial de reducción de emisiones de CO2 equivalentes de todos los escenarios estudiados. Los resultados de esta tesis proporcionan una buena referencia para futuros estudios y serán de interés para los responsables de la toma de decisiones y de políticas de transición energética. El código desarrollado está disponible en código abierto para que más investigadores puedan investigar otros escenarios de producción de hidrógeno solar.