Diseño conceptual y análisis de factibilidad de plantas modulares para producción de hidrógeno en Chile

Abstract

El hidrógeno verde representa una gran oportunidad para Chile, sin embargo, su ciclo de vida completo conlleva varios desafíos. Es por esto que se plantea como objetivo el diseño y estudio de factibilidad técnica y económica de una planta modular para producir hidrógeno en una región del país en base a los recursos disponibles localmente, para operar desde el 2030. El diseño contempla únicamente la etapa de producción del hidrógeno y la modularidad se ve representada en la posibilidad de replicar la planta en otros lugares y escalar el diseño acorde a las necesidades o recursos locales. A partir de la caracterización de la demanda nacional de hidrógeno actual y una proyección al año 2030, se aprecia que la actividad de mayor relevancia y crecimiento para el H2 corresponde a su utilización como insumo para producir amoniaco. Dado esto, se estudia el mercado del amoniaco en Chile y la disponibilidad de recursos energéticos e hídricos en las zonas donde este se desarrolla. Así, se determina el emplazamiento de la planta en las cercanías de Mejillones para abastecer la producción de amoniaco para explosivos. También, se definen 3 capacidades de producción para el diseño de la planta, 6,5, 11,5 y 16,5 [tonH2 /día]. Para la producción del hidrógeno se selecciona un electrolizador tipo PEM modelo Silyzer 300 de Siemens. Para el acondicionamiento del hidrógeno se diseña de un sistema de compresión de 2 etapas con refrigeración intermedia. Un sistema similar se establece para el almacenamiento del oxígeno obtenido como subproducto. También, se contemplan en el diseño bombas, una torre de enfriamiento, intercambiadores de calor y estanques para agua. Los cálculos hechos para cada capacidad de diseño, realizados con ayuda del software EES y Excel, permiten obtener ecuaciones paramétricas para el escalamiento de la planta. Finalmente, se realiza la evaluación económica para cada nivel de producción y 4 casos de estudio en base a dos formas de obtener cada recurso para la electrólisis. Se estiman CAPEX, OPEX e ingresos, se calcula el LCOH y se desarrollan flujos de caja tanto de proyecto puro como de proyecto financiado para obtener distintos indicadores de factibilidad, tales como VAN, TIR, ROI, Payback e índice costo-beneficio. Para el proyecto puro de la planta de 16,5 [tonH2 /día], en el caso offgrid + agua desalinizada se obtienen un VAN y una TIR de 30.858.220 [USD] y 9,52 %, respectivamente; mientras que en el caso ongrid + agua de red estos valores son de -5.031.258 [USD] y 7,75 %, respectivamente. Siendo así el primer caso el más conveniente y el último, no rentable. Además, se obtienen valores de LCOH entre 6,70 y 7,85 [USD/kgH2 ]. Finalmente, se estudia un régimen alternativo de operación ongrid y se realizan análisis de sensibilidad variando tanto el precio de la electricidad como el de los electrolizadores. Cada una de estas medidas reducen el LCOH en cerca de un 20 % y mejoran el VAN en más de un 1000 %.