Hidrógeno solar: el eslabón que faltaba a la cadena energética de Chile

Francisco Leiva Ibañez
Gerente H2PV | Phineal

6 DE MARZO, 2018

El hidrógeno es uno de los vectores energéticos más versátiles dentro de las formas de almacenamiento de energía, ya que la posibilidad de convertirse, almacenarse y transportarse,  de otorga una característica especial por su bidireccionalidad y que no poseen los combustibles fósiles. Sumado a lo anterior, posee una mayor eficiencia de conversión y menor impacto ambiental en todo su cadena de procesos, comparado con el diesel por ejemplo. Sin embargo, los costos de los sistemas de conversión y subsistemas que permiten tener una planta de este tipo de energía, pasan a ser uno de los dilemas a la hora de su implementación, pero que se encuentra en un punto de quiebre debido al gran potencial de demanda que posee en sectores estratégicos de la sociedad chilena: la minería.

La energía solar ya es rentable e introduce una reducción de costos en la conversión de energía a hidrógeno, pudiendo tener un “buffer” de energía en el tiempo lo cual es ideal ya que los excedentes de generación no siempre coinciden con la demanda de este tipo de energías. En este artículo se abordan algunos los desafíos tecnológicos y de mercado que debemos enfrentar en Chile para su implementación, pero que se lograrán en la medida que las inversiones sean estratégicas a mediano y largo plazo.

El hidrógeno y las celdas de combustibles presentan un potencial enorme para transitar hacia una economía sustentable y de bajas emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). El hidrógeno es un vector de energía versátil (el hidrógeno no es una fuente de energía primaria, por lo que se conoce como portador o vector energético con la ventaja de ser altamente almacenable), limpio y seguro que puede utilizarse como combustible para energía o en la industria como materia prima. Se puede producir a partir de energía renovable y produce cero emisiones de GEI en el punto de uso. Además, se puede almacenar y transportar con una alta densidad energética en forma líquida o gaseosa y se puede quemar o usar en celdas de combustible para generar calor y electricidad.

A nivel mundial, el hidrógeno se utiliza para sistemas de respaldo de energía, transporte liviano y pesado (vehículos, camiones, buses, etc) en donde se reemplaza el motor de combustión interna por una celda de combustible, aplicaciones industriales tales como la refinación del petróleo, producción de fertilizantes, redes de gas, entre otros. En Chile, el principal uso de hidrógeno es para procesos de refinación del petróleo en plantas de ENAP, industria de alimentos, fabricación de vidrios.

Francisco Leiva Ibañez
Gerente H2PV | Phineal

6 DE MARZO, 2018

El hidrógeno es uno de los vectores energéticos más versátiles dentro de las formas de almacenamiento de energía, ya que la posibilidad de convertirse, almacenarse y transportarse,  de otorga una característica especial por su bidireccionalidad y que no poseen los combustibles fósiles. Sumado a lo anterior, posee una mayor eficiencia de conversión y menor impacto ambiental en todo su cadena de procesos, comparado con el diesel por ejemplo. Sin embargo, los costos de los sistemas de conversión y subsistemas que permiten tener una planta de este tipo de energía, pasan a ser uno de los dilemas a la hora de su implementación, pero que se encuentra en un punto de quiebre debido al gran potencial de demanda que posee en sectores estratégicos de la sociedad chilena: la minería.

La energía solar ya es rentable e introduce una reducción de costos en la conversión de energía a hidrógeno, pudiendo tener un “buffer” de energía en el tiempo lo cual es ideal ya que los excedentes de generación no siempre coinciden con la demanda de este tipo de energías. En este artículo se abordan algunos los desafíos tecnológicos y de mercado que debemos enfrentar en Chile para su implementación, pero que se lograrán en la medida que las inversiones sean estratégicas a mediano y largo plazo.

El hidrógeno y las celdas de combustibles presentan un potencial enorme para transitar hacia una economía sustentable y de bajas emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). El hidrógeno es un vector de energía versátil (el hidrógeno no es una fuente de energía primaria, por lo que se conoce como portador o vector energético con la ventaja de ser altamente almacenable), limpio y seguro que puede utilizarse como combustible para energía o en la industria como materia prima. Se puede producir a partir de energía renovable y produce cero emisiones de GEI en el punto de uso. Además, se puede almacenar y transportar con una alta densidad energética en forma líquida o gaseosa y se puede quemar o usar en celdas de combustible para generar calor y electricidad.

A nivel mundial, el hidrógeno se utiliza para sistemas de respaldo de energía, transporte liviano y pesado (vehículos, camiones, buses, etc) en donde se reemplaza el motor de combustión interna por una celda de combustible, aplicaciones industriales tales como la refinación del petróleo, producción de fertilizantes, redes de gas, entre otros. En Chile, el principal uso de hidrógeno es para procesos de refinación del petróleo en plantas de ENAP, industria de alimentos, fabricación de vidrios.

Powertrain del auto de hidrógeno de Mercedes Benz, IAA – Septiembre 2017 Frankfurt, Alemania. ©Phineal
Powertrain del auto de hidrógeno de Mercedes Benz, IAA – Septiembre 2017 Frankfurt, Alemania. ©Phineal

Más del 50% del hidrógeno producido en el mundo se realiza a través de procesos termoquímicos donde el elemento clave es el metano, y que al combinarlo con agua, libera una cantidad importante de dióxido de carbono. Por otra parte, la forma más limpia de producción de hidrógeno es a través de la electrólisis de agua o separación de las moléculas de hidrógeno y oxígeno contenidas en el agua, la cual representa menos de 4% de la producción mundial. Este proceso de separación de las moléculas de agua se realiza inyectando una corriente eléctrica continua en el agua a través de electrodos o electrolizador. Sin embargo, esta última forma de producción de hidrógeno no es tan limpia si consideramos una fuente de energía eléctrica que proviene de una central en base a combustibles fósiles. Por lo anterior, y considerando el gran potencial solar en Chile, podemos convertirnos en el principal productor de “hidrógeno solar” tanto para la futura demanda del sector minero, como para otras aplicaciones tales como celdas de combustible para transporte liviano y almacenamiento de energía.

En la conferencia internacional “Hidrógeno con Energías Renovables, nuevas oportunidades para Chile”, desarrollada el 10 de mayo de 2017 y organizada por CORFO, Ministerio de Energía y GIZ (Agencia Alemana de Cooperación Técnica), se discutieron las nuevas perspectivas en la producción de hidrógeno con energía renovable a bajo costo para el desarrollo de aplicaciones en el campo de la minería y almacenamiento energético. En esta conferencia, y considerando el uso intensivo de energía y combustible en minería (Diesel representa el 88% del mix de combustible utilizado en minería), Corfo presentó el Programa Tecnológico Estratégico “Desarrollo de Sistema de Combustión Dual Hidrógeno-Diésel para Camiones de Extracción Mineros (CAEX)”, cuyo objetivo es la adopción, adaptación, desarrollo e industrialización de soluciones tecnológicas que permitan cambiar la operación de los camiones de extracción a una combustión de mezclas de hidrógeno y diésel. Este y el otro Programa Tecnológico “Adaptación de la Operación de Equipos Móviles Mineros de Diésel a Hidrógeno, mediante Celdas de Combustibles” fueron adjudicados la semana pasada a 2 consorcios tecnológicos que en total suman más de $13.800 millones (CLP).

Estos programas, marcan un hito importante en el desarrollo del uso de hidrógeno en Chile como vector energético y un avance en la producción del cobre “verde”. Sin embargo, existen otros desafíos técnicos y económicos que tienen que ver con los sistemas de producción, distribución y almacenamiento de hidrógeno de bajo costo para el sector minero, la producción de hidrógeno limpio (o que utilice energía renovable), uso de agua y disponibilidad de capacidad en subestaciones eléctricas (en el caso de producción de hidrógeno utilizando electrolizadores), entre otros.

Más del 50% del hidrógeno producido en el mundo se realiza a través de procesos termoquímicos donde el elemento clave es el metano, y que al combinarlo con agua, libera una cantidad importante de dióxido de carbono. Por otra parte, la forma más limpia de producción de hidrógeno es a través de la electrólisis de agua o separación de las moléculas de hidrógeno y oxígeno contenidas en el agua, la cual representa menos de 4% de la producción mundial. Este proceso de separación de las moléculas de agua se realiza inyectando una corriente eléctrica continua en el agua a través de electrodos o electrolizador. Sin embargo, esta última forma de producción de hidrógeno no es tan limpia si consideramos una fuente de energía eléctrica que proviene de una central en base a combustibles fósiles. Por lo anterior, y considerando el gran potencial solar en Chile, podemos convertirnos en el principal productor de “hidrógeno solar” tanto para la futura demanda del sector minero, como para otras aplicaciones tales como celdas de combustible para transporte liviano y almacenamiento de energía.

En la conferencia internacional “Hidrógeno con Energías Renovables, nuevas oportunidades para Chile”, desarrollada el 10 de mayo de 2017 y organizada por CORFO, Ministerio de Energía y GIZ (Agencia Alemana de Cooperación Técnica), se discutieron las nuevas perspectivas en la producción de hidrógeno con energía renovable a bajo costo para el desarrollo de aplicaciones en el campo de la minería y almacenamiento energético. En esta conferencia, y considerando el uso intensivo de energía y combustible en minería (Diesel representa el 88% del mix de combustible utilizado en minería), Corfo presentó el Programa Tecnológico Estratégico “Desarrollo de Sistema de Combustión Dual Hidrógeno-Diésel para Camiones de Extracción Mineros (CAEX)”, cuyo objetivo es la adopción, adaptación, desarrollo e industrialización de soluciones tecnológicas que permitan cambiar la operación de los camiones de extracción a una combustión de mezclas de hidrógeno y diésel. Este y el otro Programa Tecnológico “Adaptación de la Operación de Equipos Móviles Mineros de Diésel a Hidrógeno, mediante Celdas de Combustibles” fueron adjudicados la semana pasada a 2 consorcios tecnológicos que en total suman más de $13.800 millones (CLP).

Estos programas, marcan un hito importante en el desarrollo del uso de hidrógeno en Chile como vector energético y un avance en la producción del cobre “verde”. Sin embargo, existen otros desafíos técnicos y económicos que tienen que ver con los sistemas de producción, distribución y almacenamiento de hidrógeno de bajo costo para el sector minero, la producción de hidrógeno limpio (o que utilice energía renovable), uso de agua y disponibilidad de capacidad en subestaciones eléctricas (en el caso de producción de hidrógeno utilizando electrolizadores), entre otros.
“[Phineal] – … busca desarrollar prototipo funcional de un convertidor de corriente continua o convertidor DC/DC que permita conectar en forma directa una planta solar fotovoltaica a un electrolizador tipo PEM…”
Bajo este contexto, la empresa Phineal en su constante desarrollo de innovación en aplicaciones y tecnologías solares, se adjudicó un proyecto financiado por CORFO que busca desarrollar un prototipo funcional de un convertidor de corriente continua o convertidor DC/DC que permita conectar en forma directa una planta solar fotovoltaica a un electrolizador tipo PEM (Polymer Electrolyte Membrane por sus siglas en inglés) o membrana de intercambio de protones, para generar hidrógeno en forma limpia y eficiente. El concepto que se busca desarrollar es producir hidrógeno a través de plantas solares desconectadas de la red eléctrica y cercanas a los puntos de consumo de hidrógeno, reduciendo así las pérdidas de conversión de corriente (AC/DC) y maximizando el factor de planta del sistema solar. A continuación, se muestra un esquema general de la planta de producción de hidrógeno en base a energía solar (H2PV) y las diversas aplicaciones.
El diseño de la electrónica de potencia y la estrategia de control para el convertidor de corriente continua que se está desarrollando y que no se encuentra actualmente disponible en el mercado para esta aplicación específica, busca mantener un suministro de energía constante al electrolizador, sacando el mayor potencial de la planta solar a través de un control base de carga con MPPT y que permita dimensionar la planta solar para alcanzar la potencia nominal del electrolizador dentro de los rangos de operación óptimos para el arreglo fotovoltaico.

Como se mencionó anteriormente, la potencia máxima estará dada por la suma de las potencias de las 3 etapas de conversión de potencia del sistema fotovoltaico (ver las curvas de potencia de cada arreglo de la planta solar en el equema), representa la potencia peak de la planta solar, mientras que, con la estrategia de control a desarrollar en el convertidor, se determinará la potencia nominal que alimentará el electrolizador.

Los indicadores económicos asociados al proyecto esperamos vislumbrarlos en la medida de tener un modelo técnico y económico de los procesos en forma general, que es parte del proyecto. Sin embargo vemos que es un gran desafío, debido a que la aplicación de hidrógeno para minería está recién comenzando, pero en base a un estudio realizado por CORFO, en principio el precio por kg H2 competitivo con diésel, según la proyección de precios hasta el 2025 está entre 2,2 – 2,6 USD/kg H2 y las evaluaciones preliminares para una producción de 60 ton H2/día muestran precios a futuro que sobrepasan los 3 USD/kg H2 y que hoy se encuentran sobre los 3,6 USD/kg H2 considerando un PPA solar entre 33 y 52 USD/MWh y distintos factores de planta solar. Sin embargo, al considerar la planta de hidrógeno con sistema solar off grid, estos costos podrían ser menores al no considerar la conversión DC/AC AC/DC y mejora de la eficiencia general del sistema.

Lo que está claro es que nuestro recurso solar nos permite desarrollar una gran variedad de aplicaciones y modelos de negocio para generar una economía sustentable para Chile y el mundo, y Phineal estará en condiciones de integrar proyectos de alta tecnología a nivel nacional e internacional para hacer realidad estos proyectos.

Los camiones que representan uno de los mayores consumidores de diesel en el sector minero.
Los camiones que representan uno de los mayores consumidores de diesel en el sector minero.
Phineal es una empresa fundada en el año 2013 y se encuentra conformada por un equipo que se enfoca en proyectos de ingeniería eléctrica y energía solar. La empresa cuenta con productos y servicios para la industria solar que contribuirán al desarrollo sustentable de América y el mundo.

H2PV es un programa empresarial de Phineal, que busca desarrollar un modelo de negocio para generación y suministro de Hidrógeno obtenido a partir de la energía solar para almacenamiento de energía, celdas de combustible y sistemas de transporte con motores de combustión interna dual o H2ICE (Hydrogen-fueled Internal Combustion Engines).

Pin It on Pinterest

Share This