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Procesos electrolíticos
# Presentación
Diferentes mercados y sectores de la economía mundial exploran el papel de la electrólisis para la producción de hidrógeno, y las inversiones en tecnologías e infraestructuras relevantes ascienden actualmente a miles de millones de dólares estadounidenses (USD). Las empresas están estudiando cómo la adopción del hidrógeno como fuente de energía o combustible de baja o nula emisión de carbono repercutirá en los costes, la confiabilidad y la flexibilidad de las operaciones dentro de su cadena de valor. Desde el almacenamiento de energía a granel y de larga duración en la red eléctrica hasta las AEC derivadas del hidrógeno, los procesos electrolíticos tienen el potencial de apoyar muchas vías de descarbonización. En particular, las perspectivas a corto plazo se centran en el aumento de la capacidad de los electrolizadores y en la mejora de las economías de escala para reducir los costes. Las perspectivas a largo plazo son más complejas, ya que el papel de los electrolizadores en la producción de hidrógeno en un sistema integrado de energía no está definido ni se comprende en su totalidad. El objetivo del TSC de procesos electrolíticos es evaluar las tecnologías y presentar instrucciones técnicas y estratégicas para ampliar el alcance de la implementación y la adopción en todos los sectores de la economía energética.
El campo de la electrólisis incluye tanto tecnologías maduras como en desarrollo. Hace más de 100 años que se utilizan unidades comerciales y las nuevas tecnologías pretenden reducir los costes, mejorar la eficiencia y aumentar la flexibilidad operativa. Se calcula que la capacidad total de los electrolizadores enviados por los fabricantes a los clientes en 2020 sea casi un 30 % mayor que en 2019, alcanzando los 200 megavatios (MW). En la actualidad están previstos otros 17 GW, y una proyección de BNEF espera que en 2021 se duplique la implementación de 2020. Este aumento se debe, en parte, a que nueve países y la Unión Europea han publicado hace poco las hojas de ruta en las que se describe el desarrollo de una economía del hidrógeno para abordar objetivos climáticos y económicos. La Unión Europea sola ya ha establecido planes para instalar al menos 40 GW de electrolizadores para 2030 (BNEF, 2021).
A pesar del reciente aumento de la demanda, la rentabilidad y la flexibilidad operativa de los sistemas de electrolizadores son dos incógnitas que persisten a medida que los sectores y las industrias tratan de implementar una energía baja o nula en carbono. Como se señaló con anterioridad, la producción de hidrógeno por electrólisis comprende menos del dos por ciento de la producción mundial actual, y casi todo el 98 % restante se suministra mediante procesos de reformado de gas natural o gasificación de carbón (IEA, 2019b). Diversas organizaciones han establecido objetivos de costes de producción de electrolizadores que oscilan entre aproximadamente 0,50 USD y 2 USD/kg (aproximadamente 4 USD a 17 USD/MMBTU). El informe preliminar del TSC de análisis del sistema integrado de energía de la LCRI sugiere que los costes actuales de producción de la electrólisis oscilan entre 3,50 USD y 5,50 USD/kg (aproximadamente 31 USD a 48 USD/MMBTU).[1] diferencia entre los valores actuales y los objetivos puede provocar la competencia del reformado con vapor de metano (SMR) u otros métodos disponibles en el mercado que podrían integrar la CCS en apoyo de la producción de energía baja en carbono. La LCRI calcula que los costes de producción de hidrógeno mediante SMR con CCS (con un 90 % de captura de CO2) son en la actualidad del orden de 1,40 USD/kg (12 USD/MMBTU).[2]
El TSC de procesos electrolíticos ha identificado tres áreas de interés para las actividades de I+D de la LCRI con el fin de abordar los aspectos críticos del coste, las operaciones y la integración de los sistemas de electrolizadores. Estas áreas de interés son la integración de tecnología y sistemas, el desarrollo de tecnología avanzada y el modelado y análisis de procesos.
El TSC llegó a estas áreas de interés a través de la evaluación del mercado actual a nivel mundial de las tecnologías de electrolizadores y del crecimiento previsto del mercado en los próximos 30 años, cuando muchos sectores de la economía energética establezcan vías para lograr importantes reducciones de carbono. Por el momento, hay relativamente pocos fabricantes de electrolizadores capaces de suministrar a gran escala comercial (>10 MW de capacidad), y con los numerosos sectores que compiten por obtener soluciones de portadores de energía con bajas emisiones de carbono pronto la demanda de tecnologías de electrolizadores podría superar las capacidades actuales de fabricación. Los fabricantes de los dos tipos de tecnología de electrolizadores disponibles en el mercado, los alcalinos y los de membrana de intercambio de protones (PEM) ya responden a la necesidad de acelerar la reducción de los costes de capital. Muchas reducciones de los costes de capital se conseguirán probablemente gracias a las economías de escala, ya que la afluencia de nuevos pedidos permite que los fabricantes inviertan en capacidades de producción que ahorran costes y refuerzan sus cadenas de suministro. Ahora bien, una parte importante de los costes de producción de hidrógeno se asocia al precio de la electricidad (hasta un 75 % en algunos casos) y al factor de capacidad del electrolizador (NREL, 2021). Es preciso realizar más investigaciones para comprender y caracterizar mejor la integración a nivel de sistemas y las perspectivas operativas, así como el modo en que estas tecnologías podrían tener que interactuar y responder a la volatilidad tanto del suministro de electricidad como de la demanda de hidrógeno. Este TSC planea desarrollar recursos para guiar la implementación de tecnologías comerciales a mayor escala y compartir las lecciones aprendidas y las perspectivas de los esfuerzos globales. Es posible que los recursos adopten la forma de informes de evaluación de tecnologías, directrices de ingeniería y operaciones, resultados de estudios realizados a través de la LCRI o de colaboraciones (por ejemplo, pruebas a escala de laboratorio, piloto o de demostración), y evaluaciones de equilibrio energético y de materiales.
Las nuevas tecnologías, como la electrólisis de óxido sólido (SOEC), la membrana de intercambio de aniones (AEM) y otras tecnologías (por ejemplo, las unidades sin membrana e híbridas), requieren un importante desarrollo, demostración y pruebas de durabilidad antes de que pueda producirse su implementación comercial. Al adoptar una perspectiva a largo plazo para la descarbonización de toda la economía, parece razonable la posibilidad de que estas tecnologías se amplíen en los próximos 10 años. Si se desarrollan con éxito, estas nuevas tecnologías podrían dar lugar a una reducción significativa de los costes de capital y de explotación con una mejor capacidad de integración del sistema en comparación con las tecnologías que se implementan en la actualidad. Este TSC tiene previsto desarrollar protocolos de evaluación para informar a los responsables de la toma de decisiones sobre los métodos para comparar las opciones tecnológicas teniendo en cuenta las nuevas alternativas que estén disponibles en el futuro. Una vez completado un análisis exhaustivo del panorama actual de las tecnologías avanzadas, el TSC pretende identificar y evaluar los pasos necesarios para lograr la implementación comercial y comunicar los probables requisitos a escala piloto y de demostración. En este análisis se incluirá una evaluación de las oportunidades para que la LCRI esté a cargo de las pruebas piloto o de demostración de las tecnologías.
Lamentablemente, no existe un enfoque único para evaluar la tecnoeconomía de la producción de hidrógeno por electrólisis, ya que hay varios factores a tener en cuenta. Además de las características específicas que se asocian al tipo de tecnología, la durabilidad, los impacto del factor de capacidad, la fuente de energía, la ubicación geográfica, la proximidad a los usuarios finales y los sistemas de equilibrio de la planta (BOP), cada uno desempeña un papel importante a la hora de comparar las opciones tecnológicas. Para hacer frente a la evolución de las tecnologías de los electrolizadores y al avance de las nuevas tecnologías/sistemas, este TSC tiene previsto desarrollar y gestionar herramientas de análisis que permitan conocer las tendencias y proyecciones de costes y rendimiento.
# Preguntas clave de la investigación
Durante el transcurso de la LCRI, el TSC pretende abordar las siguientes preguntas de investigación.
¿Qué tecnologías de electrólisis están disponibles en la actualidad o estarán en el futuro para los distintos sectores?
¿Cuáles son las respectivas ventajas y limitaciones competitivas de cada tecnología (por ejemplo, el tamaño de las entidades comerciales, la oferta actual de productos, los planes de ampliación futura de la oferta y la fabricación)?
¿Cuáles son los costes de capital y de explotación y cuáles son los principales factores que impulsan estos valores?
¿Qué sistemas o componentes tienen margen de reducción de costes a escala?
¿Cuáles son los parámetros operativos clave?
¿Cuáles son los plazos previstos para la producción comercial a gran escala?
¿Qué tecnologías de electrólisis están surgiendo como alternativas alentadoras a corto plazo?
¿Qué ventajas aportan?
¿Qué factores frenan su desarrollo o su implementación?
¿Cuál es el plazo de comercialización?
¿Qué aspectos sensibles de la cadena de suministro podrían afectar al ámbito de la producción de hidrógeno?
¿Están desarrollando las tecnologías actuales o emergentes los catalizadores alternativos de menor coste o los materiales críticos?
¿Existe un sistema de reciclaje y recuperación de materiales críticos o componentes del sistema?
¿Existen operaciones estándar de tecnología de la seguridad desde el punto de vista del producto y el sistema, incluida la consideración de los aspectos de la ubicación y la integración?
¿Cuáles son los requisitos adicionales del BOP (por ejemplo, la electrónica, la refrigeración, el tratamiento del agua, los controles de energía), y cómo contribuyen al coste del hidrógeno?
¿Cuáles son los aspectos medioambientales (por ejemplo, demanda y utilización de agua, emisiones) de cada opción tecnológica?
¿Cómo entendemos la flexibilidad del rendimiento del sistema (por ejemplo, la eficiencia, el factor de capacidad) al considerar la optimización de los costes de capital frente al seguimiento de la carga de las operaciones para maximizar la propuesta de valor de la producción de energía de hidrógeno?
¿El hidrógeno de la electrólisis puede (o cuándo podría) competir en materia de costes con la producción de hidrógeno a partir de otras alternativas limpias, como SMR con CCS?
¿Cómo podrían los sistemas de electrolizadores apoyar las actividades energéticas integradas (por ejemplo, los servicios de red, la demanda de los consumidores, la utilización del exceso de generación de electricidad)?
¿Cuáles son las características del rendimiento del sistema y los requisitos de integración que informarían mejor sobre la ubicación de las tecnologías de electrólisis con los activos de la red existentes (por ejemplo, donde los aportes térmicos pueden aumentar la eficiencia del sistema)?
¿Cómo se debe informar a las partes interesadas para que tomen decisiones importantes para la incorporación de las tecnologías de electrólisis en los planes de negocio?
¿Cuáles son los factores normativos que influirán en la implementación de la electrólisis ahora y en el futuro?
¿Qué factores de la transición son esenciales para impulsar la necesidad de la producción de hidrógeno mediante electrólisis (por ejemplo, la integración de la red eléctrica y la producción de energía limpia, los plazos para la transición de los diversos sectores/industrias)? ¿Qué rol tendrán estos factores durante los próximos 30 años con respecto a las decisiones que se tomen para alcanzar las metas de 2050?
¿Cómo podrían influir los factores regionales/geográficos en la transición hacia una mayor adopción de la producción de hidrógeno?
¿Cómo influirán los costes de transporte y almacenamiento del hidrógeno en la implementación de la producción de hidrógeno?
# Esfuerzos de la investigación
El TSC de procesos electrolíticos ha organizado el plan de investigación en torno a tres áreas de interés para abordar el panorama actual y proyectado de las tecnologías y sistemas de la electrólisis. Estas tres áreas se resumen en la figura 18.
La electrólisis tiene el potencial de servir como mecanismo para la producción de energía de baja o nula emisión de carbono para muchos sectores de la economía. Para abordar la variedad de opciones, caracterizar mejor las funciones a las que podría servir la electrólisis y garantizar la cobertura de los posibles usos de la electrólisis dentro de la LCRI, se propone un enfoque de cadena de valor para el plan de investigación del TSC. Una descripción de este enfoque de la cadena de valor se presenta en la figura 19.
# Metas de la investigación
El objetivo general de la investigación de este TSC es comprender y generar progreso en la industria de la producción de hidrógeno según las metas de la LCRI. El TSC de procesos electrolíticos pretende recoger información comparable en todo el sector de la producción de hidrógeno para las tecnologías actuales y emergentes. También busca desarrollar metodologías para informar la toma de decisiones sobre el desarrollo de la tecnología y las opciones de la cartera (por ejemplo, la producción de energía, las aplicaciones de uso final, las limitaciones geográficas, las capacidades de almacenamiento y suministro).
A continuación se presenta un resumen del esfuerzo de investigación propuesto y de las metas asociadas.
# Meta 1: Apoyar la integración de los sistemas y las tecnologías a gran escala
Estrategia 1: Comprender el estado de desarrollo actual y formular un análisis de las brechas para la implementación futura de la tecnología
- Acción: Evaluar las tecnologías comerciales. Crear un informe sobre el estado de la tecnología, realizar entrevistas con los proveedores de tecnología e investigar las operaciones y los protocolos de mantenimiento del BOP.
Estrategia 2: Caracterizar las operaciones y el mantenimiento, los aspectos medioambientales y las ventajas y limitaciones de la tecnología
- Acción: Identificar las características del rendimiento y del ciclo de vida.
Estrategia 3: Caracterizar el estado actual y las proyecciones de impacto de la implementación a mayor escala en los sistemas BOP (por ejemplo, electrónica de potencia, tratamiento del agua, refrigeración, almacenamiento/compresión del hidrógeno).
- Acción: Evaluar los sistemas BOP y valorar los protocolos (operaciones, mantenimiento, seguridad y medioambiente).
Estrategia 4: Comprender los riesgos, desafíos, limitaciones y ventajas de la integración del sistema
Acción: Llevar a cabo estudios sobre la integración de sistemas de energía y de red para evaluar los impactos del rendimiento y de la confiabilidad.
Acción: Realizar análisis de tecnologías integradas (por ejemplo, red eléctrica, renovables directas, nuclear). Aprovechar las actividades a escala piloto o de demostración cuando sea posible.
Estrategia 5: Apoyar la implementación segura de las tecnologías de la electrólisis en todos los sectores e industrias.
- Acción: Desarrollar consideraciones de seguridad para el funcionamiento de los sistemas.
Estrategia 6: Caracterizar el consumo de agua y otros impactos
- Acción: Desarrollar herramientas de análisis de la utilización y el tratamiento del agua y establecer criterios de medición.
# Meta 2: Identificar y dirigir las iniciativas para acelerar el desarrollo tecnológico avanzado
Estrategia 1: Reducir el coste del hidrógeno con mejoras operativas
Acción: Identificar los métodos o tecnologías para mejorar la eficiencia y el coste.
Acción: Realizar pruebas para mejorar las características operativas (por ejemplo, presión, variabilidad de la electricidad).
Estrategia 2: Reducir el coste del hidrógeno mediante el abordaje de los factores críticos de la cadena de suministro
- Acción: Investigar oportunidades y métodos para implementar nuevos materiales.
# Meta 3: Desarrollar recursos de análisis y modelado de procesos
Estrategia 1: Tomar decisiones informadas y económicamente sólidas
- Acción: Desarrollar herramientas y recursos de análisis tecnoeconómicos para las tecnologías comerciales y marcadores de posición para las tecnologías avanzadas.
Estrategia 2: Comprender los panoramas realistas y las consecuencias de la generación de hidrógeno, incluidos los aspectos económicos, el almacenamiento y los requisitos de funcionamiento
- Acción: Desarrollar marcos y herramientas para modelar tecnologías comerciales.
Estrategia 3: Identificar las funciones potenciales de las tecnologías avanzadas en las aplicaciones futuras
- Acción: Desarrollar técnicas de modelado que calculen las ventajas de las nuevas tecnologías.
Estrategia 4: Mejorar la eficiencia actual del funcionamiento, la durabilidad de las células de la electrólisis y desarrollar estrategias de implementación para considerar los recursos energéticos
- Acción: Crear herramientas de análisis tecnológico que incluyan el modelado del campo de flujo y de los recursos energéticos.
# Papel previsto de la LCRI en el desarrollo tecnológico
Habitualmente, el TSC evalúa el panorama de las tecnologías comerciales y en desarrollo que sean importantes para los objetivos de la investigación. El TSC ha organizado las tecnologías según el papel previsto de la LCRI en el desarrollo tecnológico (consulte la figura 20). El TSC trata de equilibrar muchas consideraciones a la hora de elegir el nivel de actividad previsto. Entre estas consideraciones se encuentran el período de implementación previsto, el nivel de esfuerzo, el enfoque y la inversión de otras organizaciones o iniciativas que tienen objetivos similares, el papel potencial de apoyo a diversas industrias o sectores en las estrategias de descarbonización y la cantidad de información relevante disponible para realizar análisis exhaustivos, entre otras. Durante la iniciativa, el TSC pretende actualizar estas posiciones con base en los resultados de la investigación de las actividades en curso del TSC y en los resultados de la modelización de la economía energética producidos por el TSC de análisis del sistema integrado de energía.
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# Áreas de investigación conjuntas con otros subcomités técnicos
A continuación se enumeran las áreas en las que será necesaria la investigación conjunta con otros TSC y la integración de sus actividades.
Aspectos medioambientales y de seguridad de la producción y el almacenamiento del hidrógeno.
Producción de combustibles sintéticos a partir del hidrógeno electrolítico, que incluye:
amoniaco;
metanización;
combustibles mediante la reacción de Fischer-Tropsch; y
metanol.
Sistemas que necesitan o pueden aprovechar el subproducto oxígeno creado a partir de la electrólisis del agua.
Tecnologías para el almacenamiento del hidrógeno.
Integración con la generación de energía y otros usos finales de gran volumen.
Combinación del hidrógeno con la infraestructura del gas natural.