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Análisis del sistema integrado de energía
# Presentación
El TSC de análisis integrado del sistema energético ayudará a orientar el establecimiento de las prioridades de investigación de la LCRI necesarias para alcanzar objetivos específicos de descarbonización. El equipo de la LCRI utilizará modelos mejorados, con el coste de la tecnología con bajo nivel de carbono y los datos de rendimiento como aportes adicionales, para evaluar el impacto de las opciones con bajo nivel de carbono en el uso de la energía, la economía, el medioambiente y los consumidores. Se estudiarán muchas situaciones y aspectos sensibles, con el aporte de los patrocinadores y asesores de la LCRI y el foco principal en alcanzar las cero emisiones netas de gases de efecto invernadero en todos los sectores de la economía para el año 2050.
Está previsto que los resultados del análisis proporcionen información sobre las compensaciones y los impactos de las tecnologías y vías para lograr bajas emisiones de carbono. Las partes interesadas de la LCRI podrán identificar las áreas clave de valor para las soluciones de baja emisión de carbono en el contexto del sistema energético integrado a nivel mundial.
El enfoque del análisis del sistema integrado de energía para LCRI incluye los siguientes puntos:
Establecer el coste detallado y los datos de rendimiento para las tecnologías con bajo nivel de carbono.
Mejorar el modelo de economía energética US-REGEN del EPRI para que incluya la producción, el suministro y el uso final de las AEC.
Realizar análisis de reducción profunda de carbono en todos los sectores de la economía utilizando los datos detallados y el modelo mejorado.
# Coste detallado y datos de rendimiento
Dado que muchas tecnologías y vías emergentes son candidatos potenciales en una futura economía baja en carbono, se necesitan datos detallados sobre costes y rendimiento. La LCRI pretende coordinar, recopilar y facilitar el desarrollo de datos detallados y estandarizados sobre costes y rendimiento para las tecnologías clave, que incluyen:
la producción de hidrógeno, amoniaco y combustible sintético;
las materias primas bioenergéticas/insumos para la producción de combustible;
la infraestructura de suministro, incluidas las interacciones con las redes de gas existentes;
las aplicaciones de uso final de las AEC, y
los sistemas de eliminación de CO2, incluida la captura directa de aire (DAC).
Se espera que la evaluación cubra los parámetros de rendimiento técnico, los costes (que incluyen el capital, las operaciones y el mantenimiento y el análisis de los costes nivelados), las descripciones de las tecnologías y los supuestos. Cuando se hayan establecido los datos iniciales, se proporcionarán las proyecciones de costes hasta 2050 para cada tecnología, incluidos los costes de almacenamiento y suministro.
Los datos de costes y rendimiento se utilizarán como insumos del modelo de economía energética. A medida que los datos sobre costes y rendimiento se vayan perfeccionando, se espera que se realicen nuevas versiones y se revisen los aportes a los esfuerzos de modelado. Para conocer más detalles sobre las actividades de costes y rendimiento de la LCRI, consulte la sección Modelado del coste tecnológico y del rendimiento a continuación.
# Modelo mejorado de economía energética: US-REGEN
El EPRI mantiene un modelo de economía energética de los EE. UU. denominado “Modelo de economía regional, gases de efecto invernadero y energía de los Estados Unidos” (US-REGEN). El modelo, desarrollado por primera vez en 2011, combina un modelo detallado del sector eléctrico con un modelo de uso final de la energía desglosado por sectores y actividades. Esto permite que el US-REGEN sea capaz de diseñar una amplia gama de políticas ambientales y energéticas tanto en el sector eléctrico como en el no eléctrico, incluido el gas natural. Puede encontrar más información sobre el US-REGEN en https://esca.epri.com/models.html (opens new window).
Dentro de la LCRI, el modelo se mejora con nuevas funciones para simular las interacciones de las AEC y las tecnologías dentro de un único marco analítico integral. Las nuevas características incluirán:
la incorporación de la producción, el almacenamiento y la conversión del hidrógeno en combustibles de uso final, como el amoniaco;
la incorporación del suministro, la conversión y el potencial de las materias primas bioenergéticas;
la mejora de la representación de las redes de suministro de combustible, incluidos los gasoductos de gas natural;
la ampliación de las tecnologías de uso final para incluir opciones de bajas emisiones de carbono, como las celdas de combustible, los procesos industriales avanzados y la utilización y almacenamiento de la captura de carbono, y
la incorporación de los sistemas de eliminación de CO2, tanto terrestres como tecnológicos (por ejemplo, la DAC).
Aunque la aplicación del modelo US-REGEN se centra en el sistema energético de los EE. UU., los conocimientos adquiridos sobre el valor y la aplicabilidad de los recursos y tecnologías con bajas emisiones de carbono a las metas de descarbonización serán útiles para otros países.
# Análisis del panorama
La LCRI utilizará tanto los datos detallados de costes y rendimiento como insumos y el modelo mejorado de economía energética para realizar análisis de situaciones con el fin de identificar vías tecnológicamente sólidas y rentables para la descarbonización de toda la economía. Esto también ayudará a informar y orientar las prioridades de la investigación de la LCRI. La primera versión, prevista para julio de 2021, proporcionará un análisis del panorama de las bajas emisiones de carbono a nivel nacional para los EE. UU.
# Consideraciones e hipótesis del modelado
El desarrollo de panoramas tiene en cuenta tanto los objetivos de las políticas como la disponibilidad y los costes de la tecnología. Los objetivos de las políticas se centrarán principalmente en las cero emisiones netas de CO2 en todos los sectores de la economía para el año 2050, teniendo también en cuenta las emisiones de CH4 relacionadas con la energía. Las consideraciones tecnológicas tendrán diversos impactos en las vías para alcanzar objetivos específicos. Los análisis de las situaciones se diseñaron para informar a los investigadores de la LCRI y a las partes interesadas sobre el panorama tecnológico desde una perspectiva energética-económica holística.
Es posible que algunas hipótesis tengan un impacto importante en los resultados del modelo. Por ejemplo, una situación en la que las tecnologías de CCS no estuvieran disponibles podría dar lugar a la implementación de otras tecnologías con bajas emisiones de carbono más costosas. El enfoque del modelado se diseñó para ilustrar las compensaciones e interacciones entre las tecnologías y las vías en un contexto de equilibrio para ayudar a mostrar cómo y bajo qué condiciones las diferentes tecnologías podrían contribuir a una estrategia de descarbonización de toda la economía de menor coste.
# Panoramas que se consideraron
Aunque el panorama principal de la LCRI es el de cero emisiones netas de carbono en toda la economía para el año 2050, se están considerando otras situaciones. Para el primer análisis, la atención se centrará en un conjunto relativamente pequeño de situaciones elegidas para proporcionar un marco y discutir las compensaciones clave y las interacciones entre las tecnologías que se tienen en cuenta. Los análisis posteriores de la LCRI podrán incluir casos de sensibilidad más detallados para determinadas tecnologías. Los panoramas iniciales se describen a continuación.
Panorama de referencia
- Utiliza el caso para el crecimiento, la demanda y precios de los combustibles primarios del Annual Energy Outlook 2020 de la U.S. Energy Information Administration (Administración de la Información Energética de los EE. UU.)
- Se mantienen constantes las políticas y objetivos gubernamentales existentes
- No se incluyen las tecnologías avanzadas
Panorama de cero emisiones netas para el año 2050
- Según el panorama de referencia
- Agrega el objetivo de cero emisiones netas de GEI en toda la economía de los EE. UU.
- Agrega las tecnologías y vías necesarias para alcanzar el objetivo
Panorama de cero emisiones netas para el año 2035 en el sector eléctrico
- Según el panorama de cero emisiones netas para el año 2050
- Agrega el objetivo de cero emisiones netas de GEI en el sector eléctrico de los EE. UU.
Panoramas de la sensibilidad tecnológica
- Según el panorama de cero emisiones netas para el año 2050 (excluye los objetivos específicos del sector eléctrico)
- Asume datos inciertos para formular hipótesis sobre el coste, el rendimiento y la disponibilidad en el tiempo para una tecnología clave (por ejemplo, la CCS o la electrólisis). Los panoramas pueden construirse para múltiples tecnologías de interés.
# Modelado del coste tecnológico y del rendimiento
# Presentación
El EPRI y el GTI tienen una larga trayectoria en la realización de análisis tecnoeconómicos en toda la cadena de valor del sistema eléctrico y energético. Los resultados de estos análisis se utilizan para informar a las partes interesadas y a los responsables de la toma de decisiones, a la vez que sirven como insumos vitales para las herramientas de modelado del sistema energético, proporcionando así conocimientos fundamentales sobre el coste y el rendimiento de las alternativas de las políticas tanto para el sector eléctrico como para la economía en general. Las tecnologías que se investigan en el marco de este esfuerzo son muy variadas, como se muestra en la figura 26.
En el marco de este esfuerzo, la LCRI desarrollará una evaluación integrada de costes y rendimiento, que incluirá la producción, el transporte, el almacenamiento y el suministro de portadores de energía con bajo contenido de carbono. El desarrollo de cálculos de costes y rendimiento fiables e independientes es un paso crucial para comprender los valores de referencia de la tecnología de hoy en día y avanzar más allá de las tecnologías del mercado actual. Los datos de rendimiento y costes iniciales permitirán la identificación de reducciones potenciales de costes en el futuro, así como la magnitud de dichas reducciones en relación con el suministro de energía con bajo nivel de carbono.
# Metodología
Para obtener estos conocimientos, la LCRI aplicará el proceso de la Guía de Evaluación Tecnológica (TAG) del EPRI, que es una norma muy reconocida para desarrollar cálculos coherentes de costes y rendimiento de las tecnologías. En la actualidad, los datos de costes y rendimiento para las tecnologías tradicionales de generación del sector eléctrico que se utilizan en el modelo US-REGEN del EPRI se desarrollan dentro de este marco. Su aplicación a las tecnologías de la LCRI garantizará una base coherente para los datos de coste y rendimiento de la tecnología.
Las directrices de la TAG se presentaron hace más de 40 años y se han actualizado de forma continua para considerar los avances y las tendencias tecnológicas. En el marco de las directrices de la TAG se garantiza que, al desarrollar los cálculos de costes y rendimiento, las hipótesis de diseño y los límites de los costes se establezcan de forma coherente, creando una base precisa para las comparaciones tecnológicas y de situaciones entre todas las tecnologías. Las categorías clave dentro del marco de la TAG incluyen las definiciones de las condiciones geográficas y ambientales; la base de diseño de las instalaciones; los elementos de datos de los costes de capital, que incluyen los equipos de proceso, el diseño de ingeniería y la construcción, las hipótesis de contingencia, los costes de desarrollo del propietario y los gastos de financiación; los límites de los costes, que incluyen el suministro de materias primas, la descarga y el almacenamiento de productos y la gestión del flujo de residuos del proceso; las operaciones y el mantenimiento fijos y variables y los datos sobre rendimiento y emisiones. La figura 27 ofrece un ejemplo del marco del cálculo de costes de capital utilizado en la metodología de la TAG.
La LCRI ha reunido a una amplia variedad de partes interesadas de toda la cadena de valor de la industria de bajas emisiones de carbono. La naturaleza colaborativa de la LCRI permite recibir contribuciones expertas de investigadores, desarrolladores de tecnología, usuarios finales y otras partes interesadas con conocimientos relevantes y da como resultado el desarrollo de datos confiables de coste y rendimiento a partir de los cuales se puede establecer un conjunto preciso de análisis tecnoeconómicos.
El esfuerzo para calcular el coste y rendimiento incluirá la recopilación de datos y aportes a través del compromiso con las empresas de ingeniería y construcción líderes en el mercado; la revisión de la literatura académica y de la industria; el compromiso con los principales investigadores sobre tecnología; la colaboración con los fabricantes de equipos originales y los desarrolladores de tecnología y la experiencia del EPRI y el GTI que se combinará y sintetizará para desarrollar estimaciones de costes de ingeniería para cada una de las tecnologías que se investigue. Además de los datos de referencia en toda la cadena de valor de la energía baja en carbono, la LCRI también investigará las futuras reducciones de costes de las tecnologías bajas en carbono. Este esfuerzo incluye la proyección de los costes de las tecnologías de producción de AEC hasta el año 2050, según los índices de aprendizaje tecnológico de los principales componentes de las tecnologías de producción. En la tabla 2 se presenta un resumen de las actividades.
| Actividad | Resultado previsto | Impacto anticipado |
|---|---|---|
| Desarrollar de forma independiente los cálculos sobre costes y rendimiento de las tecnologías de producción de AEC y de generación de energía | Establecimiento de conjuntos de datos básicos | Cálculos independientes y precisos sobre costes y rendimiento de las tecnologías de producción de AEC y de generación de energía con bajas o nulas emisiones de carbono |
| Desarrollar de forma independiente los cálculos sobre costes y rendimiento de la infraestructura de suministro y almacenamiento de AEC | Establecimiento de conjuntos de datos básicos | Cálculos independientes y precisos sobre costes y rendimiento del suministro y almacenamiento de las AEC |
| Cálculos desarrollados de forma independiente sobre costes y rendimiento de las tecnologías de producción de biocombustibles e hidrocarburos sintéticos | Establecimiento de conjuntos de datos básicos | Coste independiente y preciso de la producción de biocombustibles e hidrocarburos sintéticos |
| Desarrollar de forma independiente las proyecciones de costes para las futuras tecnologías de producción de AEC | Curvas de costes prospectivas para las tecnologías de producción de AEC | Mayor fidelidad en los futuros esfuerzos de planificación y conocimientos sobre la tecnología |
| Suministro de resultados | Pantalla interactiva que resume los resultados | Realizar comparaciones a nivel de selección de las diferentes vías de baja emisión de carbono |
# Estado actual
El equipo de costes y rendimiento ha completado un análisis inicial de varias tecnologías de baja emisión de carbono para respaldar los esfuerzos iniciales de modelado dentro de la LCRI. Se están realizando múltiples esfuerzos para recopilar y comunicar los diversos resultados preliminares de las estimaciones de costes. En la tabla 3 se muestra un resumen de los casos preliminares completos.
| Tecnología | Producto | Materias primas primarias |
|---|---|---|
| Electrólisis de la PEM, alcalina y de SOEC | Hidrógeno | Agua + Electricidad |
| SMR con y sin CCS | Hidrógeno | Gas natural |
| Síntesis de amoniaco | Amoniaco | Agua/hidrógeno/gas natural |
| DAC (solvente y sorbente) | CO2 | Aire + Electricidad/Gas natural |
| Almacenamiento de hidrógeno: geológico y criogénico | ||
| Transporte de hidrógeno: gasoductos, camión y barcos | ||
| Transporte de amoniaco | ||
| Conversión del amoniaco | Hidrógeno | Amoniaco |
| Combustibles sintéticos | CHx | Hidrógeno + CO2 |
| Biomasa en combustibles | CHx | Biomasa |
En la figura 28 se muestra una vista preliminar de las estimaciones de costes de la producción de hidrógeno para varias tecnologías de electrolizadores. Los resultados se han recopilado de varias fuentes, como el EPRI, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (National Renewable Energy Laboratory), la Agencia Internacional de la Energía (IEA), el Laboratorio Nacional de Idaho, Bloomberg New Energy Finance y la Agencia Internacional de las Energías Renovables. Los datos se normalizaron a nivel de los principales componentes del sistema y se convirtieron en estimaciones de costes del proyecto que incluyen la construcción, la ingeniería, el diseño y cualquier coste del propietario asociado al desarrollo y la puesta en marcha del proyecto. Una observación clave de los resultados preliminares destaca la importancia de aumentar la eficiencia de la conversión tecnológica, ya que los costes de la materia prima y la energía dominan los costes globales nivelados de la producción.
# Próximos pasos
En la actualidad se están realizando esfuerzos para ampliar y continuar el desarrollo de las estimaciones de costes y rendimiento de las tecnologías con bajas emisiones de carbono. La meta es actualizar de forma continua los datos de entrada del modelo a medida que se completen las evaluaciones de las nuevas tecnologías, con la meta final de reunir un conjunto sólido de análisis tecnoeconómicos de producción, conversión, transporte, almacenamiento y suministro de AEC que puedan utilizarse para informar la toma de decisiones y guiar la priorización de la investigación para lograr la descarbonización de toda la economía. En la figura 29 se presenta una lista propuesta de tecnologías sobre las que se realizarían estudios sobre costes y rendimiento en el marco de la LCRI. No obstante, es importante señalar que, a medida que surjan nuevas tecnologías y se identifiquen las limitaciones de las tecnologías potenciales, esta lista se actualizará de forma continua.
A fin de desarrollar una visión prospectiva del coste y rendimiento de la tecnología, es indispensable que se conozcan de forma independiente y precisa el coste y el rendimiento de referencia. Una vez que se haya establecido esto, el equipo de la LCRI aplicará los aprendizajes que se obtuvieron del trabajo realizado en el marco de la iniciativa para identificar vías rentables y eficientes para la producción y el transporte de las AEC. La comprensión de los costes y el rendimiento en una resolución detallada también ofrece un camino para desarrollar proyecciones de costes que identifiquen qué áreas de mejora dentro de una tecnología individual podrían tener el mayor impacto. Esta comprensión más detallada de las posibles trayectorias del coste y el rendimiento de la tecnología a lo largo del tiempo permite una mayor fidelidad de los modelos y una base uniforme para comparar diversas tecnologías de baja emisión de carbono. Las metas finales del esfuerzo del Modelado del coste y rendimiento de la tecnología en el marco de la LCRI es identificar el coste y el rendimiento actuales y proyectados de cada una de las tecnologías dentro de la iniciativa con una fidelidad que permita la identificación de las áreas de investigación clave para cada uno de los TSC técnicos y que informe al TSC de análisis del sistema integrado de energía a la hora de identificar las vías alentadoras para la descarbonización de toda la economía.