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Generación de energía
# Presentación
Según se señaló con anterioridad en este documento, la generación de energía es la mayor fuente de emisiones de GEI en la economía energética. Aunque se ha avanzado de forma considerable en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) mediante la implementación de una generación de electricidad más limpia y el aumento de la eficiencia energética, seguirá siendo necesario contar con opciones flexibles y según la demanda para la generación de energía. El TSC de generación de energía se centra en las tecnologías que permiten el uso de las portadores de energía alternativa (AEC), como el hidrógeno, el amoniaco, los combustibles sintéticos y los biocombustibles, para la generación de energía eléctrica, y las compensaciones entre las AEC y los combustibles de hidrocarburos con captura y almacenamiento de carbono (CCS). Es de esperar que las turbinas de gas, los generadores de vapor con recuperación de calor (HRSG) con los quemadores de las tuberías, las calderas, los motores de combustión interna alternativos (RICE) o los ciclos de energías alternativas, como el CO2 supercrítico que funciona con las AEC, sean algunas de las opciones tecnológicas clave capaces de respaldar una red eléctrica limpia.
El uso de las AEC para la generación de energía puede llevarse a cabo de dos maneras:
con la utilización de los activos de generación de energía existentes alimentados por combustibles tradicionales combinados con las AEC, y
con las tecnologías de generación de energía que utilicen las AEC puras.
# Activos de generación de energía existentes combinados con las AEC
Las turbinas de gas, las celdas de combustible, los RICE y las calderas podrían estar listos para su funcionamiento comercial con combustibles combinados en los próximos 10 años, pero su amplia implementación dependerá quizás del éxito de las demostraciones de campo a corto plazo. La medida en que la flota actual para la generación de energía acabe pasando a los combustibles combinados puede depender de la capacidad de los equipos y el hardware, los cambios en la política, los incentivos financieros y la disponibilidad de cantidades suficientes de AEC a un precio aceptable. Es preciso superar los obstáculos técnicos para permitir un funcionamiento seguro y confiable de los activos de combustión con combustibles combinados. Numerosos estudios a escala de laboratorio y piloto se han centrado en las características de la combustión y los resultados sugieren que la combinación de combustibles podría llevarse a cabo con modificaciones en los equipos existentes. No obstante, es necesario realizar pruebas a escala real para garantizar que se comprenda el comportamiento de las operaciones en la gama de condiciones que se espera que funcionen estas máquinas. Las pruebas a escala real también brindarían la información necesaria sobre los impactos en los equipos BOP, las tecnologías de control ambiental (por ejemplo, los sistemas de reducción catalítica selectiva), las operaciones y controles y la capacidad y durabilidad de los materiales.
# Tecnologías de generación de energía que utilizan las AEC puras
El funcionamiento de las celdas de combustible con hidrógeno puro para la generación de energía ya ha superado la fase de demostración, con muchas instalaciones a escala comercial en Corea del Sur (Power Engineering, 2020). Ahora bien, es necesario seguir mejorando el rendimiento y el coste de la tecnología de las celdas de combustible para que su uso se generalice en las aplicaciones de generación de energía. Se necesitan esfuerzos adicionales de desarrollo para madurar las turbinas de gas, los HRSG, las calderas y los RICE para que funcionen con hidrógeno puro y, si se aceleran los esfuerzos de investigación, estas tecnologías podrían estar listas para su demostración en campo antes del año 2030. El uso de amoniaco con las tecnologías de combustión o de celdas de combustible se encuentra en una fase más incipiente y probablemente esté más lejos de la demostración de campo.
Siguen existiendo importantes obstáculos técnicos en el uso del hidrógeno para la combustión o del amoniaco para las celdas de combustible o la combustión, pero la vía de desarrollo para cada combustible es similar e incluye lo siguiente:
estudios de modelado y modificaciones de diseño;
estudios a escala de laboratorio y piloto;
pruebas a escala real en varios lugares para diversas aplicaciones, y
definición e implementación de códigos y estándares.
# Preguntas clave de la investigación
Teniendo en cuenta la generación cada vez mayor de energías renovables (eólica y solar), ¿cuáles son las proyecciones de mercado a corto y largo plazo (demanda, ciclos de servicio) para los sistemas de generación de energía con base en AEC?
En función de las proyecciones sobre la mezcla para la generación de electricidad, ¿cuáles son los principales factores que impulsan la sostenibilidad a corto y largo plazo de las diferentes opciones de generación de energía con base en AEC (por ejemplo, el índice de calor, la respuesta de carga y la flexibilidad, los impactos en la seguridad y el medioambiente, la infraestructura existente, los costes de conversión, los costes de los nuevos equipos, la ubicación geográfica)?
¿Qué AEC y tecnologías de generación de energía son las más promisorias para las necesidades a corto plazo en la transición continua de la energía y cuáles son las mejores para la sostenibilidad a largo plazo de un futuro descarbonizado?
¿Cuáles son los desafíos tecnológicos clave o las brechas en el conocimiento que deben tratarse para desarrollar y acelerar tecnologías promisorias de generación de energía con base en AEC (por ejemplo, dinámicas de combustión, emisiones de óxido de nitrógeno, impactos de hardware)?
¿Cuáles son los costes de desarrollo y los plazos realistas para que estas tecnologías estén disponibles comercialmente para su explotación con los diversas AEC?
¿Quiénes son las partes interesadas y colaboradores clave (por ejemplo, los fabricantes de equipos originales, los ingenieros y operadores de centrales eléctricas, los proveedores de combustible) que deben participar para lograr los objetivos de coste y rendimiento que permitan que estas soluciones estén disponibles cuando se necesiten?
# Esfuerzos de la investigación
El objetivo general de la investigación para este TSC es comprender y perfeccionar las tecnologías de generación de energía que sirvan de respaldo para la transición a un futuro descarbonizado con el uso de las AEC combinadas o puras.
A continuación se presenta un resumen del esfuerzo de investigación propuesto y de las metas asociadas.
# Metas de la investigación
# Meta 1: Realizar análisis de mercado y de sostenibilidad
Estrategia 1: Determinar los factores clave para comprender el papel potencial de las tecnologías de generación de energía basadas en las AEC en un futuro descarbonizado
- Acción: Definir la demanda y los ciclos de servicio a medida que cambie la mezcla de generación eléctrica prevista y se requieran tecnologías adicionales capaces de aportar flexibilidad al sistema eléctrico. Se considerará la importancia del índice de calor, la respuesta de la carga y la flexibilidad, la infraestructura existente, los costes de conversión, los costes de los nuevos equipos y la ubicación geográfica.
# Meta 2: Identificar y dirigir las iniciativas para acelerar el desarrollo tecnológico avanzado
Estrategia 1: Abordar la necesidad de realizar pruebas a escala comercial/real
- Acción: Se identificarán las tecnologías alentadoras de generación de energía con base en AEC a partir del análisis de la meta 1, y se determinarán las necesidades clave de I+D para acelerar estas tecnologías.
# Meta 3: Apoyar la integración de los sistemas y las tecnologías a gran escala
Estrategia 1: Diseñar y ejecutar proyectos de desarrollo y demostración para abordar las perspectivas integrales de la generación de energía basada en AEC
- Acción: Se seleccionarán trabajos de I+D a partir de la evaluación de la meta 2 y se ejecutarán para abordar los principales desafíos y acelerar las promisorias tecnologías de generación de energía basada en AEC.
Estrategia 2: Llevar a cabo análisis tecnoeconómicos y estudios de impacto en el plazo
- Acción: A partir de las metas anteriores, se desarrollarán los costes y los plazos para la implementación comercial de las promisorias tecnologías para la generación de energía con base en la AEC.
# 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 23). 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 de seguridad e impactos en el hardware (materiales) de la manipulación, el transporte, el almacenamiento y la combustión del hidrógeno, el amoniaco y otras AEC.
Aspectos medioambientales del almacenamiento geológico del hidrógeno.
Impulsores del uso final e impactos de la demanda en el suministro de combustible bajo en carbono.
Capacidades de producción y suministro de las AEC.
Rendimiento del sistema, modelos de análisis tecnoeconómicos y del ciclo de vida y comparaciones de las aplicaciones (las AEC frente a los combustibles actuales con CCS).
Aspectos transversales de los subsistemas y componentes que se utilizan en el sector industrial y para aplicaciones de transporte pesado que podrían aprovecharse para la generación de energía a escala de servicios públicos.