Diversificación Energética y modelos de consumo y distribución: Hidrógeno

Cuarto Ciclo de Conferencias de la Cátedra para la Diversificación Industrial y Tecnológica – dic 2010 1

Diversificación Energética y modelos de consumo y distribución: Hidrógeno

Cuarto Ciclo de Conferencias de la Cátedra para la Diversificación Industrial y Tecnológica

Dr. Luis Correas UsónDirector GerenteFundación para el Desarrollo de lasNuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón


Fundación del Hidrógeno en Aragón


Apoyar al desarrollo de proyectos estratégicos y de futuro que creen empleo, generen riqueza y diversifiquen el tejido industrial a la vez que lo hacen más competitivo.

Desarrollar una agenda estratégica que contenga líneas maestras de los pasos a realizar y de un horizonte temporal para los mismos.

Crear una red de empresas industriales que cooperen y generen futuras oportunidades de negocio basado en las tecnologías del hidrógeno

Fundación del Hidrógeno en Aragón


Índice

Hidrógeno como vector energético

Almacenamiento energético

Problema de la gestión del sistema eléctrico

Vehículo eléctrico y diversificación en transporte


Hidrógeno como vector energético


Fusión Estelar:Fusión Estelar:

Dos átomos de Hidrógeno (H•) Dos átomos de Hidrógeno (H•)

forman uno de Helio yforman uno de Helio y

proporcionan proporcionan ingentes ingentes

cantidades de energíacantidades de energía

3.2 MeV3.2 MeV

Hidrógeno:Hidrógeno:

Elemento Elemento más ligeromás ligero y y más más

abundanteabundante del UNIVERSO del UNIVERSO

75% de la masa75% de la masa

90% de sus átomos90% de sus átomos

Corteza terrestre 10º elemento en Corteza terrestre 10º elemento en

peso, y peso, y 1º en número de átomos1º en número de átomos. .

80% combinado en forma de agua.80% combinado en forma de agua.

En la atmósferaEn la atmósfera, sólo 1 pmm, sólo 1 pmm

Deuterio

Tritio

1 electrón

Átomo Hidrógeno 1 protón

Hidrógeno: elemento y molécula


Producción y almacenamiento de hidrógeno

• 95% de la producción es "cautiva", se consume in situ.

• 96% se produce por fuentes fósiles.

Producción anual de hidrógeno ~ 5 EJ 41 Mt , 470 bcm

Producción actual de hidrógeno


Producción y almacenamiento de hidrógeno

El hidrógeno se utiliza actualmente en la industria como materia prima, no como uso energético.

Consumo actual de hidrógeno


Existen numerosos procesos para obtener hidrógeno (H2), varios de ellos bien conocidos desde el punto de vista industrial, y muchos otros en vías de desarrollo y que podrían desplazar a los primeros en el futuro.

Los industriales se basan en reacciones químicas a partir de combustibles, o la electrólisis del agua, bien directa o bien como subproducto.

Los procesos en desarrollo son muy variados y van desde los ciclos termoquímicos, los biológicos hasta la fotoelectrólisis.

Se van a ver en mayor detalle los procesos industriales y los ciclos termoquímicos en apartados siguientes.

Producción de hidrógeno


Producción de hidrógenoVías de producción de hidrógeno

Vías de producción de hidrógeno


El hidrógeno es un “vector” energético que puede obtenerse a partir de cualquier fuente de energía y agua. Como gas combustible, puede emplearse en automoción o en la producción de electricidad, generando agua como residuo.

Hidrógeno: ¿tercera revolución industrial?

Las pilas de combustible son dispositivos que convierten la energía química de un combustible, preferentemente hidrógeno, directamente en electricidad, sin generar contaminantes, con mucho menos ruido que un motor convencional y mayor eficiencia.

La combinación de hidrógeno y pilas de combustible responde a la tendencia hacia sistemas energéticos sostenibles, autosuficientes y no contaminantes. Por la magnitud del cambio tecnológico, se ha llegado a afirmar que representan la tercera revolución industrial.


El hidrógeno se puede obtener mediante numerosos procesos químicos bien establecidos, como la electrolisis del agua o el reformado del gas natural, lo cual responde a una posible necesidad o tendencia hacia la autosuficiencia energética (escala local o escala de sistema energético).

¿Por qué hidrógeno?

Como combustible alternativo a los derivados del petróleo, que suponen el 98% de la cobertura del transporte, es el único combustible que podría cubrir toda la demanda con fuentes autóctonas, en el caso de Europa (200 – 300 millones de vehículos). [Fuente LBST]

Como almacenamiento de energía, presenta una densidad energética entre 3 y 10 veces mayor que las baterías electroquímicas avanzadas (compara 0,15 kWh/kg con 1,4 kWh/kg, en peso, o 0,25 kWh/L con 0,8 kWh/L en volumen).


Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que convierten directamente la energía química de un combustible en electricidad. Al no requerir de una conversión de calor en energía mecánica, como las máquinas térmicas, su eficiencia es mayor en general y no se ve penalizada al operar a bajas temperaturas. El calor útil también se puede recuperar.

¿Por qué las pilas de combustible?

Por su propia concepción, pueden ser escaladas tanto a pequeñas potencias (mW) como a grandes potencias (MW), y que ya han sido llevadas a la práctica, sirviendo para numerosas aplicaciones muy diversas.

Las pilas de combustible son generadores de electricidad que, a diferencia de una batería electroquímica, permiten desacoplar la potencia a generar de la energía a almacenar (funcionan mientras se les pueda alimentar de combustible) y por lo tanto, independizan la recarga del propio funcionamiento.


El hidrógeno es gas en condiciones normales, y tiene una densidad energética por volumen muy baja con respecto a los combustibles líquidos y gaseosos convencionales, entre 5 y 10 veces peor, incluso utilizando altas presiones. El objetivo es igualar autonomía de los vehículos, y con 400 km actualmente.

¿Por qué todavía no?

Tecnologías en competencia: las pilas de combustible son más complejas que las baterías electroquímicas y mucho más caras que los motores convencionales (6.000 €/kW frente a 100 €/kW). Se requiere de industrialización, estandarización y economías de escala para poder rebajar este coste, factible por otro lado.

La eficiencia global de la conversión electricidad – hidrógeno – electricidad es reducida (teórica hasta del 40%, en la práctica del 25%), lo que impide actualmente su utilización como un regulador de la electricidad no gestionable (no hay suficiente incentivo económico).


De economía del hidrógeno a mercados incipientes

“Las tecnologías del hidrógeno y las pilas de combustible representan una elección estratégica para Europa. En los próximos 20 a 30 años cambiarán considerablemente los patrones de nuestra sociedad y nuestra economía, trayendo un modelo de producción y distribución de energía descentralizado y más limpio”

Romano Prodi, Presidente UE

(Conferencia “La economía del Hidrógeno – un puente a la energía sostenible, 16-17 de junio de 2003)

El compromiso firme de la Comisión Europea y la agrupación industrial New Energy World es de aportar conjuntamente 940 millones de euros de 2008 a 2013 a través de la JTI.


Almacenamiento energético


La acumulación de la energía

Nuestro sistema energético se basa en hidrocarburos y electricidad (nuestros vectores energéticos)

Los hidrocarburos están almacenados de forma natural, aunque su logística es muy compleja.

La electricidad se acumula muy mal (dificultad técnica en grandes cantidades, y en cualquier caso, caro)

El aumento de la relevancia de las energías renovables (estacionales o con alta variabilidad) imponen nuevos requisitos de almacenamiento.


Criterios en acumulación de la energía

De Germany: Lead Market for Energy Storage & Fuel Cell Systems. Germany Trade and Invest


Características de las diferentes tecnologías


****

****

****

**

***

***

*

***

*

Cost/kW

40

90

90

70

70

70

70

70

75

Efficiency

10 kW – 1 MW

Seconds -days

**************Hydrogen

10 kW – 1 MW

Seconds************Supercondensers

1 – 100 MWSeconds*************SMES

50 kW – 10 MW

Hours –days

************Na – S battery

1 kW – 40 MW

Seconds –hours

*************Ni – Cdbattery

1 kW – 40 MW

Minutes –hours

************Lead acid battery

100 – 1000 MW

Hours –days

****************Compressed air

10 – 100 KwSeconds –minutes

***************Flywheels

100 – 1000 MW

Hours –days

******************Water pumping

Power bandDischarge time

Environmentally friendly

Cost/kWhLife in cycles

Energy density

State of the art

Technology

****

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***

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Cost/kW

40

90

90

70

70

70

70

70

75

Efficiency

10 kW – 1 MW

Seconds -days

**************Hydrogen

10 kW – 1 MW

Seconds************Supercondensers

1 – 100 MWSeconds*************SMES

50 kW – 10 MW

Hours –days

************Na – S battery

1 kW – 40 MW

Seconds –hours

*************Ni – Cdbattery

1 kW – 40 MW

Minutes –hours

************Lead acid battery

100 – 1000 MW

Hours –days

****************Compressed air

10 – 100 KwSeconds –minutes

***************Flywheels

100 – 1000 MW

Hours –days

******************Water pumping

Power bandDischarge time

Environmentally friendly

Cost/kWhLife in cycles

Energy density

State of the art

Technology



Necesidad de empaquetar alta densidad de energía en espacio o peso reducido:

- Aplicaciones de movilidad con tren de potencia eléctrico.- Almacenamiento a bordo a 350 bar es estándar, a 700 bar

da la misma autonomía que los turismos convencionales.

Necesidad de autoabastecimiento con almacenamiento estacional en ubicaciones aisladas:

- Sistemas 100% autónomos con producción de hidrógeno.

Necesidad de desacoplar energía y potencia:- Generadores de respaldo- Recarga de vehículos eléctricos: hidrógeno frente a carga

de baterías

Oportunidad para vincular sector eléctrico y automoción- Disponibilidad de fuentes de electricidad de “oportunidad”

(exceso de eólica, posibilidad de gestión de red)- Uso racional de las infraestructuras eléctricas existentes- Esquemas de producción distribuida en la escala del MW

Hidrógeno para acumular: ¿por qué y cuando?


Si no hay necesidad de almacenar electricidad, no hay que producir hidrógeno.

Si la eficiencia del ciclo cerrado es fundamental, el almacenamiento electroquímico o electrostático da mejores resultados.

Si hay condiciones geográficas especiales, el bombeo reversible o el almacenamiento de aire comprimido puede ser más eficiente en costes. Del mismo modo si no hay problemas con el refuerzo de las redes eléctricas.

Si la escala temporal del balance de red no es estacional o al menos diario, otras tecnologías son más adecuadas.

El valor de hidrógeno almacenado debe concordar con el precio en el mercado de electricidad o de combustibles. Los incentivos pueden jugar un papel en la fase de adopción de la tecnología.

Hidrógeno para acumular: ¿por qué no o cuando no?


Problema de la gestión del sistema eléctrico


Caso real…


Cuestiones sobre la gestión de la eólica

Rampas de +/- 1.500 MW/hEvacuación infrautilizada en los parques, conexión exterior limitada

Despeje de faltas y desconexión de parques

Relative Error (Forecast .vs. Real Production)

0

10

20

30

40

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43Forecast Horizon (hours)

Rel

ativ

e E

rro

r (%

)Error de predicción


Eólica y mercado eléctrico

Jorgensen, Ropenus, international journal of hydrogen energy 33 (2008) 5335 – 5344.

La mayor dificultad de gestionar altos porcentajes de energía eólica en la red se traducen en mayor volatilidad de precios.

Se muestra en la figura la evolución de precios en la zona Dinamarca Oeste, con casos extraordinarios de caídas del precio a cero o a 10-20 más del precio promedio.


Eólica y mercado eléctrico


Mediante estudios probabilísticos, se deduce que el número de horas anuales en los que la electricidad se venda a precio cero en el pool va a aumentar.

Esto resulta perjudicial para el productor, pero abre oportunidades para el almacenamiento.

Estos estudios son válidos dentro de una gestión del pool similar a la actual.


Potencia instalada de compensación


Para poder absorber una eventual potencia eólica sobrante hace falta potencia de consumo para compensación.

En estos estudios para Dinamarca Oeste, se ve que el 20% actual de porcentaje de eólica requiere 900 MW que se consiguen por exportación. Con 50% de porcentaje, se requieren 3.000 MW para poder resolver en el 90% de los casos.


Resolución de la gestión del sistema

Mix de renovablesAgregación de producciónAgregación de mercadosMejora de la predicciónGestión activa de la demandaOptimización de redesNuevas tecnologías de distribución y transporteCentrales de reserva y de pico Almacenamiento de energíaBombeo de aguaVolantes de inerciaAire comprimidoAcumuladores electroquímicosBaterías redoxSupercondensadoresBobinas superconductorasHidrógeno

Densidad de energía Duración en ciclos Medioambiente Carga y descarga Pérdidas Rango de potencia Madurez tecnológica Coste por energía Coste por potencia Eficiencia global


Gestión mediante bombeo reversible



Gestión mediante aire comprimido



Otra cuestión: nuevas infraestructuras


Energy Infrastructure 21. European Hydrogen Association

En el caso de mayores porcentajes de eólica se requerirán nuevas infraestructuras para llevar la generación a los puntos de consumo.

Los países costeros del mar del Norte tienen sus potenciales consumidores lejos de la costa.

Las infraestructuras de transporte tienen una capacidad y un coste, que hay que tener en cuenta.


La acumulación de la energía: resumen

Hay estimaciones de las necesidades de almacenamiento por parte de diversos estudios:

- 28 GW en Alemania para 2025 (BCG, 2010)- Entre 89 GW y 205 GW en todo el mundo para 2050

(AIE, 2008)

Bombeo hidráulico, eficiente y fiable, aunque muy limitado por geografía y aceptación social.

Aire comprimido, todavía es una tecnología en adopción.

Hidrógeno en cavernas de sal todavía debe ser demostrado y los costes reducidos. Se puede explotar adicionalmente la vinculación con el transporte.

Gestión de la red mediante recarga de vehículo eléctrico es marginal por su impacto potencial.


Vehículo eléctrico y diversificación en transporte


Elaboración propia a partir de estudios de LBST

Diversificación en el transporte y sostenibilidad

GLPGas NaturalFischer-TropschDME (Dimetiléter)MetanolEtanolBiodieselElectricidadHidrógeno

GasolinaGasóleo

Motor de Combustión Interna

Motorizaciones híbridasCoche eléctrico(Pila de combustible)


El “coche de hidrógeno”

El coche de hidrógeno NO existe…

Cortesía GM.

Existe

Motor de combustión Motor Eléctrico

HíbridosGasolinaGasóleoGNCGLPBio

ElectrostáticoElectroquímicoQuímico

Pila de combustibleHidrógenoLo que existe es el vehículo eléctrico de

pila de combustible


Sustitutos de los combustibles fósiles

Nº de Vehículos de pasajeros que pueden alimentarse a partir de Recursos Energéticos Renovables en Europa después de 2020

[EU15] (Fuente LBST)


Vehículo eléctrico enchufable vs hidrógeno



Comparativas entre vehículos eléctricos de batería y de pila de combustible.

En eficiencia del ciclo completo, es superior la batería.

En recarga, es mejor el hidrógeno.

También lo es en autonomía y en relación de pesos.


Almacenamiento de hidrógeno

Comparativa de densidad energética de almacenamiento entre baterías avanzadas e hidrógeno (diversos métodos) (Fuente BMW)


Infraestructura de recarga



Gracias por su atención

Fundación para el Desarrollo de las Nuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón

[email protected]

www.hidrogenoaragon.org

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