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

Fundación 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

Hidrógeno como vector energético Índice Hidrógeno como vector energético Almacenamiento energético Problema de la gestión del sistema eléctrico Vehículo eléctrico y diversificación en transporte E

Hidrógeno como vector energético JAVIER

Hidrógeno: elemento y molécula Elemento más ligero y más abundante del UNIVERSO 75% de la masa 90% de sus átomos Corteza terrestre 10º elemento en peso, y 1º en número de átomos. 80% combinado en forma de agua. En la atmósfera, sólo 1 pmm Fusión Estelar: Dos átomos de Hidrógeno (H•) forman uno de Helio y proporcionan ingentes cantidades de energía 1 electrón Átomo Hidrógeno 1 protón Deuterio 3.2 MeV Tritio

Producción anual de hidrógeno ~ 5 EJ  41 Mt , 470 bcm Producción y almacenamiento de hidrógeno Producción actual de hidrógeno Producción anual de hidrógeno ~ 5 EJ  41 Mt , 470 bcm 95% de la producción es "cautiva", se consume in situ. 96% se produce por fuentes fósiles.

Producción y almacenamiento de hidrógeno Consumo actual de hidrógeno El hidrógeno se utiliza actualmente en la industria como materia prima, no como uso energético.

Producción 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 Vías de producción de hidrógeno Vías de producción de hidrógeno

Hidrógeno: ¿tercera revolución industrial? 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. 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.

¿Por qué hidrógeno? 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). 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).

¿Por qué las pilas de combustible? 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 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.

¿Por qué todavía no? 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. 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 JAVIER

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

Características de las diferentes tecnologías De Germany: Lead Market for Energy Storage & Fuel Cell Systems. Germany Trade and Invest

Características de las diferentes tecnologías De Germany: Lead Market for Energy Storage & Fuel Cell Systems. Germany Trade and Invest

Características de las diferentes tecnologías

Hidrógeno para acumular: ¿por qué y cuando? 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 5 kg H2 in 5 minutes = 33,3 kWh/min = 2 MW

Hidrógeno para acumular: ¿por qué no o cuando no? 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. 5 kg H2 in 5 minutes = 33,3 kWh/min = 2 MW

Problema de la gestión del sistema eléctrico JAVIER

Caso real…

Caso real…

Cuestiones sobre la gestión de la eólica Evacuación infrautilizada en los parques, conexión exterior limitada Rampas de +/- 1.500 MW/h Despeje de faltas y desconexión de parques Error de predicción

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

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

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

Almacenamiento de energía Resolución de la gestión del sistema Mix de renovables Agregación de producción Agregación de mercados Mejora de la predicción Gestión activa de la demanda Optimización de redes Nuevas tecnologías de distribución y transporte Centrales de reserva y de pico Almacenamiento de energía  Densidad de energía  Duración en ciclos  Medioambiente  Carga y descarga  Pérdidas  Rango de potencia  Madurez tecnológica  Coste por energía  Coste por potencia  Eficiencia global Bombeo de agua Volantes de inercia Aire comprimido Acumuladores electroquímicos Baterías redox Supercondensadores Bobinas superconductoras Hidrógeno

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

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

Otra cuestión: nuevas infraestructuras 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. De Germany: Lead Market for Energy Storage & Fuel Cell Systems. Germany Trade and Invest Energy Infrastructure 21. European Hydrogen Association

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 JAVIER

Diversificación en el transporte y sostenibilidad GLP Gas Natural Fischer-Tropsch DME (Dimetiléter) Metanol Etanol Biodiesel Electricidad Hidrógeno Motorizaciones híbridas Coche eléctrico (Pila de combustible) Elaboración propia a partir de estudios de LBST Motor de Combustión Interna Gasolina Gasóleo

Lo que existe es el vehículo eléctrico de pila de combustible El “coche de hidrógeno” Cortesía GM. El coche de hidrógeno NO existe… Existe Motor de combustión Motor Eléctrico Electrostático Electroquímico Químico Gasolina Gasóleo GNC GLP Bio Híbridos Hidrógeno Pila de combustible Lo 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. De Germany: Lead Market for Energy Storage & Fuel Cell Systems. Germany Trade and Invest Energy Infrastructure 21. European Hydrogen Association

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

Infraestructura de recarga Energy Infrastructure 21. European Hydrogen Association

Gracias por su atención Fundación para el Desarrollo de las Nuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón info@hidrogenoaragon.org www.hidrogenoaragon.org