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Hidrogeno. Estado del Arte
- 1. 1 Académico. Ing. Nelson Hernández (Energista) Blog: Gerencia y Energía La Pluma Candente Twitter: @energia21 Enero 2021 HIDROGENO Estado del Arte
- 2. 2 Fuente: Siemens Energy Infografía: Nelson Hernández Descarbonización y sustentabilidad del sistema energético Nota: Es una grafica GIF en modo presentación
- 3. 3 Aumentar la eficiencia energética en todos los sectores productivos y de servicios Eficiencia Energética En procesos donde no son sustituibles los combustibles fósiles Remoción y captura de CO2 Usos energías verdes en sectores no electrificables Combustibles zero emisión CO2 Proporcionar electricidad limpias a todos los sectores Electrificación de la economía Descarbonizar el suministro de electricidad Electricidad con menos CO2 Fuente: Aspeninstitute Infografía: Nelson Hernández Cinco elementos para alcanzar una profunda descarbonización del sistema energético
- 4. Fuente: BP /IEA / Ajustes: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Mundo. Demanda real y Prospectiva energética (1965 – 2040) Renovables Nuclear Carbón Gas Petróleo 600 500 400 300 200 100 EJ 0 1965 - 2040 Histórico Prospectiva (*) Renovables: Biomasa, Eólica, Solar, Hidroelectricidad, Geotermal (*) Escenario aumento temperatura < 1.5 °C 575 18.5 % 18.0 % 11.8 % 12.1 % 39.6 %
- 5. 5 Fuente: EIA / Adaptación: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Etapas de la Innovación Economía de escala Prototipo Demostración Adopción temprana Madurez Nicho de mercados 1er escala comercial 1ra Generación Final del prototipo Potencial futuro (disruptor) 2da Generación Transferencia Conocimiento 3ra Generación (nuevas ideas provenientes de la experiencia) Mejoras continuas Etapasdelainnovación Tiempo
- 6. 2020 20705040353025 60 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 PrototipoMaduras Adoptadas Demostración Mundo (cero emisión). Tecnologías en reducción de emisiones CO2 (GT/año) Fuente: EIA (2020) (escenario sustentable) Adaptación: Nelson Hernández Infografía: Nelson Hernández 435 tecnologías que cubren las áreas de: Transformación energética Transporte Industria Inmuebles Infraestructura CO2 https://www.iea.org/articles/etp-clean-energy-technology-guide 50 Tecnologías son de H2
- 7. 7 EólicaGasPetróleoCarbónAgua Solar Electricidad Hidrógeno Se denomina vector energético a aquellas sustancias o dispositivos que almacenan energía, de tal manera que ésta pueda liberarse posteriormente de forma controlada. Se diferencian de las fuentes primarias porque son productos manufacturados, en los cuales se invierte una cantidad mayor de energía para su obtención, y entre los cuales se encuentran la electricidad y el hidrógeno. Conceptualización: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Vector energético
- 8. 8 Baja emisión CO2 Cero emisión CO2 Alta emisión CO2 Hidrogeno Azul Insumo: CH4 Proceso: Gas de síntesis CO2 es capturado y almacenado Hidrogeno Verde Insumo: H2O Proceso: Electrolisis No produce CO2 Hidrogeno Gris Insumo: CH4 Proceso: Gas de síntesis CO2 arrojado a la atmosfera Hidrogeno Marrón Insumo: Carbón e Hidrocar Proceso: Gas de síntesis CO2 arrojado a la atmosfera Fuente: CERTYFHY Adaptación: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Clasificación de la producción de hidrogeno
- 9. 9 Veces PROPIEDAD Hidrógeno (H2) Metano (CH4) CH4/H2 Densidad (en estado gaseoso), Kg/kPC 2.52 18.6 7.38 Densidad (en estado líquido), Kg/lit 0.0708 0.45 6.35 Temperatura de ebullición, °C -252.76 -161.00 0.64 Energía por PC gaseoso, BTU 287 1000 3.48 Energía por Kg (liquido), BTU 113855 42767 0.37 Energía por litros (liquido), BTU 8058 19245 2.39 Velocidad de llama, cms/seg 346 43.2 0.12 Rango mínimo de ignición en aire, % 4 24 6.00 Energía de ignición, BTU 18.96 1.9 0.10 Recopilación: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Propiedades del Hidrogeno y del Metano
- 10. CO2 HH Gasificador / Reformador OCO2 H Gasificador / Reformador Captura y almacenamiento de C Electrolizador Gris VerdeAzul Hidrogeno. Procesos de obtención Conceptualización: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández EólicaGasPetróleoCarbónAgua Solar
- 11. 11 Fuente: SHELL / Adaptación: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Procesos para la producción de hidrogenoEnergía Primaria Energía Secundaria Conversión Producto Intermedio Portador Final de Energía Biomasa Algas Solares Solar Eólica Nuclear Biometano Biogas Etanol Aceites Electricidad Carbón Petróleo Gas Natural * Reformación CH4 * Oxidación parcial * Reformación autotermal Conversion Bioquímica Electrolisis Conversión Termoquímica Syngas
- 12. Fuente: http://apilados.com/blog/almacenamiento-hidrogeno-comprimido-tipos-tanques/ Adaptación: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Almacenamiento del hidrogeno H2 liquido Hidrogeno químico Hidruro complejo Hidruro intersticial Liquido orgánico Adsorbente Ej: NH3BH3Ej: NaAlH4Ej: LANi5H6Ej: BN Metil ciclopentano Ej: MOF-5 Frio/Criog comprimido Gas comprimido Estado Físico Estado Químico
- 13. 13 148168 BTU/kg H2 gaseoso H2 liquido 113855 BTU/kg Proceso de licuefacción Consumo proceso licuefacción 34313 BTU/kg Elaboración: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Balance energético licuefacción del hidrogeno
- 14. 14 Fuente: IEA 2019 Adaptación: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Mundo. Producción de Hidrogeno 2019 Grafico Dinámico: https://public.flourish.studio/visualisation/4785040/
- 15. CGH2 CGH2CGH2 CGH2 LOHC LOHC CGH2 LOHC CGH2 LOHC NH3 NH3 Inviable Fuente: BloombergNEF (2020) Adaptación: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Transporte del H2 en función de volumen y distancia ($/kg) Distancia (km) Volumen(Ton/día) 1 10 100 1000 10 100 100001000 0 1 Transmisión Hidrogductos Distribución Hidrogductos Camiones Pequeño InternacionalInter ciudadUrbanoLocal Grande CHH2= H2 comprimido LOHC= H2 orgánico liquido H2 Liquido Amoniaco
- 16. 0 2 4 6 8 10 % Condicionado Permitido Alemania Bélgica Inglaterra Japón Holanda Finlandia Lituania Suiza Austria España Francia USA (California) Fuente: Dolci et al (2019) Adaptación: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Limite de hidrogeno en gasoductos (%) Limite máximo aplica * En Alemania cuando no esta conectada una estación de CNG a la red * En Lituania cuando la presión en la red es mayor de 203 psi * En Holanda cuando el gas tiene un alto poder calorífico
- 17. Sistema Integrado del Hidrogeno Verde Red Eléctrica Solar Concentrada Solar PV Eólica Generación Eléctrica Batería Nuclear Hidrogeno Almacenamiento y Distribución Otros Usos Generación de Hidrogeno Metalurgia Amonio Valor Agregado Aplicaciones H2 y CH4 Infraestructura Transporte Vehicular Combustt Sinteticos Mejoram Crudo/ Biomasa Fuente: EIA / Adaptación: N. Hernández Infografía: Nelson Hernández
- 18. 18 Fuente: http://unidades.climantica.org/es/unidades/02/uso- actual-da-enerxia/alternativa-do-hidroxeno/3 Infografía: Nelson Hernández Celda de combustible (H-O) Energía Eléctrica
- 19. 19
- 20. 20 Electrolisis Captura CO2 Tra-Alm-Dist Inversor DC/AC Carga batería H2 a electricidad Inversor AC/DC Eficiencia motor 100 % electric renovab 100 % electric renovab100 % electric renovab 5 % PE 30 % PE 30 % PE 37 % PE 26 % PE 5 0 % PE 10 % PE 5 % PE 5 % PE 5 % PE 10 % PE 5 % PE 70 % PE Eficiencia en la Producción 95 % 52 % 44 % Eficiencia Total 73 % 22 % 13 % Delpozo Altanque Deltanquealarueda Fuente: Transport & Environment / Adaptación: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Comparación de eficiencia : Vehículos eléctricos Vs H2V Carga Directa Vehículo a batería Electricidad a liquido Vehículo convencional Hidrogeno Vehículo a fuel cell PE: Perdida energética
- 21. 21 Fuente: IHS Markit (2020) Adaptación: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Hidrogeno. Cadena de Valor Gasificación (Syngas) Electrolisis (Agua) Re - conversión Amonia /Metanol / LOHC Conversión CH4 sintético Uso directo Electrolisis agua local +CO2 / CO (mecanización) Industria Uso final Domestic Comerc. Potencia Movilidad H2 liquido H2 Gaseoso Hidrogducto H2 liquido o o o Producción Usos FinalesAlmacenaje, Transporte y Distribución o
- 22. 22 Costo del Electrolizador ($/KW) 750 500 250 LCOE ($/MWH) 0 5.7 2.8 1.9 1.4 1.1 4.2 2.1 1.4 1.1 0.9 2.8 1.4 0.9 0.7 0.6 10 6.1 3.3 2.4 1.9 1.6 4.7 2.6 1.9 1.5 1.3 3.2 1.9 1.4 1.2 1.0 20 6.6 3.8 2.8 2.4 2.1 5.2 3.0 2.3 2.0 1.8 3.7 2.3 1.9 1.6 1.5 30 7.1 4.2 3.3 2.8 2.5 5.6 3.5 2.8 2.5 2.2 4.2 2.8 2.3 2.1 2.0 40 7.5 4.7 3.8 3.3 3.0 6.1 4.0 3.3 2.9 2.7 4.6 3.2 2.8 2.6 2.4 50 8.0 5.2 4.2 3.7 3.5 6.5 4.4 3.7 3.4 3.2 5.1 3.7 3.2 3.0 2.9 100 10.3 7.5 5.5 6.1 5.8 8.9 6.7 6.0 5.7 5.5 7.4 6.0 5.6 5.3 5.2 Factor de carga (%) 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 > a 4 $/Kg entre 3 y 4 $/Kg entre 2 y 3 /Kg < a 2 $/Kg Fuente: Hydrogen Council / Mckynsey (2020) Adaptación: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Hidrogeno Verde (H2V). Costo de producción ($/Kg) Viable en el mediano plazo (antes del 2030)
- 23. 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 50 100 CL = 1.7575 * CP -0.366 CL=Costodelicuefacción($/Kg) CP = Capacidad de producción (Ton/dia) Fuente: Cardella et al Adaptación: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Hidrogeno Verde (H2V). Estimado costo de licuefacción ($/Kg) Curva para electricidad a 0.06 $/KWh
- 24. 24 Comparación Costos GNL y H2V Produccion Licuefaccion Transporte Regasificacion Total LNG Alto ($/MBTU) 1.2 1.3 1.8 0.6 4.9 Bajo ($/MBTU) 0.6 0.9 0.5 0.4 2.4 H2V $/kg 2.0 0.9 0.6 0.2 3.7 $/MBTU 17.5 7.9 5.3 1.8 32.4 Fuente: McKinsey / IEA / BP Infografía: Nelson Hernández
- 25. CGH2 CGH2CGH2 CGH2 LOHC LOHC CGH2 LOHC CGH2 LOHC NH3 NH3 Inviable Fuente: BloombergNEF (2020) Adaptación: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Costo transporte del H2 en función de volumen y distancia ($/kg) Distancia (km) Volumen(Ton/día) 1 10 100 1000 10 100 100001000 0 1 Transmisión Hidrogductos Distribución Hidrogductos Camiones Pequeño InternacionalInter ciudadUrbanoLocal Grande CHH2= H2 comprimido LOHC= H2 orgánico liquido H2 Liquido Amoniaco 0.05 – 0.100.05 0.06 – 0.220.05 – 0.06 0.06 – 1.22 + 3.00.58 – 3.00.10 – 0.58 <3.0 + 3.0 3.87 – 6.70.96 – 3.870.68 – 1.730.65 – 0.76 3.87 – 6.70.96 – 3.870.68 – 1.730.65 – 0.76
- 26. Fuente: IEA 2020 Infografía: Nelson Hernández Hidrogeno Verde (H2V). Costo producción ($/Kg)
- 27. 0 50 100 150 200 250 300 350 $ / MWH 2010 2019 Bio Combustibles Geotérmica Hidroelectricidad Solar PV Solar Térmica Eólica Marina Eólica Tierra Energías alternativas. Variación LCOE (2010 – 2019) Fuente: IRENA 2019 Infografía: Nelson Hernández Rango energías fósiles 27
- 28. 28 Incertidumbre de la demanda Complementariedad Bajos costos de producción Utilización Economía de escala Aceleración demanda de H2V Fuente: Hydrogen Council Adaptación: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Factores para crear un mercado de H2V
- 29. Europa Oriental (6.9 %) Sur y Centro América (3.3 %) Sur Este Asia (3.6%) África (2.5 %) Europa Central (1.7 %) Canadá (2.5 %) Japón (1.5 %) Otros (3.1 %) China (32.2 %) Europa Occidental (8.3 %) USA (11.7 %) Medio Oriente (15.6 %) Asia Sur Oriental (7.2 %) 115 MTH2 Fuente: IHS Market (2018) Adaptación: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Mundo. Consumo de Hidrogeno 2017
- 30. 30 •Francia: Producción de H2V para la industria y tecnología para transporte, con metas de 50 mil vehículos ligeros a hidrógeno en el 2028 y 1000 estaciones surtidoras de H2V. •Alemania: Centrada en focos en tecnologías de transporte (Celdas de combustibles) y almacenamiento energético (P2G) •Japón: Aplicación en sector de movilidad, tecnología para exportación, uso residencial e industrial. Metas de 900 estaciones de servicio para 800 vehículos en el 2030 y 5.3 millones de viviendas con calefacción a H2 •Corea del Sur: Enfocada en la producción de celdas de combustibles, exportación y adaptación de tecnología en el sector transporte. 41 mil buses a hidrógeno en el 2040. •Australia: Centrada en la producción de H2V para exportación, tecnologías de almacenamiento y descarbonización del transporte mediante celdas de combustibles •USA (California): La estrategia esta focalizada en el transporte , con metas de 1 millón de vehículos a hidrógeno en el 2030, con 33 % de estos con H2V •Chile: Con plan estratégico para producir H2V para exportación y consumo interno en el sector transporte, principalmente. Recopilación: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Países con estrategias definidas en H2V
- 31. 0 50 100 150 200 250 300 Generación eléctrica Transporte Industrial Inmuebles Nuevo materia prima Actual Materia prima 115 (2020) 285 (2050) 12.8 % 11.5 % 14.2 % 20.6 % 29.4 % 11.5 % Prospectiva Fuente: IEA / IRENA / Hydrogen Council Ajustes y Adaptación: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Mundo. Prospectiva demanda de hidrogeno (2015 -2050) (MTH2)
- 32. 32 • El H2V es una solución viable para el desafío de la descarbonización global. El aumento de su competitividad al reducir sus costos es hoy posible para muchas aplicaciones. • Los beneficios de la economía del hidrógeno, llevan implícitos la seguridad energética para los países que decidan producirlo, ya que solo necesitan de insumo básico agua y electricidad (solar – eólica), los cuales, en mayor o menor cuantía, existen en todos los países. • La abundancia relativa del hidrógeno crea oportunidades de negocios en toda su cadena de valor, donde está presente la economía circular por la marcada reciclabilidad de equipos e insumos utilizados para su producción y consumo. • Aun hay mucho camino que recorrer para la consolidación del H2V, ya bien sea como materia prima o como energético. Su potencial esta allí, solo es cuestión de tiempo para mejorar las tecnologías que permiten su producción, almacenamiento, transporte y distribución para que sea consumido de una manera eficiente por los sectores productivos y de servicios. El H2V llego para quedarse. Conceptualización: N. Hernandez Infografía: Nelson Hernández Lecciones Aprendidas
- 33. 33 Académico. Ing. Nelson Hernández (Energista) Blog: Gerencia y Energía La Pluma Candente Twitter: @energia21 Enero 2021 HIDROGENO Estado del Arte … Muchas Gracias!