Análisis económico de la producción de hidrógeno verde por electrólisis a partir de fuentes de energía renovables

Cada vez más países comienzan a establecer objetivos estratégicos para la energía del hidrógeno, y algunas inversiones tienden al desarrollo de tecnología de hidrógeno verde. La UE y China están liderando este desarrollo, buscando ventajas de ser los primeros en moverse en tecnología e infraestructura. Mientras tanto, Japón, Corea del Sur, Francia, Alemania, los Países Bajos, Nueva Zelanda y Australia lanzaron estrategias de energía de hidrógeno y desarrollaron planes piloto desde 2017. En 2021, la UE emitió un requisito estratégico para la energía de hidrógeno, proponiendo aumentar la capacidad operativa. de producción de hidrógeno en celdas electrolíticas a 6 GW para 2024 apoyándose en la energía eólica y solar, y a 40 GW para 2030, la capacidad de producción de hidrógeno en la UE aumentará a 40 GW con 40 GW adicionales fuera de la UE.

Al igual que con todas las nuevas tecnologías, el hidrógeno verde está pasando de la investigación y el desarrollo primarios al desarrollo industrial convencional, lo que se traduce en costos unitarios más bajos y una mayor eficiencia en el diseño, la construcción y la instalación. El LCOH de hidrógeno verde consta de tres componentes: el costo de la celda electrolítica, el precio de la electricidad renovable y otros costos operativos. En general, el costo de la celda electrolítica representa alrededor del 20 % ~ 25 % del LCOH de hidrógeno verde y la mayor parte de la electricidad (70 % ~ 75 %). Los costos operativos son relativamente pequeños, generalmente menos del 5%.

A nivel internacional, el precio de la energía renovable (principalmente solar y eólica a gran escala) ha caído significativamente en los últimos 30 años, y su costo de energía igualado (LCOE) ahora es cercano al de la energía a carbón ($ 30-50 / MWh) , haciendo que las energías renovables sean más competitivas en costes en el futuro. Los costos de energía renovable continúan cayendo un 10 % al año, y alrededor de 2030 los costos de energía renovable alcanzarán alrededor de $20/MWh. Los costos operativos no pueden reducirse significativamente, pero los costos unitarios de las celdas pueden reducirse y se espera una curva de costos de aprendizaje similar para las celdas que para la energía solar o eólica.

La energía solar fotovoltaica se desarrolló en la década de 1970 y el precio de los LCoE de la energía solar fotovoltaica en 2010 era de alrededor de 500 USD/MWh. El LCOE de la energía solar fotovoltaica ha disminuido significativamente desde 2010 y actualmente es de $30 a $50/MWh. Dado que la tecnología de celdas electrolíticas es similar al punto de referencia industrial para la producción de celdas solares fotovoltaicas, entre 2020 y 2030, es probable que la tecnología de celdas electrolíticas siga una trayectoria similar a la de las celdas solares fotovoltaicas en términos de costo unitario. Al mismo tiempo, el LCOE de la energía eólica ha disminuido significativamente durante la última década, pero en menor medida (alrededor del 50 % en alta mar y el 60 % en tierra).

Nuestro país utiliza fuentes de energía renovable (como la energía eólica, fotovoltaica, hidroeléctrica) para la producción de hidrógeno de agua electrolítica, cuando el precio de la electricidad se controla en 0,25 yuanes/kWh por debajo, el costo de producción de hidrógeno tiene una eficiencia económica relativa (15,3 ~ 20,9 yuanes/kg) . Los indicadores técnicos y económicos de la producción de hidrógeno por electrólisis alcalina y electrólisis PEM se muestran en la Tabla 1.

El método de cálculo del costo de la producción de hidrógeno electrolítico se muestra en las ecuaciones (1) y (2). LCOE= costo fijo/(cantidad de producción de hidrógeno x vida útil) + costo operativo (1) Costo operativo = producción de hidrógeno consumo de electricidad x precio de la electricidad + precio del agua + costo de mantenimiento del equipo (2) Teniendo proyectos de electrólisis alcalina y electrólisis PEM (1000 Nm3/h ) como ejemplo, suponga que el ciclo de vida completo de los proyectos es de 20 años y la vida operativa es de 9×104h. El costo fijo del paquete de celda electrolítica, el dispositivo de purificación de hidrógeno, la tarifa de material, la tarifa de construcción civil, la tarifa de servicio de instalación y otros elementos se calcula en 0,3 yuanes/kWh para la electrólisis. La comparación de costos se muestra en la Tabla 2.

En comparación con otros métodos de producción de hidrógeno, si el precio de la electricidad de la energía renovable es inferior a 0,25 yuanes/kWh, el costo del hidrógeno verde puede reducirse a unos 15 yuanes/kg, lo que comienza a tener una ventaja de costos. En el contexto de la neutralidad de carbono, con la reducción de los costos de generación de energía renovable, el desarrollo a gran escala de proyectos de producción de hidrógeno, la reducción del consumo de energía de celdas electrolíticas y los costos de inversión, y la orientación del impuesto al carbono y otras políticas, el camino de reducción de costos de hidrógeno verde será gradualmente claro. Al mismo tiempo, debido a que la producción de hidrógeno a partir de fuentes de energía tradicionales se mezclará con muchas impurezas relacionadas, como carbono, azufre y cloro, y el costo de la purificación superpuesta y CCUS, el costo de producción real puede superar los 20 yuanes por kg.