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Programa Energías Renovables y Eficiencia Energética en Chile GIZ
Hidrógeno verde: Oportunidad para y desde Chile
Misión: Desarrollo Sustentable▪ Empresa Federal para el desarrollo sostenible, sin
fines de lucro.
▪ Con sede principal en Alemania.
▪ Más de 45 años de experiencia en países en
desarrollo y economías emergentes.
▪ Con operaciones en más de 130 países.
▪ ~ 16.500 empleados en todo el mundo, más de
11.000 de ellos como personal nacional.
GIZ en Chile▪ Activo hace 25 años
▪ En ámbito de energía: desde 2004
▪ Contraparte directo: Ministerio de Energía
QUE ES GIZ
Comitente: Ministerio Federal de Medio Ambiente, Protección de la Naturaleza y Seguridad
Nuclear de Alemania - BMU
Contraparte: Ministerio de Energía de Chile
Objetivo: Reducción de GEI a través del uso de energías renovables y eficiencia energética
Descarbonización del
sector energía en Chile
2019 - 2022
Cogeneración para
aplicaciones industriales y
comercio
2015 – 2020
Energías renovables para
aplicaciones de
autoconsumo
2015 - 2020
Mercado Global del
Carbono - Chile
2017 - 2021
PROGRAMA 4E: ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA EN CHILE
Eficiencia energética en
Minería
2019-2022
“Sí, mis amigos, creo que algún día
se empleará el agua como
combustible,
que el hidrógeno y el oxígeno de lo
que está formada, usados por
separados
o en forma conjunta,
proporcionarán una fuente
inagotable de luz y calor, de una
intensidad de la que el carbón no
es capaz […] El agua será el
carbón del futuro.”
Julio Verne, La Isla Misteriosa, 1874
Descripción básica
▪ Gas incoloro, inodoro, insípido
Propiedades Generales
▪ Inflamable
▪ No irritante, no tóxico, asfixiante
▪ No corrosivo
▪ Gas más liviano de todos
¿Qué es el hidrógeno?
1 kg de h2 = 2,78 kg de gasolina
1 Nm3 de h2 = 0,34 L de gasolina
FUENTE: H2CHILE
¿Como se produce?
¿Como se produce? - Reformado de Metano - Etapas
Reformado de Metano - Etapas
¿Como se produce? - Electrólisis
• La electrólisis de agua es el proceso en
el cual las moléculas de agua se dividen
en sus componentes principales (H2 y
O2) mediante la aplicación de energía
eléctrica.
• El principio fundamental de la electrólisis
consiste en aplicar corriente continua
entre dos electrodos sumergidos en un
electrolito (KOH o NaOH).
• El hidrógeno se forma en el cátodo (-) y
el oxígeno en el ánodo (+).
FUENTE: H2CHILE
Reformado de Metanoh= 75-80%
Gas Natural
3.2 – 3.6 kg
CO2
10-12 kg
Hidrógeno
1kg
Electrólisish= 60-70%
Agua
9 kg
Electricidad
50 kWhe
Hidrógeno
1kg
Oxígeno
8 kg
<200 gCO2/kWh
Agua 6.6 kg
Electricidad
2.5 kWhe
Producción Mundial Anual: 70 MMt = 8.4 EJ
Reformado del metano con vapor v/s Electrólisis
<200 gCO2/kWh(418 gCO2/kWh)
OPEX OPEXCAPEX CAPEXProducciónHidrógeno
ProducciónHidrógeno
▪ El hidrógeno es producido principalmente con combustibles fósiles, casi la totalidad utilizando
gas natural.
▪ El 60 % de este hidrógeno se produce en plantas dedicadas exclusivamente para este fin.
Uso del hidrógeno en el mundo
De las 69 Millones de toneladas de
hidrógeno puro que se producen, se utilizan:
▪ 31 MM toneladas para la producción de
amoniaco, especialmente para fertilizantes
▪ 38 MM toneladas se utilizan para la
refinación de combustibles
El uso del hidrógeno en otras aplicaciones ha tenido un resurgimiento por:
▪ La necesidad urgente de descarbonizar la matriz energética, requiere otras formas de energía distintos a la
electricidad.
▪ El costo de la energía renovable y la reducción de precio en los sistemas que generan y transforman el
hidrogeno ha habilitado un industria que hasta hace poco estaba detenida.
Uso industrial reemplazo Diesel y gas
Turbinas H2 y Dual combustión
Power to Power (P2P) gran escala
Sistemas off grid, comunicaciones,
residencial
Inyección H2 en redes de gas < 10%
Metanización CH4 100% red de gas
Nuevos usos del hidrógeno
Transporte con
hidrógeno
Celdas de combustibles - Funcionamiento
Automovil con celdas de combustible (FCEV)
Modelos comerciales (FCEV) – Toyota Mirai / Honda Clarity
Modelos comerciales (FCEV) – Hyundai Nexo
Autos FCEV / Estaciones de carga - Hidrogeneras
100 act / 160 al
2020 / 320 al 2025 /
900 al 2030
70 act / 400 al 2025
/ 1.000 al 2030
63 act / 94 al 2023 /
200 al 2025 / 1.000
al 2030
20 act / 100 al 2020
/ 300al 2025 / 1.000
al 2030
14 act / 310 al 2022
y 1.200 al 2040
23 act / 100 al 2023
/ 400-1.000 al 2028
2.580 act / 40k al
2020 / 200k al 2025
/ 800k al 2030
487 act / 10%
parque al 2035
5.899 act / 13.400 al
2020 / 37.400 al
2023 / 1 MM al 2030
1.791 act / 5k al
2020 / 50k al 2025 /
1 MM al 2030
900 act / 97k al
2022 y 6 MM al
2040
324 act / 5k al 2023
/ 20k y 50k al 2028
Tecnología para transporte – ¿100% Batería o Fuel Cell?
La respuesta no es
trivial, pero la
tendencia apunta a
el uso de hidrógeno
mediante Fuel Cells
para mayores
autonomías y pesos
del transporte
Buses con celdas de combustible (FCEV)
18 act / 100 al 2020
/ 1.200 al 2030
35 act / 2.000 al
2022
Camiones con celdas de combustible (FCEV)
Camiones combustión Dual Hidrógeno Diesel
Mercedes-Benz de 26 toneladas
con carrocería Heil PowerLink y
levantacontenedores Terberg
Barredora municipal en Aberdeen, Escocia. Fuente: ULEMCo
Trenes con celda de combustible – iLint (Alemania)
Trenes con celda de combustible
Trenes con celda de combustible – siguientes países
United Kingdom
Alemania - Zillertalbahn
Francia
Siemens Train
Montacargas
Barcos – Mayor sustentabilidad y disminución de impactos
El proyecto e4ships (2009-2016) en Alemania fue el primero en demostrar con éxito nuevas soluciones
técnicas para reducir las emisiones de los buques utilizando celdas de combustible.
SchIBZ
El proyecto SchIBZ fue realizado por un consorcio de
proyectos bajo ThyssenKrupp Marine Systems. SchIBZ se
dedica al desarrollo de un sistema de pila de combustible
híbrido integrado escalable con una capacidad de 50 a
500 kW para buques oceánicos.
Pa-X-él
El segundo sistema de demostración de celdas de
combustible, instalado en el RoPax MS Mariella que opera
entre Estocolmo y Helsinki, implicó el diseño e instalación
de una unidad prefabricada de 60 kW.
https://www.e4ships.de/english-1/about/previous-project/
Barcos – Mayor sustentabilidad y disminución de impactos
El proyecto comenzó en julio de 2018 y tiene como
objetivo demostrar que las celdas de combustible
pueden integrarse con éxito con un sistema eléctrico
híbrido marino (propulsión eléctrica, equipo de control,
baterías, etc.), junto con el almacenamiento de
hidrógeno asociado.
En caso de que esta prueba sea exitosa, Scottish
Transport ha acordado financiar la construcción de un
ferry de pasajeros y la ruta elegida para ser el
destinatario de este innovador buque será Kirkwall a
Shapinsay, en las Islas Orcadas, ubicadas al norte de
Escocia.
http://www.hyseas3.eu/news-media/ropax-ferry-statistics/
Proyecto HySeas III
Barcos – Mayor sustentabilidad y disminución de impactos
PILOT-E (100 MM Euros) esquema de financiamiento para el sector empresarial noruego lanzado
como una colaboración entre el Consejo de Investigación, Innovation Norway y Enova S
Proyecto ZEFF - Ferry rápido 0 emisiones (10,5 MNOK)
El barco tendrá una velocidad de crucero de entre 25 y 45
nudos. La nave funcionará sin emisiones de CO2, Nox y
SOx. El poder de propulsión será producido por celdas de
combustible alimentadas por hidrógeno y baterías. Se espera
un 45% menos de consumo de energía por pasajero-km y
con capacidad para 100 a 300 pasajeros.
Barcos – Mayor sustentabilidad y disminución de impactos
El proyecto Seashuttle dirigido por Samskip (6 MM euros)
Desarrollar un portacontenedores de corta distancia
impulsado por celdas de combustible de hidrógeno.
Desarrollo de dos barcos totalmente eléctricos para
conectar Polonia, los puertos suecos de la costa oeste y
el fiordo de Oslo.
https://www.enova.no/pilot-e/
Moss Maritime, Equinor, Wilhelmsen y DNV
GL han desarrollado un diseño para un
búnker de hidrógeno licuado.
Se espera que el H2 licuado a -253°C
ofrezca ventajas sobre el gas hidrógeno
presurizado en relación con los costos de
transporte. El proyecto, patrocinado por
Innovation Norway se lanzó para encontrar
soluciones para el almacenamiento y la
manipulación de este combustible en un
barco.
La embarcación de 9,000 metros cúbicos ha
sido desarrollada para proporcionar
servicios de bunkering de hidrógeno licuado
a buques mercantes, además del transporte
marítimo abierto.
Bunker hidrógeno licuado
Barcos – Mayor sustentabilidad y disminución de impactos
https://www.maritime-executive.com/article/liquefied-hydrogen-bunker-vessel-designed
Source: http://global.kawasaki.com/en/hydrogen/
Primer cargador de GNL desarrollado en Asia. Presentó cinco tanques
esféricos independientes hechos de aluminio, con una capacidad total
de 129,000 m3. Sirvió como modelo para los grandes transportistas de
GNL construidos a partir de entonces.
Un cargador altamente eficiente y versátil con una capacidad de
tanques líder en el mundo de 177,000 m3 y un tamaño de casco
compatible con los principales puertos de terminales de GNL del
mundo. Adoptó la tecnología Kawasaki Advanced Reheat Turbine
Plant, la primera planta con ciclo de recalentamiento del mundo. El
vapor utilizado para impulsar la turbina de alta presión se devuelve a la
caldera para que se vuelva a calentar, y luego se envía a la turbina de
presión intermedia. El sistema redujo el consumo de combustible en
aproximadamente un 15% en comparación con las plantas anteriores.
Barcos – Mayor sustentabilidad y disminución de impactos
Small liquefied hydrogen carrier
Kawasaki está desarrollando actualmente un buque de prueba
pionero para el transporte marítimo de hidrógeno liquido. El buque
tendrá una capacidad de carga de 2.500 m3, equivalente a la de los
buques de GNL que operan en la costa. Kawasaki obtuvo la
aprobación para el sistema de contención de carga en 2013.
Kawasaki tiene como objetivo completar el diseño de desarrollo en
2016 y luego continuar con la comercialización.
Source: https://global.kawasaki.com/en/stories/articles/vol18/
Large liquefied hydrogen carrier
Un portador de hidrógeno líquido que anuncia el comienzo de una
nueva era de energía de hidrógeno. En un futuro cercano, cuando el
hidrógeno sea ampliamente utilizado en la sociedad, el hidrógeno
producido en el extranjero a bajo costo deberá ser transportado en
grandes cantidades. Para ayudar a apoyar esta distribución global
de hidrógeno, Kawasaki apunta a desarrollar un gran portador de
hidrógeno licuado con una capacidad de alrededor de 160,000 m3.
Barcos – Mayor sustentabilidad y disminución de impactos
Anglo Belgian Corporation ha probado combustibles renovables metanol e hidrógeno en un motor de
banco de un solo cilindro con un éxito variable. Ambos combustibles tienen beneficios similares al gas
natural, pero con la ventaja adicional potencial de reducir los gases de efecto invernadero.
El metanol y el hidrógeno reducen
potencialmente las emisiones de
CO2 . El manejo de metanol en
líquido facilita la adaptación,
mientras que el hidrógeno es difícil
de almacenar. El hidrógeno se
enciende más fácilmente que el
metanol, pero necesita ser
completamente renovable para
volverse totalmente neutral en CO 2
Barcos – Mayor sustentabilidad y disminución de impactos
Uso de combustibles renovables metanol e hidrógeno en barcos
https://www.rivieramm.com/news-content-hub/news-content-hub/the-pros-and-cons-of-methanol-and-hydrogen-56028
Compagnie Maritime Belge (CMB):
“No afirmamos que el hidrógeno es la
solución para el transporte marítimo,
pero con lo que sabemos hoy en día,
es claramente la solución más
prometedora para las emisiones del
transporte maritimo general, y las
emisiones de gases de efecto
invernadero en particular
Barcos – Mayor sustentabilidad y disminución de impactos
Uso del hidrógeno en el mundo
En Hollister, en California, ZeroAvia, diseñó un tren
motriz eléctrico alimentado con hidrógeno dentro del
avión.
La compañía ha ejecutado una serie de vuelos de
pruebas, que han salido exitosos. En 2022, planea
comenzar a suministrar el tren motriz para su uso en
aviones con hasta 20 asientos, en vuelos de hasta 500
millas (800 kms).
https://www.fastcompany.com/90388931/this-plane-can-fly-500-miles-powered-entirely-by-hydrogen
Silicon Valley start-up ZeroAvia
Aviación – Tecnología de Hidrógeno en desarrollo
Diamond HK36 Super Dimona EC-003
En 2008 un equipo de ingeniería de Boeing
Research & Technology Europe en Madrid,
España, ha demostrado por primera vez que el
hombre puede volar en un avión propulsado por
celdas de combustible usando hidrógeno, de forma
limpia y silenciosa
El HK36 Super Dimona modificado mantuvo un vuelo
nivelado a una velocidad de 60 millas por hora (100
kilómetros por hora) durante 20 minutos con energía
generada por la celda de combustible.
Phantom Eye de la empresa Boeing
Junto a Bal Aerospace, Aurora Flight
Sciences, Ford Motor Co. y MAHLE
Powertrain, desarrolló el Phantom
Eye (2009-2010)
HY4 con celda de combustible
Este avión fue desarrollado en 2016 por el Instituto de Ingeniería
Termodinámica del DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und
Raumfahrt) junto con sus socios Hydrogenics, Pipistrel, H2FLY, la
Universidad de Ulm y el aeropuerto de Stuttgart.
Aviación – Tecnología de Hidrógeno en desarrollo
Aviación – Tecnología de Hidrógeno en desarrollo
Un consorcio de empresas del Reino Unido ha volado con éxito un avión multirrotor con
una célula de combustible de hidrógeno durante 70 minutos.
Drones – Mayor autonomía
Generación
Eléctrica
Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS)
fabrico la turbina de gas del ciclo combinado
(CCGT) de Nuon / Vattenfall Magnum y esta
realizando la factibilidad técnica de la
combustión de H2.
El proyecto Gas-Free Gas Power pretende
convertir una de las tres centrales eléctricas de
CCGT de 440MW a hidrógeno para 2023.
Por su parte la empresa Statoil se centrará en
la producción de hidrógeno con gas natural y
Gasunie está investigando cómo transportar y
almacenar el hidrógeno en la central de
Magnum.
Proyecto Gas Power Free Carbon - Nuon's Magnum en Groningen
Física de la combustión de hidrógeno en una
turbina a gas comparado con gas natural Efectos resultantes a gestionar
Mayor temperatura / velocidad de
la llama
Índice de Wobbe inferior (40.6 vs.
48.5 MJ / Nm3)> volúmenes
mayores para el mismo contenido
de energía
Comportamiento diferente de la
mezcla de hidrógeno/aire en
comparación con el gas/aire
Llama inestable para cargas muy
bajas
Incremento del NOx para alto
contenido de H2
Riesgo de flashbacks para alto
contenido de H2
Flujos de combustible mayores a ser
manejados en el sistema de
combustible
Cambio de características de riesgo
de explosión
Requisito de usar un combustible
estándar para el arranque y el
apagado (para 100% H2)
Turbinas a gas con H2 - Siemens
FUENTE: SIEMENS
Turbinas a gas con H2
FUENTE: SIEMENS
Co generación domiciliaria con Fuel Cell
Tokyo Gas Co. ha anunciado que a partir del 20 de diciembre de 2018 ha
vendido 110,000 unidades del sistema de celdas de combustible de uso
residencial ENE-FARM
𝐶𝑂2 + 4𝐻2 → 𝐶𝐻4 + 2𝐻2𝑂
La reacción de Sabatier
Conversión de Hidrógeno: Power to Gas - Methanation
WindGas Falkenhagen
Conversión de Hidrógeno: Power to Gas - Methanation
Industria
Química
180 Millones de toneladas
Proceso Haber-Bosch
Fuente: H2 Chile/ammoniaindustry.com , 2018
Materia prima fertilizantes & otras industrias
Carrier de H2
Combustible
Producción de amoniaco
Proyecto Amoniaco verde Yara - Engie
AUDI y Global Bioenergies S.A. en Leuna (Sajonia-Anhalt), han
desarrollado gasolina dintetica que no depende del petróleo crudo,
es compatible con la infraestructura existente y ofrece la posibilidad
de un ciclo cerrado de carbono
El Audi "e-benzin" es esencialmente un isooctano líquido.
Actualmente se produce a partir de biomasa en un proceso de dos
pasos. En el primer paso, se produce isobuteno gaseoso (C4H8) y
en el segundo paso, se hidrógeno adicional para transformarlo en
isooctano (C8H18). El combustible está libre de azufre y benceno y,
por lo tanto, es especialmente bajo en contaminantes cuando se
quema.
Combustible sintético - Audi
Potencial de Chile
Potencial renovable > 1.865 GW (solar, eólico e hidro)
Última licitación de energía para
distribuidoras de Noviembre 2017,
precios FV menores a 30 USD/MWh
Turbina H2
Fuel Cell
Electrolizador
Energías renovables
Almacenamiento H2
Amoniaco
Fertilizantes /
Explosivos Mineros
Logística /
Calor Industrial
Backup energía /
Almacenamiento /
Inyección H2 Red de
gas
Exportación puertos
zona norte y sur
Camiones minería
open pit y
subterránea /
Transporte personal
Potenciales usos del hidrógeno en Chile
Drivers del hidrógeno - Minería
Para el transporte de largas distancias y
transporte pesado, el hidrógeno se ha presentado
como la solución futura frente a la electromovilidad
El camión minero (>350 toneladas) tiene un
consumo que oscila entre 3.000 y 4.000 litros de
Diesel diario. El potencial de ahorro con
mezclas con hidrogeno es muy grande.
Nikola One truck Coradia iLint
Drivers del hidrógeno - Amoniaco
Casi la totalidad del amoniaco que consume Chile, es importado. Enaex es una empresa que provee
explosivos para la minería e insumo para fertilizantes
Producción de amoníaco verde
• Producción de Nitrato de Amonio
• Escala GW
• Enaex compra Cachimayo
Costos hidrógeno en diferentes zonas del mundo (proyección)
03-09-2019 Fuente: H2 Chile
CAPEX910 USD/KWH2
OPEX 4.7% CAPEX
3.3 USD/MMBTU
Rango en Chile7.3 USD/MMBTU (desde Arg.)
Costo Nivelado de Hidrógeno - Reformado de Metano
03-09-2019
Fuente https://www.researchgate.net/figure/Natural-gas-for-electricity-production-price-in-the-US-comparison-between-the-yearly_fig1_317689860
Natural gas for electricity
production price in the US:
comparison between the yearly
EIA Annual Energy Outlook (AEO)
price forecasts and the actual
values for the years 1985-2015.
The black lines are the forecasts
made in different years. The red
line indicates the actual price.
The blue line is the most recentforecast (2015)
Costo Nivelado de Hidrógeno Tendencias Gas Natural
Fuente: H2 Chile
03-09-2019
¿USD/KWe ?
Costo Nivelado de Hidrógeno Electrólisis
Fuente: H2 Chile
¿USD/MWhe?
Costo Nivelado de Hidrógeno Electrólisis
Fuente: H2 Chile
10/2014
H2 como opción
para el norte de
Chile (redes de
gas y energía
solar barata)
02/2015
Cooperación
con Programa
estratégico
Solar de
CORFO
06/2017
Licitación
Internacional
para uso de H2
en transporte
minero
05/2017
1a. Conferencia
internacional
“H2 verde en
Chile (40 =>
120)
09/2018
2da. Conferencia
Internacional de
H2 verde en Chile
(200 => 420!)
03/2018
H2-Tool
desarrollo
de
aplicaciones
integradas
04/2018
Inclusión del
H2 en la ruta
energética
06/2018
Fundación de
la asociación
chilena de H2-
Publicacion
Libro H2 de
GIZ
Estrategia Nacional del H2
Desarrollo del hidrógeno en Chile
▪ NCh1377.Of1990 Gases comprimidos -
Cilindros de gas para uso industrial - Marcas
para identificación del contenido y de los
riesgos inherentes
▪ NCh1025.Of1990 Gases comprimidos -
Cilindros de gas para uso médico y para
esterilización - Marcas de identificación del
contenido y de los riesgos inherentes
▪ DS N°280, de 2009, del Ministerio de
Economía, Reglamento de Seguridad del
Transporte y Distribución de Gas de Red
Normativa Descripción
ISO 13984:1999 Liquid hydrogen -- Land vehicle fuelling system interface
ISO 13985:2006 Liquid hydrogen -- Land vehicle fuel tanks
ISO 14687:1999. (ISO
14687:1999/Cor
1:2001, ISO
14687:1999/CD Cor 2)
Hydrogen fuel -- Product specification
ISO/PRF TS 14687-2 Hydrogen fuel -- Product specification -- Part 2: Proton exchange
membrane (PEM) fuel cell applications for road vehicles
ISO/PAS 15594:2004 Airport hydrogen fuelling facility operations
ISO/DIS 15869.2 Gaseous hydrogen and hydrogen blends -- Land vehicle fuel tanks
ISO/TR 15916:2004 Basic considerations for the safety of hydrogen systems
ISO 16110-1:2007 Hydrogen generators using fuel processing technologies -- Part 1:
Safety
ISO/CD 16110-2 Hydrogen generators using fuel processing technologies -- Part 2:
Procedures to determine efficiency
ISO/DIS 16111 Transportable gas storage devices -- Hydrogen absorbed in
reversible metal hydride
ISO/TS 16111:2006 Transportable gas storage devices -- Hydrogen absorbed in
reversible metal hydride
ISO/CD TS 20012 Gaseous hydrogen -- Service stations
ISO/DIS 22734-1 Hydrogen generators using water electrolysis process -- Part 1:
Industrial and commercial applications
ISO/CD 22734-2 Hydrogen generators using water electrolysis process -- Part 2:
Residential applications
ISO/CD 26142 Hydrogen detector
Brechas de normativa del hidrógeno
LO NUEVO
60 empresas en total, que
representan
colectivamente más de
2,6 billones de euros en
ingresos y 4,2 millones de
empleos en todo el
mundo.
Programa 4e Energías Renovables y Eficiencia Energética
en Chile
Contacto:Rodrigo Vásquez / Asesor Programa 4e
Muchas Gracias!
