Autor
Guillermo Gabriel Griñán
Doctorando e investigación de la Universidad de Navarra.
Elaborado por:
Cátedra de Transición Energética en la Universidad de Navarra
El hidrógeno es un vector energético que se posiciona como combustible para la movilidad sostenible. La infraestructura actual, así como la previsión de desarrollo de infraestructura de hidrogeneras es claramente insuficiente para poder abastecer la demanda futura, por lo que es necesario un impulso de la misma.
Este estudio realiza un análisis de:
- El consumo energético y económico del proceso de abastecimiento de combustible del depósito de un vehículo en una estación de servicio de hidrógeno.
- Proporcionar una plataforma para comparar el coste de las diferentes opciones de reabastecimiento de hidrógeno.
- Identificar los factores de coste de las tecnologías actuales de reabastecimiento de hidrógeno para diferentes configuraciones de estaciones de servicio y perfiles de demanda de vehículos eléctricos de celdas de combustible de servicio pesado (HDFCEVs).
Las principales conclusiones del Informe son:
Sobre el hidrógeno como nuevo combustible para la movilidad sostenible :
Junto con la electricidad existen un conjunto de tecnologías que tienen el potencial de ser vectores energéticos sostenibles, permitiendo, a través de su uso, la descarbonización de la economía, especialmente en aquellos sectores difíciles de abatir.
El hidrógeno verde se posiciona como combustible para la movilidad sostenible alternativo al uso de combustibles fósiles, ya que no genera emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI), pudiendo ser un recurso clave para la descarbonización de sectores difícilmente electrificables.
Algunas propiedades fisicoquímicas relevantes del hidrógeno verde:
- El contenido de energía por masa del hidrógeno es de 141,8 MJ/kg, un valor muy elevado, hasta tres veces mayor que los combustibles líquidos basados en hidrocarburos.
- Por otro lado, el hidrógeno tiene una densidad muy baja en estado gaseoso, lo que obliga a ser comprimido a alta presión o licuarlo, procesos de muy alto consumo energético.
- El hidrógeno tiene una gran difusividad, por lo que los tanques deben ser muy herméticos para evitar fugas.
La cadena de suministro del hidrógeno hasta el vehículo se muestra en la siguiente figura y consta de las etapas de producción, almacenamiento, distribución y dispensación.
El principal problema del almacenamiento de hidrógeno es la gran cantidad de energía requerida en el proceso de compresión. El almacenamiento de hidrógeno en forma de gas comprimido es el método más extendido debido a que es una tecnología muy madura y desarrollada, con bajos costes tanto en el proceso de compresión como de los componentes y equipos asociados.
Sobre la infraestructura de repostaje y el vehículo con tecnología de hidrógeno
Los vehículos de hidrógeno tienen cero emisiones de CO2, tiempos de repostaje similares a combustibles tradicionales, con mayor nivel de autonomía y menor dependencia de la batería que en el caso del vehículo eléctrico. Su recarga tiene lugar en una estación de servicio de hidrógeno o hidrogenera (HRS por sus siglas en inglés).
A finales de 2021 se contabilizaron en el mundo 685 estaciones de servicio de hidrógeno operativas y 252 proyectadas para vehículos tanto públicas como privadas. Asia lidera este desarrollo con 363 (donde se concentran principalmente en Japón, China y Corea del Sur. En el caso de China, con foco en el transporte rodado pesado o de pasajeros), seguida de Europa con 288 hidrogeneras (la mayoría en Alemania y seguida de Francia) y Estados Unidos con 86. España contaba en 2021 con 4 estaciones de servicio privadas en Madrid, Albacete, Huesca y Ciudad Real.
Evolución temporal del número de hidrogeneras públicas y privadas por regiones.
El Gobierno ha publicado su “Hoja de Ruta del hidrógeno: una apuesta por el hidrógeno renovable” en la que se refleja la intención de contar con al menos una red de al menos 100-150 hidrogeneras de acceso público en 2030 para el repostaje de los vehículos de hidrogeno. Estas deben situarse en lugares fácilmente accesibles, repartidas por todo el territorio con una distancia máxima de 250 km entre cada una de las hidrogeneras y la que tenga más próxima.
Algunas de las características de estas hidrogeneras son:
- El rango de capacidad de suministro diario las Estaciones de Servicio de Hidrógeno ronda los 20 a 1000 kg H2/día, en función del dimensionamiento de la instalación, lo que son alrededor de 4 a 200 vehículos ligeros repostados. Un vehículo ligero almacena del orden de 5 kg de H2; un vehículo pesado, alrededor de 30-35 kg.
- El tiempo de dispensación para llenar un depósito de un vehículo ligero es en torno a 5 minutos; para un vehículo pesado es entre 10-15 min.
- Además, las hidrogeneras pueden disponer de varias mangueras para dispensar hidrógeno.
Las hidrogeneras suponen la etapa intermedia entre la distribución de hidrógeno y el vehículo de pila de combustible.
La siguiente figura indica la previsión de la evolución de las hidrogeneras en España, con 32 hidrogeneras en 2024, de las cuales 14 serán privadas y 16 públicas.
Previsión evolución de las hidrogeneras en España
Funcionamiento de las hidrogeneras
Las hidrogeneras pueden ser de diferentes tipos en función del tipo de suministro, que puede ser con gasoductos, con hidrógeno comprimido o hidrógeno criogénico; y según la presión de dispensación, habitualmente a 350 bar (vehículos pesados) o 700 bar (vehículos ligeros). Algunos datos representativos de las primeras hidrogeneras en España son: 700 bar de presión y 10 kg H2/día, 35 bar y 90 kg H2/ día y 1000 bar y 260 kg H2/día.
Los principales componentes de las hidrogeneras son: compresores, tanques de almacenamiento, dispensadores y sistemas de refrigeración. El funcionamiento de una hidrogenera se puede dividir en tres etapas principalmente: suministro, proceso de abastecimiento y dispensación.
El suministro de hidrógeno en una hidrogenera actualmente puede ser mediante electrólisis o reformado con vapor y la producción puede ser centralizada o descentralizada.
En el caso de una producción centralizada, el hidrógeno se produce a gran escala en instalaciones industriales y a continuación, éste es distribuido hasta las estaciones de servicio, ya sea a través de una red de tuberías a 2 MPa, o mediante camiones con tubos con gas comprimido a 10-20 MPa o bien mediante camiones con hidrógeno criogénico a -253 °C. Actualmente, la producción de la gran mayoría de estaciones de servicio activas es centralizada.
En el caso de una producción de hidrógeno descentralizada, éste se produce en las propias instalaciones por lo que se ahorra la etapa de transporte del hidrógeno a otra ubicación.
El abastecimiento de hidrógeno a la hidrogenera se puede realizar mediante tres diseños principalmente: compresión directa, compresión directa con acumulador y compresión en cascada.
Dispensación
Actualmente, las hidrogeneras disponen de una presión de repostaje de 35 MPa, habitualmente para vehículos pesados con una capacidad de 35 kilogramos de hidrógeno, y/o 70 MPa para vehículos ligeros con una capacidad de 5 kilogramos de hidrógeno. La velocidad, el tiempo, la presión y la temperatura de dispensación vienen relacionadas en la norma J2601_202005 para vehículos ligeros.
Sobre la rentabilidad de las hidrogeneras y el coste final del hidrógeno
El ritmo de desarrollo de los mercados de hidrógeno nacionales, regionales y global es uno de los factores que tendrá impacto sobre el valor añadido que puede generar la consolidación de una cadena de valor del hidrógeno puntera y competitiva.
La principal dificultad del desarrollo de los vehículos de hidrógeno es la necesidad de una red de estaciones de servicio (hidrogeneras) suficiente para que la movilidad a través de hidrógeno sea una realidad.
La operación y puesta en marcha de una instalación con garantías de seguridad adecuadas es esencial para su correcto funcionamiento como, el sistema de ventilación, la protección contra incendios y explosiones o los principios y operaciones de emergencia.
"La operación y puesta en marcha de una instalación con garantías de seguridad adecuadas es esencial para su correcto funcionamiento."
La rentabilidad de costes de una hidrogenera depende de su tipología y su capacidad, para ello se han estimado el coste de los principales elementos, como compresores y dispensadores.
En este análisis se ha estudiado el coste del desarrollo de la infraestructura desde un punto de vista global, a evaluando también el coste de los principales componentes de esta, así como el coste aproximado de hidrogeno mediante el uso de los modelos técnico-económicos indicados anteriormente.
Coste de inversión en una hidrogenera
Para hacer análisis técnico-económicos del proceso se ha desarrollado un modelo para calcular el coste energético basado en modelos como el HDRSAM que permite analizar estaciones de servicio para vehículos pesados, y el HRSAM que permite analizar estaciones de servicio para vehículos ligeros. Ambos modelos han sido realizados por el Laboratorio Nacional de Argonne, expertos en tecnologías de hidrógeno. En base a los resultados obtenidos, se observa que:
- En el proceso de abastecimiento de hidrógeno, la hidrogenera consume energía en el proceso de compresión y refrigeración.
- El proceso de compresión consume más energía cuanto mayor es la diferencia de presión entre el estado inicial y el final. Por otro lado, el consumo de energía en la etapa de refrigeración es constante en todos los escenarios ya que este no depende de la diferencia de presiones.
- Los procesos de compresión criogénica no consumen energía de refrigeración ya que el hidrógeno almacenado se enfría mezclándose con el hidrógeno producido.
- El modelo propuesto es correcto ya que los resultados obtenidos se desvían en menos del 15% del modelo HDRSAM.
- El coste de un compreso, del tanque y del dispensador disminuye cuanto mayor es la tasa de producción anual. Para reducir costes, es importante el factor de economías de gran escala, ya que los costes (por ejemplo, el correspondiente a los materiales) se distribuyen en un volumen mayor de producción.
- La tecnología de compresión en cascada optimiza los llenados de los depósitos de hidrógeno de los vehículos, ya que cuantas más etapas haya en el proceso de llenado más vehículos se pueden repostar a la presión final deseada.t
"El coste de inversión de una hidrogenera en 2023 oscila entre 0,2 y 2 millones de euros y depende del tipo de hidrogenera y de la capacidad de dispensación de hidrógeno."
En los próximos 5 a 10 años, los costes de instalación (CAPEX) previstos, son los siguientes:
Coste de capital de una Estación de Servicio de Hidrógeno por tipo y capacidad (en M€)
"Las hidrogeneras con producción centralizada (offsite) son más económicas que las descentralizadas (on-site)."
La evolución del coste de capital de las hidrogeneras sigue la tendencia de un aumento hasta mediados de la década de 2020, mientras que después de 2025 las previsiones prevén una disminución. En comparación con las hidrogeneras contemporáneas, en los que la gran mayoría del hidrógeno se suministra desde las unidades centrales de producción, en un futuro próximo se prevé que el tipo de hidrogenera predominante será el de producción descentralizada.
Coste de operación de la hidrogenera
El parámetro principal para indicar la rentabilidad de una estación de servicio de hidrógeno es el coste nivelado, que es el coste total medio de construcción y operación de una estación de servicio de hidrógeno a lo largo de su vida útil dividido por la cantidad total de hidrógeno distribuido por la estación de servicio de hidrógeno.
El coste nivelado de bajo volumen de una capacidad de 200 kg/día es de aproximadamente 60 $/kg, suponiendo una utilización promedio anual de la estación del 80% de la capacidad de la estación. Una estación de 1000 kg/día (con la misma configuración) reduciría el costo nivelado de la estación a 3,8 $/kg.
Se prevé que un aumento en la cantidad de vehículos de hidrógeno desplegados reducirá significativamente el costo nivelado de la estación. Esta hipótesis es factible ya que se espera un aumento en la venta de vehículos de celda de combustible de hidrógeno de cara a 2050 hasta alcanzar un 20% con respecto a las ventas totales anuales de vehículos.
Sin embargo, la actual infraestructura de recarga de hidrógeno es claramente insuficiente para soportar esta demanda de vehículos de hidrógeno dentro de 30 años, por lo que será necesario su desarrollo en los próximos años.
"La infraestructura actual, así como la previsión de desarrollo de infraestructura de hidrogeneras es claramente insuficiente para poder abastecer la demanda futura en los próximos 30 años, por lo que es necesario un impulso de la misma. "
En un mercado maduro, la combinación de las economías de escala de una gran capacidad/utilización de la estación (1000 kg/día al 80 % de la utilización promedio) con la producción de alto volumen de componentes de reabastecimiento puede reducir el coste de operación de la estación de reabastecimiento a aproximadamente 2 $/kg. Para obtener el coste total habría que tener en cuenta también el coste de producción y transporte.
