Arfima Financial SolutionsEl hidrógeno es conocido por ser el primer elemento de la tabla periódica. Sin embargo, pronto será más bien conocido por ser uno de los elementos clave en la descarbonización de la economía. En la serie Hidrógeno verde hablaremos sobre aspectos del papel que jugará el hidrógeno en esta transición.
En el post anterior derivamos la fórmula para calcular el Levelized Cost of Hydrogen (LCOH),
![\[LCOH = \frac{\sum_{t= 0}^{VU} \frac{Costes\ en\ t}{(1+r)^t}}{\sum_{t= 0}^{VU} \frac{Cantidad\ de\ H_2\ producida\ en\ t}{(1+r)^t}} .\]](https://afs-services.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-644b2106cab8e6c90a38c2e9e2ed232c_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Como ya mencionamos, esta fórmula se puede utilizar para calcular el LCOH de cualquier “color” de hidrógeno, y no sólo del verde. En esta entrada especificaremos cuáles son los elementos más importantes para calcular su coste, y haremos el cálculo del mismo para un caso modelo.
El electrolizador
Como ya comentamos en el primer post de esta serie, el hidrógeno verde se produce mediante la electrólisis, la reacción química que convierte el agua y electricidad en hidrógeno y oxígeno. La máquina donde se realiza este proceso es el electrolizador. Actualmente en el mercado existen dos tipos de electrolizadores, clasificados según la tecnología que utilizan.
Por un lado están los electrolizadores alcalinos. Estos llevan existiendo desde los años 20 del siglo pasado y eran empleados para cubrir la demanda de hidrógeno de la industria de los fertilizantes. Cayeron en desuso cuando el reformado por vapor, la técnica utilizada para extraer hidrógeno del gas natural, se extendió en los años 70 debido a su menor coste. No obstante, la antigüedad de la electrólisis alcalina la convierte en la opción para producir hidrógeno verde más consolidada, con una mayor eficiencia (menos consumo eléctrico por cantidad de hidrógeno producida) y precios más bajos, entorno a los 800€ por kW de potencia.
Por otro lado existen los electrolizadores PEM (Polymer Electrolyte Membrane), una alternativa más joven pero que promete ciertas ventajas frente a la electrólisis alcalina. Una de las más importantes es su mayor capacidad de respuesta frente a fluctuaciones en la corriente eléctrica suministrada. Esto es clave cuando el electrolizador está siendo acoplado a una fuente de energía renovable, como una planta fotovoltaica o un parque eólico, donde la producción de electricidad puede variar bruscamente por cambios repentinos en las condiciones meteorológicas (por ejemplo, una nube que súbitamente se coloca entre el Sol y los paneles fotovoltaicos).
Además, también permiten una operación a presiones más altas y producen un hidrógeno más puro que sus homólogos alcalinos, lo cual puede suponer una mayor eficiencia energética si se tiene en cuenta la energía ahorrada en comprimir y purificar el hidrógeno. Sin embargo, esta tecnología todavía presenta unos costes más elevados, del entorno de los 1100 a los 1800 € por kW según la IEA, aunque está previsto que bajen significativamente durante la próxima década a medida que se extienda su uso y madure su tecnología.
La electricidad
Para convertir el hidrógeno verde en una opción competitiva tiene que reducirse el precio de la electricidad de la mano del cada vez menor coste de las energías renovables. Según el último informe de la Agencia Internacional de las Energías Renovables (IRENA), el coste de la electricidad fotovoltaica en España bajó de los 229 €/MWh en 2011 a los 77 €/MWh en 2019 –una bajada de un 66% por ciento en menos de una década–, convirtiéndola así en una de las más baratas no sólo en la Unión Europea, sino también a nivel global. Esta tendencia a la baja sigue vigente, tal como demostró la última subasta de electricidad de fuentes renovables celebrada en enero de este año por el Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico. El precio medio de la electricidad adjudicada fue de 24,47 €/MWh en el caso de la fotovoltaica y de 25,31 €/MWh en el de la eólica.
Volviendo al caso del hidrógeno verde, según el electrolizador utilizado se podrán conseguir diferentes eficiencias. Estas generalmente se sitúan en torno a los 50-60 kWh por kg de hidrógeno producido. Si se hace una estimación conservadora del precio, por ejemplo de 50 €/MWh, el coste del suministro eléctrico supondría unos 2,50-3,00 € por kg de hidrógeno. Para un precio de 25 €/MWh, más acorde con los precios de la última subasta de renovables, el coste de la electricidad bajaría a la mitad, concretamente a 1,25-1,50 €/kg.
A esta cifra se le podría sumar el coste del agua necesaria para la electrólisis, si bien este último es generalmente ignorado cuando se hacen estimaciones del coste del hidrógeno. Los electrolizadores suelen consumir en el orden de 10 kg de agua por kg de hidrógeno, pero dado que el precio del agua es generalmente muy bajo, digamos por ejemplo 0,01€ por kg, el coste será de 0,10 € por kg de hidrógeno, muy inferior al coste que supone el consumo eléctrico. Es por esta razón que normalmente se puede ignorar esta partida en una primera aproximación.
La cantidad de hidrógeno producido
Por último, para calcular el coste del hidrógeno es necesario saber la producción anual esperada. Esto quedará determinado por la potencia del electrolizador escogido –cuanta mayor potencia, mayor capacidad de producir hidrógeno– y también por el factor de capacidad/planta (capacity factor o load factor en inglés), que es el cociente entre el consumo eléctrico real y el máximo posible. Su fórmula es
![\[f = \frac{Energía\consumida\ en\ un\ año}{(Potencia\ del\ Electrolizador)\cdot(1\ año)}.\]](https://afs-services.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-7f8cc082af87e40b613c9a8ac8925ba6_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Cualitativamente, esta cantidad indica el porcentaje equivalente del año durante el que, de forma hipotética, la planta opera a pleno rendimiento. En el caso de un electrolizador acoplado a una fuente de energía fotovoltaica, este factor rondará el 20-25% para plantas fotovoltaicas que operen un número de horas equivalentes de 1800-2200 al año debido a la falta de sol durante buena parte del año.
También existe la posibilidad de que el hidrógeno verde pueda ser generado a través de la conexión a la red eléctrica, en cuyo caso se necesitarían certificados verdes para garantizar el origen renovable de la energía. De todos modos, aunque el electrolizador estuviese acoplado directamente a la red, no se espera que el electrolizador esté funcionando a pleno rendimiento durante el 100% del tiempo.
LCOH para un ejemplo
Una vez descritos los elementos más importantes del coste del hidrógeno, podemos ilustrar su cálculo para un caso modelo. Consideremos una planta de producción de hidrógeno verde caracterizada por los siguientes parámetros:
- Electrolizador con una potencia de 20 MW con un coste de 16 millones de € (800€/kW). Asumiendo una eficiencia de 50 kWh/kg de
, el electrolizador a pleno rendimiento será capaz de generar 400 kg/h, equivalente a 3,5 mil toneladas al año. - Asumiendo un precio de la electricidad de 50 €/MWh, el coste del consumo eléctrico con el electrolizador a pleno rendimiento será de 20
50 = 1000 €/h, equivalente a 8,76 millones de € al año. - Factor de capacidad (
): 90%. - Tasa de descuento (
): 8%. - Vida útil de la planta (
): 25 años.
Empleando la fórmula del LCOH,
![\[LCOH = \frac{Coste\ electrolizador + \sum_{t=1}^{VU} \frac{Coste\ anual\ de\ la\ electricidad}{(1+r)^t}}{\sum_{t=1}^{VU} \frac{Cantidad\ de\ H_2\ producida\ al\ año}{(1+r)^t}}\]](https://afs-services.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-d6618c941b50ac3b193368804c8f5d6c_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
![\[= \frac{16\ \textrm{mEUR} + (f\cdot8,76\ \textrm{mEUR})\sum_{t=1}^{VU} \frac{1}{(1+r)^t}}{(f\cdot 3.500.000\ kg)\sum_{t=1}^{VU} \frac{1}{(1+r)^t}} = \frac{16\ \textrm{mEUR}}{(f\cdot 3.500.000\ kg)\sum_{t=1}^{VU} \frac{1}{(1+r)^t}} + \frac{8,76\ \textrm{mEUR}}{3.500.000\ kg}.\]](https://afs-services.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-6c3640f8a2c1693a97e574935b6a15b9_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
La cantidad de electricidad consumida crece/disminuye proporcionalmente a la cantidad de hidrógeno producida. Esto hace que su división (el término a la derecha) sea independiente tanto de como de . Su valor es igual a 8,76 m€ / 3.500.000 kg = 2,5 €/kg.
Esta simplificación no sucede para el término de la izquierda, correspondiente al coste del electrolizador. Para evitar tener que hacer la suma de todos los elemento del sumatorio, podemos usar la fórmula 
y por lo tanto obtendremos que
![\[LCOH = \frac{4,57}{f}\cdot\frac{r}{1 - (1+r)^{-VU}} + 2,50 = \frac{0,47}{f} + 2,50 = 3,02\ \textrm{EUR}/kg\]](https://afs-services.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-6c6c5b74255b1a518a6b9d9ec0f6ad31_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Más allá del valor del LCOH para este ejemplo en particular, es importante observar que éste en general es mayor cuanto menor sea . Por ejemplo, para un factor de capacidad parecido al obtenido de fuentes renovables, = 25%, obtendríamos un LCOH = 4,36 €/kg, significativamente más alto que los 3,02 €/kg obtenidos para el caso con = 90%. Esta subida en el coste se produce porque cuanto menos hidrógeno se produzca (al ser menor), más nos costará recuperar el coste del electrolizador. No obstante, para un tan bajo, sería más realista asumir un coste de la electricidad similar al de las renovables, en torno a 25 € /MWh. En este caso, el LCOH volvería a bajar hasta los 3,11 €/kg.
Es importante tener en cuenta que este cálculo no incorpora los costes adicionales que suponen la compresión del hidrógeno, su almacenamiento o su distribución al consumidor, que hacen aumentar considerablemente el LCOH. Tampoco han sido considerados los costes de explotación de la planta más allá del coste del suministro eléctrico, como por ejemplo los costes de la mano de obra o del consumo de agua. Sin embargo, la información que hemos proporcionado es importante para entender los cálculos que subyacen muchos de los estudios en torno al coste del hidrógeno verde.
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