Ing. Gonzalo Oscar Eulate Choque – R.N.I. 8718

Es Ingeniero Electricista de la Universidad Mayor de San Andrés con Maestría en Ingeniería del Software, Maestría en Ingeniería Eléctrica – Energía, Postgrado en Economía Informática y Diplomados en Ingeniería del Software, Sistemas Inteligentes, Robótica.

RESUMEN

El proyecto de investigación contempla, el uso y la producción de hidrógeno verde a partir del uso de sistemas fotovoltaicos. La producción del hidrógeno verde, considera el proceso químico de la electrolisis, que utiliza la corriente eléctrica continua para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. El resultado es el hidrógeno verde considerado como vector energético, debido a la posibilidad de su uso, en la producción de amoniaco para fertilizantes, en la producción de acero, en el reemplazo o combinación con el gas natural para el sector industrial y domiciliario donde la energía eléctrica es suministrada por los sistemas fotovoltaicos.

INTRODUCCIÓN

Actualmente en Bolivia se tiene en funcionamiento los proyectos eólicos de Qollpana y los proyectos solares de Yunchará, Uyuni y Oruro. Debido al nivel de irradiación en el Altiplano boliviano se cuenta con una generación de energía eléctrica en base a centrales fotovoltaicos, que a su vez este nos permitirá la producción del hidrogeno verde mediante el proceso de la electrolisis que no emite carbono al medio ambiente.

El hidrogeno presenta las alternativas de consumo/uso en el sector del transporte, en el sector industrial, residencial y otros, se puede almacenar y transportar en vehículos, así como, se puede transportar en tuberías, para su uso masivo en diferentes sectores económicos del país.

De acuerdo a la figura No 1 (composición de la oferta de generación), el 69% de la generación disponible corresponde a las centrales térmicas a gas y diésel. En Bolivia es subvencionado el gas para el uso en las centrales térmicas para la generación de energía eléctrica, esta ocasiona pérdidas para el estado, es conveniente el reemplazo del gas natural por el hidrogeno verde. 

Respecto al consumo final de energía, de acuerdo al reporte de OLADE de la gestión 2018, el sector de transporte tiene una participación de 58.45% y el sector industrial tiene una participación de 19.21%.

La producción de hidrógeno verde mediante el uso de generación fotovoltaica, presenta una alternativa bastante importante para Bolivia, tomando en cuenta que el nivel de irradiación se encuentra en el orden de 2 a 9,5 kWh/m2-dia. Se presenta a continuación el mapa solar de Bolivia. 

1. Proceso Electrolítico – Electrólisis del Agua

El proceso de electrólisis del agua corresponde a la circulación de corriente continua a través de dos electrodos (ánodo y cátodo), en contacto con el agua se produce la separación de las moléculas en hidrógeno y oxígeno. Este tipo de tecnología es el método limpio para la obtención del hidrógeno a partir del agua mediante el uso de sistemas fotovoltaicos.

El agua utilizada durante este proceso debe ser tratada previamente logrando un nivel de pureza tal, que evite la deposición de minerales y el consiguiente deterioro de los elementos de las celdas, con lo cual se consigue una extracción del hidrógeno con una pureza del orden 99.99 vol.% [2].

Existen tres tipos de electrolizadores que difieren principalmente el electrolítico utilizado: alcalinos, de membrana de intercambio de protones (PEM) y de estado sólido (SOE)

En la siguiente tabla se presenta una comparación de las tecnologías con el método más utilizado de extracción de hidrógeno y el reformado de gas metano.

2. El Hidrógeno como Vector Energético

El hidrógeno como vector energético se basa en el ciclo que se presenta en la figura No 4.

En Bolivia el sector de transporte utiliza el 58% de la matriz energética de consumo (figura No 2), utilizando gas, gasolina y Diesel, se contempla el uso de hidrógeno para el transporte en autos de pasajeros, buses, vehículos utilitarios y otros vehículos eléctricos. Dado que la red de gas y la infraestructura relacionada ya existe, la inyección de hidrógeno en la red de gas es la forma más rentable de almacenar grandes cantidades de hidrógeno, dependiendo del origen del gas natural, el contenido de hidrógeno puede alcanzar hasta 15% en volumen [6]. El hidrogeno presenta un poder calorífico mayor al del gas natural, así también, es posible la combinación del gas e hidrogeno para la producción de electricidad, reduciendo la contaminación de CO2 al medio ambiente y reduciendo las pérdidas económicas al país

3. Costo de Producción de Hidrogeno

El cálculo del costo de hidrógeno se realiza utilizando la siguiente ecuación, propuesta en el documento “Tecnologías del hidrógeno y perspectivas para Chile” referencia 

[2].

Donde:

Pinst= potencia instalada del electrolizador [MW]

?= inversión según la capacidad instalada [USD/MW]

FRC = factor de recuperación de capital en función a la tasa de descuento 

fp = factor de planta

M(fp) = función de costos de mantenimiento como un porcentaje de la inversión.

h = horas en un año

QH2 = capacidad de producción de hidrógeno [kg/h]

QH2O =cantidad de agua consumida [m3/kg de hidrógeno]

PH2O= precio del agua [USD/m3]

Qe= cantidad de electricidad consumida [kWh/kg de hidrógeno] 

Pe = precio de electricidad [USD/MWh]

QO2 = venta de oxígeno tomando en cuenta la cantidad producida [kg O₂/kg H2] 

PO2 = precio de venta del oxígeno [USD / kg O₂]

CONCLUSIÓN

Elevada eficiencia energética. 1 kg de H2 equivale aproximadamente a 3,5 litros de diésel y una pila de combustible es el doble de eficiente que un motor de combustión interna, con lo que 1 kg de hidrógeno equivale a 7 litros de diésel, y con 1 kg de hidrógeno se pueden recorrer aproximadamente 120 km en el caso de vehículos utilitarios (por lo tanto, con 33,33 kWh de energía se pueden recorrer 120 km), mucho más eficiente que los vehículos alimentados por combustibles convencionales.

Combustible autóctono. El hidrógeno se puede generar a partir del agua, mediante el proceso de químico de la electrólisis, que otorga seguridad en cuanto al suministro y evita la dependencia energética en el mediano y largo plazo.

Ausencia de contaminantes a la atmósfera. El hidrógeno se combina con el oxígeno del aire en la pila de combustible, produciendo electricidad como producto principal, agua y calor como subproductos. La electricidad se aprovecha y el calor se disipa, por lo que la única emisión asociada es el vapor de agua que el vehículo emite por el tubo de escape.

Estrategia Nacional de Hidrogeno Verde. Existe la necesidad de establecer una estrategia a corto, mediano y largo plazo, considerando la generación de electricidad superior a 5 GW para la producción de por lo menos de 200 kton/año. Considerando: el incentivo al mercado interno y a la exportación, el desarrollo social y territorial de las comunidades en el altiplano boliviano, la adecuación del marco regulatorio (normativa para la producción y uso) y la formación de capacidades en los recursos humanos del estado boliviano.

Polos de Desarrollo Nacional. La producción del hidrógeno verde, brinda una enorme oportunidad a Bolivia, como es el caso del aprovechamiento de las aguas del Silala para el proceso de electrólisis entre otros como posible polo de desarrollo Nacional.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• [1] Castillo, A.E. (2013) Respuesta inercial de sistemas de potencia con grandes inyecciones de generación fotovoltaica. Tesis de licenciatura. Chile, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Chile – Santiago de Chile.

• [2] Vásquez, R.; F. Salinas y Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH, (2018) Tecnologías del hidrógeno y perspectivas para Chile. Editorial Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH Friedrich-Ebert-Allee 40 53113 Bonn • Alemania.

• [3] Fernández, M., F. Fernández, C.; G. Rodríguez, Energética. (2020). “Situación Energética de Bolivia y Desafíos” en Situación Energética Bolivia Final – WWF [En línea]. Bolivia, disponible en:https://wwflac.awsassets.panda.org/downloads/1_situacion_energetica_bolivia_25_02_optimized.pdf [Accesado el día 3 de agosto de 2021]

• [4] Comité Nacional de Despacho de Carga. (2020). “Memoria anual 2020 resultados de la operación del SIN” en Comité Nacional de Despacho de Carga [En línea]. Bolivia, disponible en: https://www.cndc.bo/boletines/memorias.php?idcat=7 [Accesado el 5 de agosto de 2021] 

• [5] Aguado, R.; Casteleiro, J.; Jove, E.; Zayas, F.; Quintián, H. y J. Calvo, (2021) Hidrógeno y su almacenamiento El futuro de la energía eléctrica. Universidad de Coruña, Servizo de Publicacións. Coruña.

• [6] Ministerio de Energía, Gobierno de Chile, (2020). “Estrategia nacional de hidrógeno verde” em Ministerio de Energía, Gobierno de Chile [En línea] Chile, disponible en: https://energia.gob.cl/sites/default/files/estrategia_nacional_de_hidrogeno_verde_-_chile.pdf [Accesado el día 6 de agosto de 2021]