Movilidad en base a Hidrógeno Economía de la cadena producción, logística-distribución y dispensación.
15 de Junio de 2021
EVOLUCIÓN DE LAS MOLÉCULAS ENERGÉTICAS
CONTEXTO GLOBAL – Un poco de historia Ciclos tecnológicos históricos vs. Coyuntura económica (Ciclos de Kondratieff.) Primera Revolución Industrial
1787
Era de las Máquinas de Vapor y el Ferrocarril
1842
Edad del acero, la electricidad y la combustión interna
1897
Boom de guerra y posguerra: Suburbios
1939
Era post industrial: Tecnologías de la información
1982
2015
CONTEXTO GLOBAL – Un poco de historia Ciclos tecnológicos y mix energético históricos. “Edades de la energía”
CONTEXTO GLOBAL – Un poco de historia Ciclos tecnológicos y mix energético históricos. “Edades de la energía”
H2 2 átomo de H2
Gas Natural
H/C = 2 1 átomo C x 2 átomo de H2
H/C = 0,5 2 átomos C x 1 átomo de H2
Petróleo
Carbón
Densidad Energética (MJ/m3)
Poder Calorífico Superior (MJ/kg)
H2
H/C = 4 1 átomo C x 4 átomo de H2
La complejidad en la GESTIÓN de MOLÉCULAS ENERGÉTICAS viene determinada por su DENSIDAD. Los AVANCES TECNOLÓGICOS son los que nos han permitido saltar de una a otra
DENSIDAD (kg/m3)
Poder Calorífico Superior (MJ/kg)
Densidad Energética (MJ/m3)
Hidrógeno
0,08375
141,88
11,88
Gas Natural
0,768
50,84
39,05
Crudo de Petróleo
856
45,3
38.776,80
Carbón
950
27,05
25.697,50
Condiciones 1 atm, 15ºC Fuente: PETRONOR
Densidad (kg/m3)
Últimas noticias en movilidad de hidrógeno
Últimas noticias en movilidad de hidrógeno Movilidad para mercancías por carretera Citroën muestra su furgoneta eléctrica de hidrógeno, la ë-Jumpy Hydrogen Peugeot presenta su primera furgoneta eléctrica de hidrógeno, la e-Expert Hydrogen Stellantis, el grupo procedente de la fusión de PSA y FIAT, ha anunciado sus primeros comerciales ligeros de hidrógeno. Concretamente, serán furgonetas de Peugeot, Citroën y Opel que ya conocemos en versión eléctrica, es decir: Expert, Jumpy y Vivaro. Su autonomía: más de 400 km; su tiempo de recarga: 3 minutos
Últimas noticias en movilidad de hidrógeno Movilidad para transporte pasajeros categoría M1 CAR & DRIVE https://www.caranddriver.com/es/movilidad/a36595993/toyota-mirai-record-1000-km-hidrogeno/
Récord: El Toyota Mirai recorre más de 1.000 km con un depósito de hidrógeno La tecnología de la pila de combustible de Toyota sigue demostrando de lo que es capaz con este largo viaje con un solo tanque de hidrógeno verde realizado en Francia El viaje comenzó el pasado miércoles 26 de mayo de 2021 a las 5:43 h en una hidrogenera en Orly, Francia, desde donde comenzó un viaje sin repostar hasta recorrer un total de 1.003 km, recorridos por vías públicas del sur de París y por las zonas de Loir-et-Cher y Indre-et-Loire
Eso, sumado a la gran eficiencia de la pila de combustible, el almacenamiento mejorado del hidrógeno y la mejorada aerodinámica de este nuevo Mirai han permitido lograr un consumo medio de combustible de 0,55 kg/100km - el nuevo Mirai puede almacenar hasta 5,6 kg de hidrógeno -
Se empleó hidrógeno verde y se realizó un estilo de "conducción ecológica" aunque sin recurrir a más trucos ni técnicas que no pudiera realizar un conductor corriente.
De esta forma lo que normalmente daría para una autonomía máxima de 650 km en condiciones normales de conducción ha permitido superar los 1.000 km. Además nada más conseguir el récord el Mirai estaba de nuevo listo para conducirse tras un repostaje de solo cinco minutos
Toyota Mirai ha conseguido recorrer nada menos que 1.003 km de distancia sin repostar únicamente con hidrógeno verde, firmando así un récord mundial de distancia recorrida con esta tecnología.
Últimas noticias en movilidad de hidrógeno Movilidad para transporte pasajeros categoría M1 COMBUSTIBLE
PRECIO COMBUSTIBLE
CONSUMO
(SIN IVA)
COSTO [€/km]
Coche convencional
Diesel
6
l/100 km
1,0
€/litro
0,06
Toyota Mirai
H2
0,55
kg/100 km
10,9
€/kg
0,06
TOYOTA
AUTONOMÍA
650-1000 km en función de conducción Tienen margen de mejora
MIRAI
RECARGA
Ofrece unas prestaciones similares a un vehículo convencional
Tiempo recarga < 5 min 100% del depósito
PRECIO
Toyota Mirari Vision: 69.000 euros
UNIDADES
Unidades vendidas: 11.000 acumuladas desde 2015
¿Puede ser una opción competitiva para una persona que utilice el vehículo a diario? ¿Cuánto van a costar estos coches en 5 años? ¿Cuánto tiene que costar el hidrógeno en una estación de servicio para que resulte atractiva esta opción?
Costes de la cadena logística de H2 movilidad en la actualidad
Propiedades del hidrógeno
Propiedades del hidrógeno Condiciones de las moléculas energéticas para su comercialización para movilidad DENSIDAD
FASE GAS
PCS
PCI
(kg/m3)
(MJ/kg)
(MJ/l)
(Kwh/kg)
(Kwh/l)
(MJ/kg)
(MJ/l)
(Kwh/kg)
(Kwh/l)
Hidrógeno (1 atm, 15ºC)
0,084
142
0,012
39,1
0,003
120
0,010
33,0
0,003
Gas Natural (1 atm, 15ºC)
0,74
57
0,042
15,7
0,012
51
0,038
14,0
0,010
GNC (200 bar, 15ºC)
158,5
57
9,0
15,7
2,48
51
8,084
14,0
2,22
Hidrógeno (350 bar, 15ºC)
24
142
3,4
39,1
0,94
120
2,880
33,0
0,79
Hidrógeno (700 bar, 15ºC)
40
142
5,7
39,1
1,56
120
4,800
33,0
1,32
GNL (-161 ºC, 1 atm)
431
57
24,6
15,7
6,76
51
21,981
14,0
6,04
GLP (10 bar, 15ºC)
560
50
28,0
13,8
7,70
45
25,200
12,4
6,93
Gasolina (1 atm, 15ºC)
741
47
34,8
12,9
9,58
44
32,604
12,1
8,97
Gasóleo (1 atm, 15ºC)
845
45
38,0
12,4
10,46
43
36,335
11,8
9,99
FASE LÍQUIDO
Nota: Ahorros energéticos asociados a la tecnología FCEV COMBUSTIBLE
CONSUMO
CONSUMO ENERGÉTICO
Coche convencional
Diesel
6
l/100 km
60
kwh
Toyota Mirai
H2
0,55
kg/100 km
18,15
kwh
Propiedades del hidrógeno Densidad energética y energía específica de los combustibles con y sin el peso del volumen del tanque.
Fuente: TNO Julio 2020
Costes de una cadena logística de H2 movilidad en la actualidad Ejemplo: Ejercicio para estimación de coste para cliente Concepto de Coste Nivelado El LCOH es una herramienta útil para la comparación de los costos unitarios de diferentes tecnologías
Incluye todos los costos a lo largo de la vida útil del proyecto: la inversión inicial, operación y mantenimiento, el costo de electricidad, coste
𝐼𝑡 = Desembolso anual de la inversión 𝑀𝑡= Coste anual de operación y mantenimiento 𝐸𝑡= Coste anual en energía A𝑡= Otros costes 𝐻𝑡= Producción anual de H2 verde 𝑟 = Tasa de descuento 𝑛 = ciclo vida instalación
agua y coste financiero
Costes de una cadena logística de H2 movilidad en la actualidad Ejemplo: Ejercicio para estimación de coste para cliente Para la utilización del hidrógeno renovable producido en movilidad, es necesario crear una solución logística acorde a las características de este gas
Solución propuesta:
Producción
Compresión
Logística
Dispensación
Es necesario incorporar todos los costes de la cadena logística en el LCOH de producción para obtener el precio final en el punto de suministro
Costes de una cadena logística de H2 movilidad en la actualidad Ejemplo: Ejercicio para estimación de coste para cliente 1- Producción de hidrógeno por electrólisis Supuestos: CAPEX electrolizador 1 M€ / MW, rendimiento del equipo 70%. Tasa descuento 7%, 18 años de amortización, No se considera inflación.
Supuestos: Coste energético 80€ / MWh, rendimiento del equipo 70%. Tasa descuento 7%, 18 años de amortización, No se considera inflación.
Producción de hidrógeno por electrolisis con un coste eléctrico final de 80€/MWh, un CAPEX de 1000 k€/MW, un factor de carga de 8400 horas nos lleva a un LCOH: 4,5 €/kgH2
Costes de una cadena logística de H2 movilidad en la actualidad Ejemplo: Ejercicio para estimación de coste para cliente 2- Compresión Hidrógeno - TEORÍA Energía necesaria para compresión de hidrógeno en compresor multi-etapa referida en % a PCI del hidrógeno
Compresión total bar
100 bar
% PCI kwh/kg
bar
% PCI kwh/kg
0-100
7%
2,33
0-100
7%
2,33
0-200
9%
2,97
100200
2%
0,66
0-350
11 %
3,67
200350
2%
0,66
0-700 13,5 %
4,5
350700
2,5 %
0,83
(Depósitos alta presión 0-1000 15,5 % HRS)
5,16
7001000
2%
0,66
(referencia distribución)
200 bar (almacenamiento subterráneo)
350 bar (vehículos pesados)
700 bar (vehículos pesados)
1000 bar
Source: Based on IRENA analysis based on BNEF, 2019
Compresión relativa a rango de presión anterior
Costes de una cadena logística de H2 movilidad en la actualidad Ejemplo: Ejercicio para estimación de coste para cliente 2- LCOH: Compresión Hidrógeno para transporte por carretera (300 bar) SUPUESTOS: CAPEX compresor 50kg/hr / dP=300bar: 750.000€, energía consumida para compresión a 300 bar igual a 10% PCI de hidrógeno por kilogramo comprimido, rendimiento del equipo 70%. Tasa descuento 7%, 18 años de amortización, No se considera inflación
Para un supuesto de coste eléctrico final para el consumidor de 0,08 €/kWh y 8400 horas de funcionamiento, manteniendo el resto de supuestos tenemos un valor aproximado de LCOH = 0,71 €/kg H2
Costes de una cadena logística de H2 movilidad en la actualidad Ejemplo: Ejercicio para estimación de coste para cliente 3- Logística transporte hidrógeno – TEORÍA - Energía transportada por carretera. 12,00
Energía / Peso total Transportado (MWh/tn) 9,86
10,00
8,73
8,46
8,00
6,00
4,00
2,00
0,61 0,00
Hidrógeno (300bar, 15ºC)
Peso Semiremolque Densidad Producto (sin carga (kg/m3) combustible) (tn)
GNL (-161 ºC, 1 atm)
GLP (10 bar, 15ºC)
Diesel
Peso combustible transportado (tn)
Peso total transportado (tn)
PCI (kwh/kg)
Energía transportada (MWh)
"Energía / Peso total Transportado (MWh/tn)"
23
0,506
27,506
33
17
0.61
12,5
431
20,688
33,188
14
290
8,73
48
12,5
560
26,88
39,38
12,4
333
8,46
48
8
845
40,56
48,56
11,8
479
9,86
Remolque 3 Ejes - 30 pies
Capacidad Volumétrica útil (m3)
Hidrógeno (300bar, 15ºC)
22
27
GNL (-161 ºC, 1 atm)
48
GLP (10 bar, 15ºC) Diesel
Costes de una cadena logística de H2 movilidad en la actualidad Ejemplo: Ejercicio para estimación de coste para cliente 3- LCOH: Logística transporte hidrógeno (300 bar)
Coste transporte hidrógeno por carretera
SUPUESTOS CAPEX remolque transporte hidrógeno de 500kg a 300 bar: 300.000€, coste servicio cabeza tractora 1,3 €/km. Tasa descuento 7% y 18 años de amortización, No se considera inflación. No incluidos costes de compresión
Transportar 500 kg de hidrógeno al día a una distancia de 200 km tendría un LCOH: 0,75 €/kgH2 (PCI:33kwh/kg) 0,023 €/kwh
Coste transporte diésel por carretera SUPUESTOS: CAPEX cisterna transporte diésel de 48m3: 150.000€, tasa descuento 7% y 18 años de amortización, coste servicio cabeza tractora 1,3 €/km
Transportar 45.000 litros de diésel al día a una distancia de 200 km incrementaría el precio aproximadamente en 0,007 €/litro diésel (PCI:9,99kwh/litro) 0,0007 €/kwh
La logística de transporte de energía en forma hidrógeno por carretera puede ser del orden de más de 25 veces más costosa que hacerlo con diésel
Costes de una cadena logística de H2 movilidad en la actualidad Ejemplo: Ejercicio para estimación de coste para cliente EN EL CASO
*- Comparación de resultados
PRÁCTICO:
Costes de transporte de hidrógeno en función de distancia y cantidad transportada. (Incluye compresión) H2 transport costs based on distance and volume, $/kg, 2019
Compresión 0,71€/kg
Distribució n0,75€/kg Transporte * 1,46 €/kg * comparativo para 200km
El transporte licuado, que requiere de inversiones en plantas de licuefacción y cisternas para transporte licuado, solo se justifica para distancias superiores a 500km. Las inversiones en tubería canalizada requieren de grandes volúmenes de trasiego para justificarse. A día de hoy, únicamente pueden justificarse para grandes consumos industriales. El consumo de transporte está lejos de justificarlo.
Costes de una cadena logística de H2 movilidad en la actualidad Ejemplo: Ejercicio para estimación de coste para cliente 4- Dispensación en HRS Costes de dispensación hidrógeno en HRS
Supuestos: Costes de HRS: Capacidad HRS (kg/día)
Coste HRS (€)
100
1300000
200
1700000
300
1900000
400
2200000
500
2500000
600
2700000
700
2900000
800
3200000
900
3400000
1000
3800000
Energía consumida para compresión desde 300 bar a 700 bar igual a 3% PCI de hidrógeno por kilogramo comprimido Coste eléctrico final supuesto: 0,08 €/kg Tasa descuento 7% y 18 años de amortización, No se considera inflación.
Dispensar hidrógeno en una HRS de 200 kg/día a 700 bar con un factor de utilización de un 60% lleva a un LCOH: 5,44 €/kgH2
Costes de una cadena logística de H2 movilidad en la actualidad Ejemplo: Ejercicio para estimación de coste para cliente Distribución de Costes en la Cadena Logística de Hidrógeno para movilidad
Las principales contribuciones al precio final son: • la producción OPEX Coste de la energía • dispensación en HRS CAPEX costes manufactura
De acuerdo a los supuestos considerados, los costes para el cliente final pueden superar los 10€/kg.
Un Toyota Mirai con un coste en dispensador de 11 €/kg y en una conducción de 0,55 kg/100km podría recorrer de 100km con un coste de unos 6 € Nota: El ejercicio no ha tenido en cuenta gastos de administración, licencias, seguros,…… Además, se trabaja con supuestos de factores de utilización superiores al mercado actual para movilidad hidrógeno.
Costes de una cadena logística de H2 movilidad en la actualidad Ejemplo: Ejercicio para estimación de coste para cliente COSTE DEL HIDRÓGENO
Costes de una cadena logística de H2 movilidad en la actualidad Ejemplo: Ejercicio para estimación de coste para cliente COSTE ACTUAL EN HIDROGENERAS DE PROGRAMAS EUROPEOS DE DESPLIEGUE DE INFRAESTRUCUTURA DE HIDRÓGENO
Berlin | Holzmarktstraße | TOTAL
Colonia/Bonn | Aeropuerto | TOTAL Estas dos estaciones pertenecen a “H2 MOBILITY Deutschland”, iniciativa alemana para el despliegue de HRS. Se han constituido como empresa y recibe fondos tanto del Gobierno alemán, como de FCH JU (Proyecto H2ME). Entidades: Air Liquide, Daimler, Linde, OMV, Shell, TOTAL. https://h2.live/en/h2mobility
Turismos 700 bar
Turismos 700 bar
9,5 €/kg H2 22/01/2020
9,5 €/kg H2 20/02/2019
Costes de una cadena logística de H2 movilidad en la actualidad Ejemplo: Ejercicio para estimación de coste para cliente CONCLUSIONES - Las cadenas logísticas de hidrógeno para movilidad en la actualidad se plantean con transporte en base a hidrógeno gas presurizado. Con los consumos actuales y esperados a medio plazo no se justifican cadenas logísticas en base a hidrógeno licuado o la utilización de portadores de hidrógeno (“Carriers”) - Las principales contribuciones al coste final para el cliente se producen en la producción por el alto coste energético de la electrolisis (Opex) y en la dispensación por el alto coste de las hidrogeneras (Capex).
- El mercado de hidrógeno movilidad necesita para disponer de hidrógeno competitivo: Energía renovable accesible y competitiva (De forma más intensiva si se apuesta únicamente por la electrolisis) La estandarización y escalado en la manufactura de hidrogeneras para abaratar costes. Un factor de utilización mínimo, es decir, unos primeros clientes que justifiquen la inversión en infraestructura
Despliegue de Infraestrucutra de Recarga
Despliegue de Infraestructura de recarga Conclusiones del estudio de IEA “The Future of Hydrogen” para G20 de Japón de 2019 ¿Cómo comenzar? Equilibrio para vencer las barreras para la rápida absorción de hidrógeno para el transporte.
• • •
tamaño de la estación de servicio el costo del hidrógeno demanda de hidrógeno
Las estaciones pequeñas tienen sentido económico en la fase de implementación inicial, ya que es más probable que aseguren tasas de utilización de la capacidad más altas cuando la demanda de hidrógeno de los vehículos de transporte es limitada. Una vez que se han establecido volúmenes de demanda suficientes, las estaciones más grandes se vuelven más económicas y pueden ayudar a reducir el costo del hidrógeno para los usuarios finales.
Despliegue de Infraestructura de recarga Conclusiones del estudio de IEA “The Future of Hydrogen” para G20 de Japón de 2019 Nuestro caso teórico
Los precios del hidrógeno en el punto de dispensación son muy sensibles a la utilización de las estaciones de repostaje de hidrógeno. Por ejemplo: Una proporción cercana a 10 coches por estación (como es el caso en Europa) implica que las bombas funcionan menos del 10% del tiempo si las estaciones de servicio tienen una capacidad de 50 kgH2 por día. Esto se traduce en un alto precio de alrededor de 15-25 $ / kgH2 si los costos de construcción y operación de estaciones de servicio se pagan con las ventas de combustible durante la vida útil de una estación.
Despliegue de Infraestructura de recarga Cada país ha seguido estrategias distintas Un ratio alto de automóviles por estación de servicio implica una mejor coordinación entre despliegue de vehículos y la infraestructura y debería conducir a precios más bajos del hidrógeno. EEUU y Corea del Sur tienen ratios altos de utilización. Francia o China tienen ratios altos pero se debe a que sus estaciones de servicio están asociadas a flotas cautivas de transporte público. Alemania y Europa en general, así como Japón, han seguido políticas de despliegue de infraestructura de recarga agresivas para facilitar la adopción de vehículos de hidrógeno. Como consecuencia, en una primera etapa disponen de factores de utilización muy bajos. Han sido necesarios grandes programas de subvenciones para abordar este despliegue.
Despliegue de Infraestructura de recarga Recomendaciones para comenzar con el despliegue de infraestructura El informe ofrece dos posibles vías para ayudar a desarrollar una infraestructura de recarga: •
Centrarse inicialmente en la construcción de infraestructura de reabastecimiento de combustible para flotas cautivas pero mantenerlas abiertas para uso público, ofreciendo así puntos de reabastecimiento de combustible a los primeros usuarios de FCEV a un bajo costo marginal.
•
Un enfoque alternativo, que sería otorgar créditos a las estaciones de servicio en función de la brecha entre las tasas de utilización reales y las específicas mínimas establecidas como referencias. Siguiendo de esta forma el ejemplo de California donde existe una variedad de instrumentos y políticas que se combinan para respaldar la inversión privada en infraestructura de reabastecimiento.
Despliegue de Infraestructura de recarga Infraestructura pública de recarga de hidrógeno en Europa
https://h2.live/en
Despliegue de Infraestructura de recarga Futura infraestructura pública de recarga de hidrógeno en Euskadi
ESKERRIK ASKO