El hidrógeno limpio por 1,50 dólares/kg podría promover una importante descarbonización. ¿Qué se necesita para conseguirlo con la electricidad renovable?
El hidrógeno producido por 1,50 dólares/kg podría ser la opción de descarbonización más competitiva para una fracción significativa de la demanda energética mundial. ¿Qué se necesita para llegar a ese punto de coste para el hidrógeno limpio producido a partir de electricidad renovable? Probablemente se necesitarán mejoras monumentales en la tecnología si sólo utilizamos el excedente de electricidad renovable que, de otro modo, se reduciría. Y si queremos disponer de grandes cantidades de hidrógeno renovable a ese coste, necesitaremos una generación de electricidad renovable dedicada a muy bajo precio, no sólo un "excedente" de energía. He aquí el motivo: fundamentalmente, el hidrógeno renovable es una extensión de la electricidad renovable, como la energía solar y la eólica, y hasta que ambas sean muy baratas y abundantes, el hidrógeno renovable tampoco será barato ni abundante.
La razón está enterrada en cómo se fabrica el hidrógeno renovable. Un dispositivo llamado electrolizador utiliza la electricidad para dividir las moléculas de agua en moléculas de hidrógeno y de oxígeno. Se necesitan unos 52 kilovatios-hora de electricidad para producir un kilogramo de hidrógeno de esta manera, más o menos. (Las estimaciones reales de eficiencia varían y dependen de lo que se incluya en la definición del sistema, entre otras cosas).
A partir de esta eficiencia básica podemos hacer algunos cálculos básicos. Si tienes un electrolizador y quieres hacer hidrógeno renovable, entonces si la electricidad renovable te cuesta cinco Estados Unidos céntimos por kilovatio-hora (5 céntimos/kWh), sólo el coste de comprar esa electricidad te supondrá un coste de producción de hidrógeno de 2,60 dólares/kg. El coste medio nivelado de la electricidad (LCOE) estimado para los nuevos parques e ólicos en Estados Unidos en 2019 era de 3,5 céntimos/kWh. Si pagas ese precio por la electricidad, tu hidrógeno costaría 1,82 dólares/kg, antes de considerar cualquiera de los otros costes de producción como la compra y el funcionamiento de un electrolizador.
¿Cuánto contribuye el propio electrolizador al coste del hidrógeno renovable? Las opiniones al respecto son muy variadas. Un estudio reciente realizado en los Países Bajos sitúa el coste de un proyecto muy grande en 1.400 euros por kilovatio (unos 1.700 dólares/kW). Los analistas de Bloomberg New Energy Finance suponen que el coste podría bajar a 115 dólares/kW en 2030. No hace falta decir que se trata de un rango enorme y que es objeto de importantes especulaciones en los círculos políticos. Como punto de referencia, la Agencia Internacional de la Energía indica que los electrolizadores cuestan hoy 900 dólares/kW y que el coste podría bajar a 700 dólares/kW en 2030.
Veamos lo que estas cifras podrían significar para el coste del hidrógeno renovable. Si compramos un electrolizador al precio de 900 $/kW indicado por la AIE hoy en día, y lo financiamos durante varias décadas con una tasa de rendimiento de la deuda y el capital comercial típica, podría costarnos 85 $ anuales de recuperación de capital por cada kW de capacidad que compremos. (Esto supone un factor de recuperación de capital de algo más del 9%, que se aproxima a lo que la AIE supone en sus análisis). Si sólo se hace funcionar el electrolizador un día al año, el coste de pagar el electrolizador ascendería a unos 200 dólares por cada kilo de hidrógeno producido. Está claro que nadie lo haría.
El impacto de la frecuencia con la que una inversión de capital como un electrolizador funciona realmente se refleja en el factor de capacidad, que suele expresarse como un porcentaje de funcionamiento 24/7/365. Los grandes proyectos recientes de energía eólica en Estados Unidos tienen un factor de capacidad anual de alrededor del 40%. Las centrales nucleares suelen tener un factor de capacidad anual superior al 90%. Los proyectos de energía solar fotovoltaica en California son más bien del 25%.
Esto es mucho mejor que un día al año, y si se compra electricidad renovable de una de estas fuentes se produce mucho más que un día de hidrógeno renovable. Con un factor de capacidad anual del 40% en el caso de la energía eólica, el gasto de capital del electrolizador de 900 $/kW se traduce en unos 1,25 $/kg de hidrógeno, o 1,45 $/kg si se incluyen los costes de funcionamiento y mantenimiento.
El coste total para producir el hidrógeno es el coste anual de financiación y mantenimiento del electrolizador, más la compra de la electricidad renovable para hacerlo funcionar. Si se compra un electrolizador al precio actual de 900 $/kW indicado por la AIE, se paga algo más del 9% anual de recuperación de capital más algo de O&M, y se suministra desde un parque eólico típico de Estados Unidos que produce electricidad con un factor de capacidad del 40% y se pagan 3,5 céntimos/kWh de media por esa electricidad, el hidrógeno costaría 3,27 $/kg (1,82 $/kg + 1,45 $/kg). La política centrada en el clima debe apoyar la producción a este nivel de costes a corto plazo, pero tenemos que reducir esos costes.
En la siguiente figura se representa el impacto de las posibles mejoras del electrolizador en el coste de producción de hidrógeno en función del precio de la electricidad limpia y del factor de capacidad. La línea continua corresponde al electrolizador actual de la AIE y a la combinación del precio de la electricidad renovable y el factor de capacidad de la electricidad renovable que produce 1,50 dólares/kg de hidrógeno. Por encima y a la izquierda de la línea sólida, el hidrógeno producido por el electrolizador actual de la AIE cuesta más de 1,50 $/kg. Por debajo y a la derecha de esa línea, el hidrógeno producido por ese electrolizador cuesta menos de 1,50 $/kg.
Desgraciadamente, para producir hidrógeno renovable por 1,50 dólares/kg, es necesario disponer de electricidad renovable gratuita para hacer funcionar el electrolizador con un factor de capacidad cercano al 40% o, si hay que pagar por la electricidad, ésta no debe superar los 1,8 céntimos/kWh si está disponible con un factor de capacidad del 100%, e incluso un coste inferior si está disponible con un factor de capacidad inferior al 100%. Esta combinación de alto factor de capacidad y electricidad renovable gratuita o de muy bajo coste simplemente no está disponible.
Afortunadamente, ese no es el final de la historia. La línea discontinua de la figura indica lo que ocurre si el coste del electrolizador baja a los 700 dólares/kW indicados por la AIE para 2030. (La línea también refleja una modesta mejora de la eficiencia de los electrolizadores para esa fecha). Con este cambio, puede permitirse pagar algo más de 2,2 céntimos/kWh por la electricidad renovable, si la compra a ese precio las 24 horas del día y los 365 días del año. A la inversa, sólo se necesita una electricidad renovable con un factor de capacidad algo inferior al 30% si es gratuita.
Todavía no se trata de una combinación de factor de capacidad y precio que esté disponible generalmente para la electricidad renovable. Pero la dirección de lo que es posible con mejores electrolizadores está clara. Y aunque no está representado en la figura, podemos calcular lo que ocurriría si un electrolizador estuviera disponible por el bajísimo coste de 115 dólares/kW. A ese precio, la electricidad renovable gratuita sólo tendría que estar disponible con un factor de capacidad anual de alrededor del 5% para obtener 1,50 dólares/kg de hidrógeno. La electricidad renovable gratuita con un factor de capacidad del 5% es similar a las condiciones de restricción o "excedente" de generación renovable que se dan en algunas zonas con niveles de electricidad renovable muy elevados. Esto sugiere que si los costes de los electrolizadores pueden reducirse drásticamente, cuando se combinan con un excedente de electricidad de muy bajo coste, podría ser posible obtener hidrógeno renovable por 1,50 dólares/kg.
El problema de depender de un excedente de electricidad renovable casi gratuito para la producción de hidrógeno a gran escala (además de la necesidad de un electrolizador de muy bajo coste) es que los volúmenes de hidrógeno que podemos producir a partir de estos excedentes son probablemente bastante limitados. Fundamentalmente, no es probable que el recorte sea una fuente escalable de energía barata. El exceso de generación renovable representa un coste para el resto del sistema eléctrico o bien se desarrollan mercados para utilizar el exceso de generación, con lo que la competencia por ese recurso aumenta su precio. En cualquier caso, si no se produce una sobreexpansión de las energías renovables, los volúmenes de hidrógeno que podemos producir a partir de la generación renovable restringida parecen ser modestos en el mejor de los casos.
Sin embargo, en el extremo más optimista del espectro de costes de los electrolizadores, la electricidad renovable dedicada con precios de hasta 2,4 céntimos/kWh podría dar lugar a 1,50 dólares/kg de hidrógeno, si esa electricidad está disponible con un factor de capacidad anual de alrededor del 30%. Estados Unidos Algunos proyectos de energía solar fotovoltaica a escala de servicios públicos en el suroeste de EE.UU. parecen acercarse a ese LCOE y factor de capacidad. La energía eólica también ha mejorado mucho, aunque quizá se esté estabilizando. En los 5 años siguientes a 2009, el LCOE de la energía eólica Estados Unidos se redujo un 47%. En los cinco años siguientes, hasta 2019, el LCOE descendió otro 27%.
Es probable que se requiera un desarrollo y un despliegue monumentales para alcanzar unos costes de electrolizadores tan extremadamente bajos. El coste de 115 $/kW asumido por algunos analistas se basa en extrapolaciones de la curva de aprendizaje a partir de una base ya baja que no refleja las instalaciones de Estados Unidos y no incluye los costes de equipos como la electrónica de potencia, que por sí solos pueden ser significativos para proyectos similares. Deberíamos prepararnos para pagar 250 dólares/kW o 500 dólares/kW o más para desplegar ampliamente los electrolizadores en las próximas dos décadas. Ese puede ser el tema de otro post aquí. Pero si podemos avanzar sustancialmente hacia esos electrolizadores de bajo coste, podremos empezar a producir hidrógeno renovable asequible utilizando electricidad renovable a un precio realista a gran escala, y eso será muy bueno para la protección del clima.
