Estudio del abastecimiento de hidrógeno como combustible de transporte e influencia en el sector eléctrico

Abstract

El proyecto en cuestión intenta determinar el impacto que tendría una economía del hidrógeno en el sector del transporte español. El hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica y el más ligero de todos. Dicho elemento al entrar en contacto con el oxígeno produce energía y agua. Dicha reacción es en la que se basan los vehículos de pila de combustible. Al ser una reacción libre de emisiones, es de gran interés en un mercado que busca la decarbonización del transporte.

Los vehículos de pila de combustible son muy parecidos a un vehñiculo eléctrico siendo sus únicas diferencias los tanques de hidrógeno y la pila de combustible. La pila de combustible se encarga de mezclar el hidrógeno con exígeno y de transformar esa energía que es desprendida en electricidad para propulsar el vehículo.

El modelo de generación de hidrógeno se divide en tres submodelos en los cuales se estima el coste total de una penetración del vehículo de hidrógeno determinada. El primer modelo estima la demanda eléctrica que tendría producir el hidrógeno para cubrir toda la flota de vehículos española. Mediante constantes físicas como el ratio de transformación de la electrólisis o su rendimiento se llega a un valor en GWh que representa esa demanda de hidrógeno. Cabe destacar que el modelo aunque se realizen diferentes escenarios, su último objetivo es simular el PNIEC (Plan de energía integrado español). Por lo tanto también se realizan escenarios con el vehículo eléctrico lo que sirve para ver una comparación y ver si el vehículo de hidrógeno es una opción para el sistema de transporte español.

El segundo modelo se implanta en CEVESA, un modelo de equilibrio de energía y reserva del sistema ibérico, con inversiones centralizadas y generación distribuida. CEVESA utiliza cronología horaria y para reducir el tiempo computacional cada año es analizado por una semana representativa.

El hidrógeno se considera que es producido por eléctrólisis ya que es el método más efectivo para producirlo sin emitir gases de efecto invernadero. Para modelar su producción se tienen en cuenta tanto los costes de instalación de plantas de electrólisis como sus costes variables y la instalación de plantas eléctricas en caso de que fuera necesario para abastecer la demanda del sector.

Finalmente el tercer modelo se encarga de los costes de transporte y de instalación de hidrolineras. Se toma como hipótesis que las centrales de electrólisis se localizan cerca de los núcleos urbanos para facilitar el transporte. Esta suposición se realiza partiendo del hecho que dichas centrales son libres de emisiones y que en caso contrario los costes del transporte suben exponencialmente. Para los costes de las hidrolineras siempre se considera que son del mayor tamaño posible para reducir el coste de instalación y los variables totales.

Este estudio tras analizar los resultados ha concluido que el vehículo de hidrógeno no es una solución económicamente viable para el transporte. No solo sus costes son mucho mayores al vehículo eléctrico sino que su pobre eficiencia incrementa el consumo eléctrico provocando que las emisiones incrementen.

Sin embargo, este modelo parte del 2019 cuando todavía no se cuenta con mucha capacidad en renovables. En un escenario en el que las renovables tuvieran mayor peso, el hidrógeno podría servir para almacenar el extra de energía renovable y desbancar a las baterías actuales.The project tries to determine the impact which a hydrogen economy would have on the transportation sector in Spain. Hydrogen is the first element in the periodic table and the lightest of all. This element when it mixes with oxygen produces energy and water. This reaction is the one in which hydrogen fuel cell vehicles are based on. Being a free CO$_2$ reaction, is of great interest in a market which seeks transport without emissions.

Hydrogen fuel cell vehicles are similar to electric ones being its' only differences the hydrogen tanks and the fuel cell. The fuel cell is the one which mixes hydrogen with oxygen and transforms this energy in electricity to move the vehicle.

The hydrogen generation model is divided into three sub models in which the total costs for a certain H2EV penetration are determined.The first model estimates the electrical demand for hydrogen production with a certain penetration level. Physical constants as the transformation ratio of electrolysis or its' efficiency are used to calculate the GWh necessary. The last objective of the model is to simulate the PNIEC, however , several scenarios are done to asses the impact of hydrogen in the grid. Scenarios where electrical vehicles have a certain penetration are also made to compare H2EV with them and determine if they are a good option.

The second model is made with CEVESA, an equilibrium model of energy and reserve of the Iberian system, with centralised investments and distributed generation. CEVESA uses hourly chronology and to reduce computational time every year is represented by a representative week.

Hydrogen is considered to be produced by electrolysis due to the fact that is the most effective method to produce H2 without GHE. To model its' production ,installation costs and variable costs of hydrogen plants are taken into account. Electrical plants installation are also taken into account in the event of needing more generation to meet the demand.

Finally, the third model is the one in charge of transportation costs and hydrogen station installation. An hypothesis is made about hydrogen plants. Hydrogen plants are nearby big cities so transportation costs are as low as possible. This hypothesis is made taking into account that hydrogen plants don't generate GHE and therefore they wouldn't contribute to the pollution of the cities. For hydrogen station costs we consider that they are of the maximum capacity possible to reduce installation costs.

This study after analysing the results has concluded that the hydrogen vehicle is not economically feasible for transport. Not only its costs are higher that the EV ones, but also its' low efficiency increases electrical consumption leading to greater emissions.

However, this model is done beginning in 2019 when renewable sources are still a minority of the total installed power. In a scenario where renewable power has greater importance hydrogen could be used to store energy removing batteries from the market.