Viabilidad del uso del hidrógeno como sistema de almacenamiento de energía eléctrica en el contexto colombiano.

Abstract

La situación general del clima y las alteraciones medioambientales notorias en los últimos tiempos, han mostrado la necesidad de innovar en tecnologías que sean menos contaminantes o más eficientes. Esto ha llevado a que en los últimos años se incrementen los esfuerzos por desarrollar mejores sistemas energéticos, llegando a que cada vez más se instalen sistemas de fuentes renovables y renovables no convencionales, incluso llegando a superar, a nivel mundial, la capacidad instalada anual de las fuentes de generación convencionales como las que funcionan con combustibles fósiles. Por ejemplo, en el año 2019 las energías renovables representaron el 72% de las adiciones de capacidad total; además el 90% de la capacidad renovable instalada recientemente es solar o eólica [1]. En Colombia, de acuerdo con investigaciones realizadas por IRENA (International Renewable Energy Agency), en el año 2019 la capacidad renovable total instalada era de 12 375 MW, de las cuales 18 MW corresponden a energía eólica y 90 MW de energía solar fotovoltaica, que cuando se comparan con los 18 MW y 2 MW de capacidad instalada de energía eólica y solar respectivamente en el año 2016, hace evidente el crecimiento e interés por la energía solar fotovoltaica. Además la energía solar fotovoltaica fuera de Red fue de 1532 MW en 2018 y un estimado de 4636 MW para 2019 [1]. Sin duda el interés por las energías renovables cada vez es mayor, lo cual presenta retos como de estrategias de operación, estabilidad y almacenamiento de energía. Para acompañar y dar soporte a estos sistemas de energías renovables, sobre todo las no convencionales por su variabilidad y su carácter oscilatorio, aparece el hidrógeno como medio para el almacenamiento de energía; además que surge como un posible eficiente vector energético. Esta tesis se enfoca en el uso del hidrógeno como sistema de almacenamiento de energía eléctrica. Se realiza un análisis técnico económico para el almacenamiento y producción de hidrógeno a partir de energías solar fotovoltaica, se establecen las dinámicas para la estimación de los costos asociados y se analiza la existencia de economías de escala. También se realiza una comparación de este sistema cuando la energía a almacenar proviene directamente de la Red eléctrica y cómo esto influye en el costo nivelado de del hidrógeno (LCOH, por sus siglas en inglés). Basados en el análisis anterior, se determina un escenario que provee condiciones económicas óptimas para el almacenamiento de energía utilizando esta tecnología, además de hacer también la comparación utilizando un medio de almacenamiento basado en baterías. Por otro lado, también se analizan dos estrategias de operación para los sistemas de almacenamiento basados en hidrógeno (HESS, por sus siglas en inglés), la primera llamada estrategia convencional o estándar, la segunda llamada estrategia de recorte de pico o “peak shaving” como se denomina en inglés y se propone una tercera llamada estrategia híbrida que considera, además de otros factores, los pronósticos climáticos que se obtienen desde una base de datos. Con estas estrategias se busca la integración de los HESS a las redes o microrredes donde están conectados, cuando se requieren intercambios de energía eléctrica. Estas estrategias están basadas en reglas y en cada una hay condiciones de operación. Cada condición de operación está representada por un problema de programación lineal o afín, con sus objetivos y restricciones específicas. El flujo de energía se determina resolviendo el problema de optimización para cada intervalo de tiempo. (Texto tomado de la fuente)

The general climate situation and the notorious environmental changes in recent times have shown the need to innovate in technologies that are less polluting or more efficient. This has led to increased efforts to develop better energy systems in recent years, leading to the installation of more and more systems from renewable and non-conventional renewable sources, even exceeding, worldwide, the annual installed capacity of conventional generation sources such as those that run on fossil fuels. For example, in 2019 renewable energies accounted for 72% of total capacity additions; besides 90% of the recently installed renewable capacity is solar or wind [1]. In Colombia, according to research carried out by IRENA (International Renewable Energy Agency), in 2019 the total installed renewable capacity was 12,375 MW, of which 18 MW correspond to wind energy and 90 MW of photovoltaic solar energy, which When compared to the 18 MW and 2 MW installed capacity of wind and solar energy respectively in 2016, the growth and interest in photovoltaic solar energy is evident. Furthermore, off-grid photovoltaic solar energy was 1532 MW in 2018 and an estimated 4636 MW for 2019 [1]. Undoubtedly, the interest in renewable energies is increasing, which presents challenges such as operating strategies, stability, and energy storage. To accompany and support these renewable energy systems, especially non-conventional ones due to their variability and their oscillatory nature, hydrogen appears as a means for storing energy; Furthermore, it emerges as a possible efficient energy vector. This thesis focuses on the use of hydrogen as an electrical energy storage system. A technical economic analysis is carried out for the storage and production of hydrogen from photovoltaic solar energy, the dynamics are established for the estimation of the associated costs and the existence of economies of scale is analyzed. A comparison of this system is also made when the energy to be stored comes directly from the electricity grid and how this influences the levelized cost of hydrogen (LCOH). Based on the previous analysis, a scenario is determined that provides optimal economic conditions for energy storage using this technology, in addition to making the comparison using a battery-based storage medium. On the other hand, two operating strategies for hydrogen-based storage systems (HESS) are also analyzed, the first called conventional or standard strategy, the second called peak shaving strategy and a third so-called hybrid strategy is proposed that considers, in addition to other factors, the climate forecasts obtained from a database. With these strategies we aim the integration of the HESS into the networks or microgrids where they are connected, when electrical energy exchanges are required. These strategies are based on rules and in each one there are operating conditions. Each operating condition is represented by a linear or affine programming problem, with its specific objectives and constraints. The energy flow is determined by solving the optimization problem for each time interval.