FRANK KLOSE, ESBEN HEGNSHOLT, SIMON BIRKEBAEK, THOMAS BAKER, KESH MUDALY, WHITNEY MERCHANT, Y PAUL DUERLOO

Europa se enfrenta quizás al mayor desafío para satisfacer la próxima demanda. Si la UE reduce su dependencia del gas natural de Rusia, tendrá que producir localmente 10 millones de toneladas al año de hidrógeno basado en energías renovables e importar otros 10 millones de toneladas al año para 2030.

Sin embargo, lograr este objetivo requerirá entre 100 gigavatios (GW) y 125 GW de electricidad a partir de la energía solar y de 80 GW a 100 GW a partir del viento, aproximadamente un 30% más de capacidad renovable que la que la UE había fijado como objetivo antes de la guerra en Ucrania. 

Esta cantidad es adicional a la mayor capacidad renovable necesaria para reemplazar el gas natural que se usa actualmente para generar electricidad en la región, que probablemente tendrá prioridad, ya que los costos de reducción son más bajos para la conversión de gas a energías renovables que para el uso de energías renovables para producir combustibles a base de hidrógeno. para generar energía.

Además, los proyectos eólicos y solares terrestres pueden tardar hasta seis años en planificarse, autorizarse y construirse, y los proyectos eólicos marinos y las conexiones de transmisión de larga distancia de alta tensión que los acompañan pueden tardar hasta ocho años. Esto hace que el desarrollo de cantidades significativas de capacidad renovable adicional sea un desafío que exige acelerar el proceso de obtención de permisos y otorgar subsidios, como créditos fiscales, para reducir el riesgo de los desarrolladores. 

Los formuladores de políticas deben desempeñar un papel activo en la promoción del desarrollo de la capacidad de distribución y generación renovable adicional necesaria para producir hidrógeno, y deben ayudar a reducir las inversiones adicionales necesarias en la red eléctrica. Las plantas P2X podrían incluso vender a la red su flexibilidad de demanda de energía, un ingreso derivado potencialmente significativo para los productores de hidrógeno y P2X.

Es probable que otras regiones experimenten desafíos similares, en particular regiones como Japón y Corea del Sur, donde es probable que el hidrógeno sea vital para los objetivos de cero emisiones netas, pero donde el acceso a gas natural barato y energía renovable es limitado.

Además de las dificultades asociadas con cualquier intento de aumentar la capacidad, el esfuerzo por satisfacer la demanda futura de energía renovable para producir hidrógeno y combustibles P2X debe superar obstáculos relacionados con el costo, la infraestructura, las cadenas de suministro y las materias primas.

COSTO
El acceso a grandes volúmenes de energía renovable de bajo costo es un requisito previo para el crecimiento de los combustibles P2X. La cantidad de tierra requerida para producir suficientes energías renovables es enorme: usar energía solar para producir la mitad de los 565 millones de toneladas de hidrógeno y equivalentes requeriría hasta 30.000 kilómetros cuadrados, aproximadamente el tamaño de Bélgica. 

Además, solo alrededor del 20% de la tierra del mundo es apta para la producción de energía solar a un costo de menos de $30 por megavatio-hora durante la vida útil de la instalación, el nivel necesario para que P2X sea competitivo con soluciones alternativas bajas en carbono. y combustibles fósiles. Y más del 75% de esa tierra se encuentra en América Latina, Medio Oriente y África, donde la demanda de combustible bajo en carbono es limitada.

Por lo tanto, será necesario desarrollar métodos económicos para transportar hidrógeno y sus combustibles derivados a largas distancias si se quiere que los combustibles P2X sean económicamente viables. 

El transporte de larga distancia de derivados del hidrógeno como el amoníaco, el metanol y los combustibles líquidos como el queroseno ya es rentable, pero la infraestructura para transportar el H2 en sí dependerá de un mayor desarrollo, eliminación de riesgos y ampliación de tecnologías como el amoníaco. agrietamiento.

INFRAESTRUCTURA
A medida que crece la demanda de energía renovable para producir combustibles P2X, se necesitarán grandes inversiones en la infraestructura de la red de energía y gas para manejarlos. Recientemente completamos estudios para Alemania y los países escandinavos que muestran que las mejoras en las redes eléctricas y de gas representarán entre el 25% y el 35% de la transición energética total.inversión necesaria para llegar a cero neto. 

Cualquier falta de mejoras en la infraestructura obstaculizará el desarrollo local y regional de la producción de P2X y puede desencadenar importaciones basadas en barcos mucho más costosas a centros de demanda como Japón, Corea del Sur y Europa occidental. Es probable que algunos países en desarrollo opten por soluciones más descentralizadas, como aprovechar la infraestructura de combustibles fósiles existente para transportar combustibles P2X, si no pueden administrar los costos masivos de infraestructura, especialmente el costo de la electrificación renovable.

CADENAS DE SUMINISTROLa energía renovable adicional necesaria para satisfacer la demanda futura de combustibles P2X probablemente estrese las cadenas de suministro de los fabricantes de equipos para producir H2 y energía eólica y solar. 

Se espera que el acceso a materiales de tierras raras baratos sea una limitación para algunas tecnologías, como los electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM), donde el platino es fundamental para un alto rendimiento. Sin embargo, los productores pueden mitigar esto a través de innovaciones en la ciencia de los materiales y el desarrollo de tecnologías de electrolizadores de segunda generación, como los sistemas de óxido sólido.

MATERIAS PRIMAS
Es probable que cerca de la mitad de la demanda de H2 deba satisfacerse mediante una mayor producción de hidrógeno a base de gas. Esto, a su vez, requerirá más gas natural y el desarrollo y la ampliación de tecnologías de captura y almacenamiento de carbono (CCS) para producirlo y minimizar las emisiones.

Algunos gobiernos, incluido el de Alemania, ya han demostrado renuencia a aumentar su dependencia del gas y, por lo tanto, del uso de tecnologías CCS. Sin embargo, la crisis energética desencadenada por la invasión de Ucrania por parte de Rusia puede alentar a Alemania a cambiar su política actual con respecto a la producción doméstica de hidrógeno a base de gas y el almacenamiento de carbono.

PASO A PASO
Los obstáculos para un suministro adecuado de energía renovable y de hidrógeno basado en energías renovables económicamente viables son reales. Superarlos requerirá avances tecnológicos y cambios de política en cuatro frentes: tecnologías eficientes, otros tipos de hidrógeno, centros de producción global y cadenas de suministro globales de H2.

Tecnologías Eficientes. Varias tecnologías ahora en desarrollo pueden aumentar significativamente la eficiencia y la estabilidad del suministro de energía renovable al tiempo que reducen la inversión y el espacio necesario para producir la energía necesaria. Tres son especialmente destacables:

SOLAR
Las células fotovoltaicas flotantes podrían reducir la dependencia de los sistemas terrestres y, junto con la energía eólica costera, generar energía equivalente a las granjas solares terrestres sin requerir la enorme huella de tierra.

Además, el efecto de enfriamiento natural del agua puede aumentar la eficiencia de las células fotovoltaicas flotantes entre un 5% y un 10% en comparación con la energía solar terrestre. Las tecnologías más nuevas, como las celdas de unión múltiple, prometen mayores ganancias de eficiencia, hasta el doble de la eficiencia de las celdas fotovoltaicas tradicionales, pero requieren un mayor desarrollo.

EÓLICA
Se están desarrollando sistemas de rotor inteligente que permiten el uso de turbinas eólicas más grandes y productivas, lo que reduce el costo de la electricidad y la necesidad de espacio. En un futuro más lejano, las turbinas eólicas flotantes podrían brindar acceso a nuevas áreas de producción eólica, especialmente donde aún no se han construido parques eólicos y solares terrestres y marinos de fondo fijo baratos, y una capacidad entre un 10% y un 20% mayor que la energía fija. oferta de turbinas de fondo.

Esperamos que la tecnología eólica flotante se vuelva competitiva en costos alrededor de 2030, lo que permitirá a los productores ubicar la producción de P2X a megaescala en alta mar, donde el nivel promedio de energía eólica es más alto que en tierra y a lo largo de la costa. Las turbinas flotantes por sí solas ofrecen el potencial de producir más de 9.000 gigavatios de electricidad cerca de centros de gran demanda.

ELECTRÓLISIS
En comparación con las tecnologías existentes, como la membrana de electrolito de polímero y los métodos de celdas de electrólisis alcalina, los nuevos sistemas de electrolizadores, como la tecnología de óxido sólido, prometen entre un 20% y un 30% más de eficiencia, un factor clave para reducir el monto de la inversión y el tamaño del espacio físico requerido para cumplir con los próximos demanda de energías renovables.

Acelerar el desarrollo tecnológico y la comercialización de métodos de producción de hidrógeno con bajas emisiones de carbono distintos del hidrógeno basado en gas y energías renovables impulsaría el suministro general. Los siguientes tres métodos de producción muestran una promesa considerable:

DE BASE NUCLEAR
El uso de la energía nuclear como fuente de electricidad para producir hidrógeno enfrenta importantes desafíos políticos, así como un alto costo de la electricidad, en muchos lugares. Aún así, una planta nuclear moderna a gran escala combinada con un electrolizador de óxido sólido que puede usar tanto el calor como la energía de una planta nuclear podría volverse competitiva en costos en regiones con menos obstáculos políticos, como India.

A más largo plazo, la producción de energía basada en sistemas de reactores modulares pequeños podría permitir a los productores ubicar la producción de H2 más cerca de la demanda, pero mucho dependerá de las futuras condiciones regulatorias.

NEUTRAL
La extracción de hidrógeno de formaciones naturales ofrece el potencial de proporcionar hidrógeno de manera económica y eficiente, pero el volumen de las reservas globales de hidrógeno natural aún no está claro.

Los descubrimientos de yacimientos en Brasil, EE.UU., Canadá y Australia, por ejemplo, junto con la producción real en Malí, sugieren que existe potencial. Los costos de producción esperados serían altamente competitivos con los del hidrógeno hecho por el hombre.

A BASE DE BIOENERGÍA
Existe cierta oportunidad de producir hidrógeno a partir de desechos, aunque es probable que otros usos de los desechos, como la producción de biocombustibles, sean más rentables. En esta área, las condiciones de las políticas locales pueden hacer que el uso de residuos como materia prima para la producción de hidrógeno sea económicamente viable.

CENTROS DE PRODUCCIÓN GLOBAL
La disponibilidad de terrenos baratos con condiciones favorables para la producción de energía solar y eólica está disminuyendo, incluso cuando están aumentando las limitaciones en la nueva infraestructura para acomodar el crecimiento esperado en los volúmenes de P2X.

Juntos, estos factores pueden obligar a los productores y reguladores a repensar su enfoque estratégico para la producción y el transporte de hidrógeno. Vemos dos caminos estratégicos:

PRODUCCIÓN EÓLICA Y SOLAR MARINA Y FLOTANTE
En principio, el potencial de energía renovable de las instalaciones eólicas y solares marinas es prácticamente ilimitado, especialmente si dichas instalaciones pueden ubicarse más allá de la costa.

Además de las tecnologías de producción flotante para energía eólica y solar, la infraestructura en alta mar, como los centros de islas de energía, podría proporcionar una forma de aumentar la producción de energía renovable y combustible con bajas emisiones de carbono; Los proyectos de centros de desarrollo en el Mar del Norte están en curso.

PRODUCCIÓN DE ENERGÍA RENOVABLE EN TIERRA A MEGAESCALA
Los centros de energía renovable son particularmente adecuados para la producción de hidrógeno. Al combinar la generación eólica y solar, pueden producir energía a más del 70% de su capacidad total, lo que aumenta significativamente la competitividad de costos del hidrógeno basado en energías renovables.

Sin embargo, relativamente pocos desarrolladores han emprendido proyectos que produzcan 10 gigavatios o más de energía renovable. El apoyo del gobierno para que los desarrolladores exploten aún más el potencial de estos centros, en áreas desérticas ventosas, por ejemplo, es esencial, al igual que el apoyo para la infraestructura de redes y tuberías. La producción a gran escala en lugares como Medio Oriente, Australia y América Latina puede ser competitiva en costos, y las empresas ya están comenzando a adquirir terrenos allí con miras al desarrollo futuro.

CADENAS DE SUMINISTRO GLOBALES DE H2
Otro facilitador crítico para los centros de producción global, y para los combustibles bajos en carbono y P2X en general, es la existencia de una cadena de suministro global de H2 capaz de transportar H2 de manera económica y segura a través de largas distancias.

Se están desarrollando varias tecnologías para dicho transporte, incluso en forma de amoníaco o portadores de H2 orgánico líquido, de la misma manera que se transporta el gas natural líquido en la actualidad. Ambas tecnologías requieren un mayor desarrollo, reducción de riesgos y ampliación, pero podrían reducir el costo de los combustibles bajos en carbono y permitir que se produzcan donde las materias primas son más baratas y abundantes.

PLAN DE ACCIÓN
Todas las partes interesadas en el esfuerzo por generar hidrógeno y combustibles P2X, incluidos los productores de energía, los desarrolladores de energías renovables, las compañías de petróleo y gas, los fabricantes de tecnología de producción y los gobiernos y los formuladores de políticas, deben prepararse para la próxima economía del hidrógeno. Esto incluye identificar cuidadosamente cualquier limitación potencial en las materias primas, la tierra y la infraestructura que probablemente surja en las próximas décadas y hacer planes para mitigarlas.

Los actores críticos en este proceso deben determinar las medidas que pueden adoptar para garantizar que la economía del hidrógeno contribuya al máximo a lograr emisiones netas cero. Las siguientes son acciones específicas que cada parte interesada debe considerar tomar.

Productores de energía y desarrolladores de energía renovable:

+ Acceso seguro a materias primas críticas, incluida la energía renovable (y los sitios terrestres o marinos necesarios para generarla), gas natural y CO 2 sostenible, a precios competitivos.

+ Utilice las plantas nucleares actuales para impulsar la producción de hidrógeno en los nuevos mercados P2X y explote las capacidades nucleares para desarrollar la capacidad de producción de hidrógeno en los mercados que tienen acceso limitado a gas barato y energías renovables.

+ Busque ingresos adicionales vendiendo subproductos de P2X, como el exceso de electricidad y calor, a la red y aprovechando la flexibilidad de producción para participar en los mercados de capacidad de reserva de energía.

Productores de petróleo y gas:

+ Asegure el acceso a materias primas críticas, incluida la energía renovable, el gas natural y el CO 2 sostenible, a precios competitivos.

+ Ampliar las capacidades actuales en el transporte y distribución de moléculas bajas en carbono y desarrollar formas económicas de transportar hidrógeno y otros combustibles bajos en carbono.

OEM de tecnología de producción:

+ Acelerar las capacidades de I+D para desarrollar y comercializar tecnologías de producción y transporte de hidrógeno más eficientes, incluidas tecnologías que tienen requisitos reducidos para minerales críticos.

+ Apoyar los esfuerzos de I+D para desarrollar y comercializar tecnologías de energía renovable para aumentar la eficiencia y ampliar la capacidad en alta mar.

Formuladores de políticas y reguladores:

+ Acelerar la construcción de la infraestructura necesaria, posiblemente a través de alianzas público-privadas y marcos para inversiones de capital privado.

+ Poner a disposición más ubicaciones terrestres y en alta mar para la producción de energía renovable a bajo costo.

+ Instituir estándares para el transporte y uso de moléculas de combustible bajas en carbono.

+ Apoyar las asociaciones entre los centros de exportación de combustibles bajos en carbono y los centros de demanda.

+ Crear y apoyar mercados para el comercio de hidrógeno y combustibles bajos en carbono.

+ Apoyar la eliminación de riesgos de grandes inversiones de capital.

No será fácil suministrar la energía renovable que se necesitará durante la próxima década para producir combustibles P2X, además de la demanda de fuentes renovables de electrificación en general.

Sin embargo, a más largo plazo, a medida que surjan suministros más abundantes y de menor costo, la cadena mundial de suministro de hidrógeno experimentará una transformación. Algunos jugadores ya están estableciendo posiciones competitivas atractivas en la cadena de valor de P2X, algunos a través de socios estratégicos. Los costos estratégicos de no asegurar el acceso oportuno a las oportunidades de desarrollo de la tierra y el mar, así como a la infraestructura y el financiamiento compartidos, solo aumentarán.

Las empresas que buscan colocarse en una posición competitiva atractiva deben comenzar a tomar las decisiones estratégicas correctas hoy, mientras colaboran con otras partes interesadas para desarrollar un ecosistema efectivo de socios estratégicos.

¿Cuándo, dónde y cómo deben participar en la cadena de valor? ¿Cómo pueden utilizar sus huellas y asociaciones actuales y futuras de clientes, producción e infraestructura para obtener una ventaja competitiva? ¿Y cómo pueden utilizar mejor las nuevas tecnologías para obtener una ventaja de costos? Las respuestas a estas preguntas clave determinarán los ganadores en el desarrollo de estas nuevas fuentes de energía críticas.