Extracto
La energía del hidrógeno desempeña un papel fundamental en la transformación energética del mundo, especialmente la energía del hidrógeno verde que no produce emisiones de carbono. En el futuro sistema energético dominado por las energías renovables, por un lado, la energía del hidrógeno verde puede utilizarse como almacenamiento de energía a largo plazo para cooperar con la energía renovable con las características de aleatoriedad y volatilidad, mejorando así la tasa de utilización de la energía renovable y la fiabilidad de la red eléctrica; Por otro lado, la energía del hidrógeno verde puede ayudar a reducir las emisiones de carbono en industrias en las que es difícil lograr una descarbonización profunda a través de la electrificación. Hasta la fecha, más de 40 países y regiones han publicado estrategias para desarrollar la energía del hidrógeno, destacando su importancia en la promoción de nuevas políticas energéticas. Este documento proporciona una revisión exhaustiva del papel y las vías de desarrollo de la energía del hidrógeno. En primer lugar, se analiza en profundidad el estado actual y las tendencias de desarrollo de las tecnologías de producción de hidrógeno verde, así como el papel y las aplicaciones de la energía del hidrógeno verde. A continuación, se examinan las políticas y los documentos relacionados con el desarrollo de la energía del hidrógeno en varios países y regiones, entre ellos la Unión Europea, los Estados Unidos, el Japón, la República de Corea, la República Popular China (RPC) y Australia. Este documento proporciona varios principios para promover el hidrógeno verde para los países que pretenden formular las vías de desarrollo de la energía del hidrógeno.
Palabras clave: energía de hidrógeno verde, tecnologías de producción, papel y aplicaciones, vías de desarrollo
Clasificación JEL: O33
1. INTRODUCCIÓN
Según la Unidad de Inteligencia de Energía y Clima (ECIU) del Reino Unido y otras organizaciones, 137 países habían propuesto objetivos de neutralidad de carbono o emisiones netas cero a principios de junio de 2021 (Unidad de Inteligencia de Energía y Clima, Coalición de Neutralidad de Carbono y Climate Action Tracker 2021). La energía del hidrógeno desempeña un papel fundamental en el camino global hacia la neutralidad de carbono. Recientemente, una serie de importantes proyectos de energía de hidrógeno han logrado avances significativos, y la huella de la energía de hidrógeno se ha extendido por todo el mundo. Según un estudio de Frost and Sullivan, con el apoyo de los objetivos de sostenibilidad del gobierno, el mercado mundial de energía de hidrógeno se duplicar – á con creces en la próxima década. Para 2030, la producción mundial de energía de hidrógeno aumentará de los 71 millones de toneladas actuales a 168 millones de toneladas; y los ingresos del mercado de la industria aumentarán de $ 177.3 mil millones en 2020 a $ 420 mil millones en 2030 (Frost y Sullivan 2020). Los países de todo el mundo han considerado la economía basada en el hidrógeno para abordar las crecientes preocupaciones sobre las emisiones de carbono, la seguridad energética y el cambio climático. La Agencia Internacional de la Energía predice que la demanda mundial de energía de hidrógeno alcanzará los 520 millones de toneladas en 2070 (Agencia Internacional de la Energía 2020). Como paso esencial para hacer frente al cambio climático y acelerar la transición energética, un número cada vez mayor de economías está prestando más atención al desarrollo de la energía del hidrógeno.
Según si hay emisión de carbono en el proceso de producción de hidrógeno, el hidrógeno se puede clasificar como hidrógeno gris, hidrógeno azul o hidrógeno verde. El hidrógeno gris se produce a través de la combustión de combustibles fósiles y produce emisiones de dióxido de carbono durante el proceso. La gran mayoría del hidrógeno es hidrógeno gris en la actualidad, que representa alrededor del 95% de la producción mundial de hidrógeno. El hidrógeno azul se obtiene a partir de gas natural mediante reformado de metano con vapor o reformado con vapor autotérmico. Utiliza tecnologías avanzadas como la captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS) para capturar gases de efecto invernadero y reducir las emisiones de carbono en el proceso de producción. El hidrógeno verde se fabrica a partir de energías renovables, por ejemplo, mediante la electrólisis del agua a través de la generación de energía renovable, sin emisiones de carbono en el proceso de producción. El hidrógeno verde será la tendencia dominante en el desarrollo de la energía del hidrógeno en un sistema energético dominado por las energías renovables. Según un informe reciente de Frost and Sullivan, el hidrógeno verde crecerá a una tasa de crecimiento anual compuesta del 57% a 5,7 millones de toneladas para 2030 (Frost y Sullivan 2020). Según Goldman Sachs, el mercado potencial total del hidrógeno verde probablemente alcanzará los 250.000 millones de dólares en 2030 y 1 billón de dólares en 2050 (Goldman Sachs 2022).
El hidrógeno podría desempeñar un papel crucial en la consecución del objetivo de la neutralidad de carbono, y muchos países y regiones ya han publicado sus estrategias de desarrollo del hidrógeno. Sin embargo, actualmente no existe una revisión exhaustiva de las futuras estrategias de desarrollo del hidrógeno. Este estudio puede proporcionar una referencia para los países y regiones que aún no han publicado sus estrategias de desarrollo del hidrógeno. Este documento comienza con políticas y documentos relacionados con el desarrollo de la energía del hidrógeno en los principales países y regiones del mundo. A continuación, se describe el papel y la vía de desarrollo de la energía del hidrógeno en un sistema energético dominado por las energías renovables con respecto a los aspectos de la tecnología de producción de hidrógeno de energía renovable y la tendencia de desarrollo, el papel y los campos de aplicación de la energía del hidrógeno, y las vías de desarrollo de la energía del hidrógeno en diferentes países bajo el objetivo de la neutralidad de carbono.
2. ESTADO ACTUAL Y TENDENCIA DE DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO VERDE
En la actualidad, el hidrógeno producido a partir de combustibles fósiles sigue siendo la principal fuente de suministro mundial de hidrógeno. Sin embargo, bajo el objetivo de control de temperatura del «Acuerdo de París», la energía renovable reemplazará gradualmente a la energía fósil tradicional y ocupará la posición dominante en el sistema energético. Los principales portadores de energía renovable son la electricidad y el hidrógeno, y como materia prima industrial libre de carbono, la energía del hidrógeno verde es insustituible en algunas aplicaciones. Por lo tanto, el uso de energía renovable para producir hidrógeno verde y promover el desarrollo del hidrógeno verde se ha convertido en una forma significativa de lograr la neutralidad de carbono.
2.1 Tecnologías de producción de hidrógeno verde por electrólisis del agua
Las principales tecnologías utilizadas en la producción de hidrógeno verde incluyen la electrólisis del agua, la química de fotoelectrones, el acoplamiento del ciclo de la energía solar y la termoquímica, la gasificación de biomasa y la conversión de vapor, y el pirólisis de biomasa (Wan, Xiong y Wang 2022). Entre ellas, la electrólisis del agua es la tecnología más utilizada. La tecnología de producción de hidrógeno verde por electrólisis del agua se puede dividir en tres categorías: alcalina, membrana de intercambio de protones y óxido sólido, según el material electrolítico. En la Tabla 1 se muestra una comparación de parámetros de tres tecnologías de producción de hidrógeno verde mediante electrólisis del agua (Cheng, Liu y Cao 2022).
(1) Producción de hidrógeno verde por electrólisis de agua alcalina
La electrólisis del agua alcalina utiliza la solución alcalina como electrolito. Es una tecnología madura y es la forma más económica de producir hidrógeno mediante electrólisis del agua. El material electrolítico es una solución de KOH al 20 % al 30 % o una solución de NaOH. Las ventajas de esta producción de hidrógeno son la larga vida útil de sus equipos (unas 60.000 h) y el bajo coste (500-1.500 $/kW). Sin embargo, la eficiencia de la electrólisis es relativamente baja (60%-75%) y el consumo de energía de la unidad es alto (4,5-5,5 kWh/m3). Además, existe líquido corrosivo durante la producción, lo que complica la operación y el mantenimiento posteriores.
(2) Producción de hidrógeno verde por electrólisis del agua con membrana de intercambio de protones
En comparación con la electrólisis de agua alcalina, la densidad de corriente electrolítica de esta tecnología de producción de hidrógeno se puede aumentar a 10.000-30.000 A/m2, la eficiencia electrolítica puede alcanzar el 70%-90% y el consumo de energía unitario puede reducirse a 3,8-5,0 kWh/m3. Tiene las ventajas de un tamaño pequeño y un tiempo de respuesta rápido, que es más adecuado para los nuevos escenarios de generación de energía con características fluctuantes, intermitentes y aleatorias. Por lo tanto, se considera un enfoque prometedor en el campo de la producción de hidrógeno verde (Comisión Europea, 2014). Sin embargo, la mayor parte de la membrana de intercambio de protones está hecha de metales preciosos, lo que resulta en altos costos de equipo (1,100-1,800 $ / kW) y un problema de degradación en el proceso de uso. La tecnología actual aún no ha logrado un gran avance, lo que dificulta la consecución de aplicaciones comerciales a gran escala.
(3) Producción de hidrógeno verde por electrólisis de agua con óxido sólido
En comparación con la electrólisis del agua con una membrana de intercambio de protones, esta tecnología de producción de hidrógeno no requiere catalizador de metales preciosos y tiene las ventajas de un bajo consumo de energía (2,6-3,6 kWh/m3) y una alta eficiencia de conversión de energía (85%-100%). Sin embargo, esta tecnología necesita descomponer el vapor de agua a alta temperatura (700-800 °C) para producir hidrógeno, que aún se encuentra en fase de laboratorio.
2.2 Coste futuro de la producción de hidrógeno verde
El costo de la producción de hidrógeno por electrólisis del agua a partir de energía renovable incluye los costos de generación de energía, equipos de electrólisis del agua y materia prima (agua), junto con otros costos de operación y mantenimiento. El coste de la generación de energía renovable es el factor más crítico que afecta al coste del hidrógeno verde, y por cada reducción de 0,1 $/kWh en el coste de generación, el coste del hidrógeno puede reducirse en 5,5 $/kg (Comisión Europea 2020). Según Hemado Green Energy, el coste eléctrico medio de la producción de hidrógeno verde en 2020 fue de 44 $/MWh, lo que supone el 56% del coste total; el coste de la electricidad para producir hidrógeno verde en 2050 se estima en 17 $/MWh, lo que supondrá el 70% del coste total. Además, el menor coste de los equipos de electrólisis del agua no puede compensar el impacto de los altos precios de la electricidad (Gobierno alemán 2020).
Los costos futuros de la producción de hidrógeno verde a nivel mundial y en varias regiones se muestran en la Figura 1. El coste global de la producción de hidrógeno verde disminuirá anualmente de 4,2 $/kg (2020) a 1 $/kg (2050). Será menor que el costo de producción de hidrógeno a partir de metano, casi igual que el costo de producción de hidrógeno a partir de gas natural en 2030, y menor que el costo de producción de hidrógeno a partir de energía térmica en 2040. El coste de la producción de hidrógeno verde es más alto en Europa y más bajo en Oriente Medio y el norte de África. La diferencia en el costo de la electricidad contribuye directamente a la disparidad regional en el costo del hidrógeno verde.
3. EL PAPEL Y LAS ÁREAS DE APLICACIÓN DE LA ENERGÍA DEL HIDRÓGENO VERDE
3.1 El papel de la energía del hidrógeno verde
Por un lado, la energía del hidrógeno verde puede cooperar razonablemente con la energía renovable con las características de aleatoriedad y volatilidad; El hidrógeno se puede utilizar como almacenamiento de energía a largo plazo para mejorar la tasa de utilización de la energía renovable y la confiabilidad de la red. Por otro lado, la energía del hidrógeno verde puede ayudar a las industrias en las que es difícil lograr una descarbonización profunda a través de la electrificación, como la logística y las industrias, apoyando el objetivo de la neutralidad de carbono. Además, la energía del hidrógeno puede proporcionar más opciones de fuentes de energía y combustible para garantizar la seguridad energética nacional, brindar más oportunidades de empleo y crear beneficios económicos.
Los principales factores de apoyo nacional para el desarrollo de la energía del hidrógeno verde incluyen la reducción de las emisiones, la diversificación del suministro de energía, el fomento del crecimiento económico, el apoyo al desarrollo tecnológico nacional, la integración de las energías renovables y la exportación, como se muestra en la Figura 2 (Departamento de Energía de los Estados Unidos 2002).
3.2 Aplicaciones de la energía del hidrógeno verde
Las principales aplicaciones de la energía del hidrógeno verde incluyen la industria, la energía, el transporte, la construcción y la exportación. El despliegue de las aplicaciones de la energía del hidrógeno varía en los diferentes países, como se muestra en la Figura 3 (Departamento de Energía de EE. UU. 2002).
(1) Industria
El hidrógeno verde se utiliza en áreas donde es difícil lograr una descarbonización profunda a través de la electrificación en el ámbito de la industria. Se aplica en las siguientes áreas: 1) refinación de petróleo, donde se utiliza hidrotratamiento e hidrocraqueo para eliminar impurezas y mejorar la eficiencia del aceite reciclado intermedio; 2) productos químicos, en los que el hidrógeno verde se utiliza como materia prima industrial y como combustible para sintetizar amoníaco, metanol, metano, etc.; 3) el acero, donde se utiliza hidrógeno verde para sustituir el coque y el gas natural. La mayoría de los países han desplegado aplicaciones de energía de hidrógeno verde en el campo de la industria.
(2) Potencia
Con el aumento adicional de los requisitos de descarbonización profunda en el campo de la energía, las principales aplicaciones de la energía del hidrógeno verde son las siguientes: 1) utilizar la energía del hidrógeno como almacenamiento de energía a largo plazo para equilibrar la volatilidad de la energía renovable y la demanda de electricidad. Es un recurso flexible en el sistema eléctrico; 2) el uso de la energía del hidrógeno como combustible para turbinas de gas o pilas de combustible para proporcionar electricidad a instalaciones esenciales como hospitales e infraestructuras de comunicación durante los cortes de energía, mejorando así la fiabilidad del sistema eléctrico; 3) El hidrógeno se puede convertir en amoníaco y co-quemar con carbón pulverizado para reducir la intensidad de carbono de las centrales eléctricas de carbón tradicionales. Quince países y regiones han desplegado aplicaciones de energía de hidrógeno en el campo de la energía, sin incluir Italia, Noruega y Suiza.
(3) Transporte
El hidrógeno se ha visto durante mucho tiempo como un combustible potencial para el transporte y como una alternativa limpia al petróleo y al gas natural. El sistema de energía de hidrógeno es una de las pocas opciones para lograr una rápida reducción de emisiones en el transporte debido a sus cero emisiones de carbono y su amplia adaptabilidad. Las principales aplicaciones de las pilas de combustible de hidrógeno en el transporte incluyen: 1) transporte por carretera, como automóviles pequeños, autobuses, camiones y otras furgonetas; 2) transporte marítimo, como buques y puertos; 3) Transporte ferroviario y transporte aéreo. El uso de hidrógeno como combustible para vehículos tiene las ventajas de un tiempo de repostaje corto y un kilometraje de larga autonomía en comparación con los vehículos eléctricos puros. El transporte es el principal campo de aplicación de la energía del hidrógeno; 18 países y regiones han desplegado aplicaciones de energía de hidrógeno en el campo del transporte.
(4) Construcción
La calefacción de los edificios se realiza básicamente con energía tradicional en la actualidad. Por un lado, la energía del hidrógeno se puede utilizar para calentar edificios y comunidades; Por otro lado, se puede utilizar como fuente de energía de respaldo para realizar la interconexión y complementación con electricidad y otras variedades de energía para mejorar la eficiencia de utilización de la energía. En comparación con el gas natural, el hidrógeno tiene las ventajas de ser menos denso, más fácil de encender y tener un mayor calor de combustión por unidad de masa. Además, dado que el hidrógeno es fácil de difundir en el aire, tiene un bajo riesgo de agregación. La aplicación de la energía del hidrógeno para la calefacción de edificios puede cambiar la forma de calentar de centralizada en centrales térmicas a distribuida y puede resolver el problema de la alta inversión en la construcción de infraestructuras, como las redes de tuberías de calor y las redes eléctricas. Entre los 21 países y regiones mencionados, la mayoría tiene un menor despliegue de energía de hidrógeno en el campo de la construcción.
(5) Exportación
Países como India y Australia han desplegado planes estratégicos para exportar energía de hidrógeno para mantener su estatus como exportadores de energía.
4. POLÍTICAS Y DOCUMENTOS CONEXOS SOBRE EL DESARROLLO DE LA ENERGÍA DEL HIDRÓGENO VERDE EN VARIOS PAÍSES Y REGIONES
Hasta la fecha, más de 40 países y regiones han publicado estrategias de desarrollo de la energía del hidrógeno, tratando la energía del hidrógeno como una parte importante de la promoción de la nueva política climática y energética. Muchos países y regiones están estableciendo activamente la industria de la energía del hidrógeno. Promueven el desarrollo de la energía del hidrógeno mediante el desarrollo de una hoja de ruta específica, el fortalecimiento del apoyo político, el aumento de la inversión en infraestructura, el establecimiento de alianzas para el desarrollo industrial, el fortalecimiento de la cooperación internacional, etc. (Asociación de Pilas de Combustible y Energía de Hidrógeno (FCHEA) 2019; Departamento de Energía de EE. UU., 2020). Esta sección se centra en las políticas y los documentos relacionados con el desarrollo de la energía del hidrógeno en jurisdicciones con suficientes avances en el apoyo a las políticas y las inversiones en hidrógeno verde, a saber, la Unión Europea, los Estados Unidos, la República Popular China, Japón, la República de Corea y Australia, como se muestra en la Tabla 2.
4.1 Unión Europea
En diciembre de 2011, la UE formuló la «Hoja de Ruta de la Energía 2050″ (Gobierno de Japón 2017), que priorizaba el desarrollo del hidrógeno y las pilas de combustible como uno de los diez elementos que influirían en el cambio del sistema energético en el futuro. El 8 de julio de 2020, la Comisión Europea publicó la «Estrategia del hidrógeno para una Europa climáticamente neutra» (Gobierno de Japón, 2021), en la que se describía el plan de desarrollo de la energía del hidrógeno en Europa durante los próximos 30 años, haciendo del hidrógeno verde una prioridad para el desarrollo futuro de la UE. El hidrógeno procedente de energías renovables se ampliará para aplicaciones a gran escala en industrias que requieran descarbonizar reduciendo el coste de la energía renovable y acelerando el desarrollo de tecnologías relacionadas, contribuyendo en última instancia al objetivo de ser «climáticamente neutros» para 2050. Alemania es el país más representativo para el desarrollo de la energía del hidrógeno en la UE. En 2020, el gobierno alemán publicó «La Estrategia Nacional del Hidrógeno» (Agencia de Recursos Naturales y Energía 2022), que definió la posición estratégica del hidrógeno verde, ya que aspiraba a convertirse en el líder mundial en el campo del hidrógeno verde.
4.2 Estados Unidos
Estados Unidos fue el primero en incorporar la energía del hidrógeno en su estrategia energética nacional. En noviembre de 2002, el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE, por sus siglas en inglés) publicó la «Hoja de ruta nacional de la energía del hidrógeno» (Ministerio de Economía, Comercio e Industria 2022), que aclaró el enfoque tradicional para construir un sistema de energía de hidrógeno. El 6 de noviembre de 2019, la Asociación de Energía de Pilas de Combustible e Hidrógeno (FCHEA, por sus siglas en inglés) publicó la «Hoja de ruta hacia una economía del hidrógeno en EE. UU.: reducción de emisiones e impulso del crecimiento en toda la nación» (Gobierno de Corea, 2019). El 12 de noviembre de 2020, el Departamento de Energía de EE. UU. publicó el «Plan del Programa de Hidrógeno» (Gobierno de Corea 2020), que proponía un marco estratégico general para la investigación, el desarrollo y la demostración de la energía del hidrógeno durante la próxima década y más allá. En marzo de 2022, el Departamento de Energía de EE. UU. anunció una inversión de 28 millones de dólares para el programa Front End Engineering Design (FEED) para la energía limpia del hidrógeno, que tenía como objetivo desarrollar las tecnologías de producción de hidrógeno de próxima generación; producir hidrógeno limpio a bajo coste a partir de residuos sólidos municipales, residuos de carbón, residuos plásticos y materias primas de biomasa; y promover la realización del «Plan de Investigación en Energía del Hidrógeno».
4.3 Japón
Después del desastre nuclear de Fukushima, Shinzo Abe propuso el objetivo de construir una «sociedad basada en la energía del hidrógeno». En diciembre de 2017, Japón se convirtió en el primer país en lanzar una estrategia básica de energía de hidrógeno con la «Estrategia Básica de Hidrógeno» (Gobierno de Corea 2021). La «estrategia» proponía establecer una cadena de suministro a escala comercial alrededor de 2030, comprar alrededor de tres millones de toneladas de hidrógeno cada año y obtener un costo de hidrógeno de alrededor de 30 yenes ¥ / m3 . En noviembre de 2021, el gobierno japonés actualizó el «Sexto Plan Básico de Energía» (Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma y Administración Nacional de Energía 2016), que proponía que la participación de la energía del hidrógeno en la estructura energética alcanzara el 11% para 2030. En 2022, la Agencia de Recursos Naturales y Energía (ANRE) publicó «Construcción de una cadena de suministro de energía de hidrógeno a gran escala con el objetivo de lograr una sociedad de energía de hidrógeno» (Consejo de Estado de China 2016), y el Ministerio de Economía, Comercio e Industria (METI) publicó el «Estado actual y futuras direcciones de investigación del hidrógeno/amoníaco» (Administración Nacional de Energía 2019), ambos detallados sobre el desarrollo futuro de la energía del hidrógeno en Japón. Además, Japón ha llegado a acuerdos de cooperación con Australia, Brunei Darussalam, Noruega y Arabia Saudita para la adquisición de combustible de hidrógeno.
4.4 República de Corea
El gobierno de la República de Corea ha posicionado la energía del hidrógeno como un intermediario importante para mejorar la eficiencia energética y optimizar el sistema de energía renovable. Con el fin de lograr el objetivo estratégico de la energía del hidrógeno, el gobierno de la República de Corea tomó la «Economía del Hidrógeno» como una de las tres áreas estratégicas de inversión en 2018, junto con la inteligencia artificial y el big data. En 2019, la República de Corea publicó el más sofisticado «Plan para el desarrollo de la economía del hidrógeno» (Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma y Administración Nacional de Energía 2022), en el que se especificaban los principales objetivos y metas sectoriales en relación con la tecnología del hidrógeno y las pilas de combustible. El 4 de febrero de 2020, el Gobierno de la República de Corea promulgó oficialmente la primera ley sobre la energía del hidrógeno, la «Ley sobre la Promoción de la Economía del Hidrógeno y la Gestión de la Seguridad del Hidrógeno» (Ministerio de Energía y Reducción de Emisiones y Ministerio de Recursos y Australia Septentrional 2019), que sienta las bases legales para el compromiso del gobierno con la energía del hidrógeno y la implementación de estándares de seguridad de las instalaciones. En 2021, el primer ministro Kim Boo-kyum presidió la cuarta reunión del Consejo de Economía del Hidrógeno y publicó el primer «Plan Básico para el Desarrollo de la Economía del Hidrógeno» (Luo 2017) de la República de Corea, que detalló el desarrollo futuro de la energía del hidrógeno en la República de Corea.
4.5 República Popular China
La República Popular China es el mayor productor de energía de hidrógeno y tiene la mayor capacidad instalada de energía renovable del mundo. Tiene un gran potencial para suministrar energía de hidrógeno limpia y baja en carbono. En 2016, la República Popular China publicó la «Hoja de ruta de acciones clave de innovación para la revolución de la tecnología energética» (Li et al. 2021), que proponía lograr la producción, el almacenamiento, el transporte y la aplicación de hidrógeno a gran escala y de bajo costo. Ese mismo año, el «13º Plan Quinquenal sobre Tecnología e Innovación» (Ma, Liu y Ding 2022) propuso centrarse en el desarrollo de la energía del hidrógeno y otras tecnologías disruptivas que podrían conducir a una revolución industrial. La energía del hidrógeno se incluyó por primera vez en el informe del gobierno nacional en 2019, y la Administración Nacional de Energía publicó el «Catálogo de orientación de la industria verde» (Deng, He y Miao 2020) para fomentar el desarrollo de la energía del hidrógeno. En marzo de 2022, la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma (NDRC, por sus siglas en inglés) y la Administración Nacional de Energía (NEA, por sus siglas en inglés) emitieron conjuntamente el «Plan a Mediano y Largo Plazo para el Desarrollo de la Industria de la Energía del Hidrógeno (2021-2035)» (Hemado Green Energy 2021). Este plan aclaró el atributo energético del hidrógeno y dejó claro que la energía del hidrógeno es una parte integral del futuro sistema energético nacional. La energía del hidrógeno verde debe aprovecharse plenamente para promover la transformación ecológica y baja en carbono de la energía de uso final (como el transporte, la industria) y otras industrias de alto consumo y emisiones. Además, dejó claro que la energía del hidrógeno es la dirección clave de las industrias emergentes estratégicas y es el nuevo punto de crecimiento para la construcción de sistemas industriales ecológicos y bajos en carbono.
4.6 Australia
En 2018, el Consejo Australiano de Energía reconoció oficialmente los beneficios económicos y ambientales del hidrógeno y formuló una visión para la industria del hidrógeno. En noviembre de 2019, el gobierno australiano publicó la «Estrategia Nacional de Hidrógeno de Australia» (Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH 2020), que identificó 15 objetivos de desarrollo y 57 acciones conjuntas, con miras a convertirse en un participante importante en la industria mundial de la energía del hidrógeno para 2030 y alcanzar los 30 millones de toneladas por año de capacidad de producción de hidrógeno verde para 2050.
5. VÍAS DE DESARROLLO DE LA ENERGÍA DEL HIDRÓGENO VERDE EN EL MARCO DEL OBJETIVO DE NEUTRALIDAD DE CARBONO
5.1 Unión Europea
Según «Una estrategia de hidrógeno para una Europa climáticamente neutra» (Gobierno de Japón 2021) publicado por la Comisión Europea, hay tres fases en el desarrollo de una economía del hidrógeno limpio en la UE.
(1) Fase I (2020-2024)
Esta fase tiene como objetivo reducir las emisiones de carbono de los procesos de producción de hidrógeno existentes y ampliar las áreas de aplicación de la energía del hidrógeno. La capacidad instalada de los equipos de producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua a partir de energías renovables debe alcanzar al menos 6 GW, y la producción anual de hidrógeno verde debe alcanzar el millón de toneladas en 2024.
(2) Fase II (2025-2030)
Esta fase tiene como objetivo hacer de la energía del hidrógeno un componente importante de un sistema energético integrado. La capacidad instalada de los equipos de producción de hidrógeno a partir de energías renovables debe alcanzar al menos 40 GW, y la producción anual de hidrógeno verde debe alcanzar los 10 millones de toneladas en 2030. Las aplicaciones de la energía del hidrógeno se extenderán gradualmente a la industria y el transporte. En esta etapa, la energía de hidrógeno todavía se producirá cerca de las terminales de aplicación o en áreas con ricos recursos de energía renovable para lograr un sistema regional de energía ecológica.
(3) Fase III (2031-2050)
El objetivo de esta fase es realizar la aplicación a gran escala de la energía del hidrógeno. La tecnología para producir hidrógeno a partir de energías renovables madurará gradualmente; La energía del hidrógeno se desplegará a gran escala para reemplazar a las industrias que luchan por descarbonizarse y ayudar a lograr la neutralidad de carbono.
5.2 Estados Unidos
La Asociación de Energía de Pilas de Combustible e Hidrógeno de EE. UU. (FCHEA) publicó un informe sobre la «Hoja de ruta hacia una economía de hidrógeno de EE. UU.» en el Simposio Internacional y Feria de Energía de Pilas de Combustible de 2019. Según este informe, el camino de desarrollo de la economía del hidrógeno en los EE. UU. se puede dividir en cuatro fases (Fuel Cell and Hydrogen Energy Association 2019).
(1) Fase I (2020-2022)
Los objetivos de desarrollo en esta fase son identificar objetivos de descarbonización fiables y tecnológicamente neutros a niveles más estatales y federales, llevar al mercado aplicaciones de hidrógeno relativamente maduras, aumentar la conciencia pública y la aceptación del hidrógeno y seguir experimentando con otras aplicaciones del hidrógeno, ampliar las aplicaciones maduras (como las carretillas elevadoras) y las aplicaciones cercanas al punto de equilibrio (como la energía de reserva). e impulsar el crecimiento de la demanda del mercado para que coincida con la capacidad de producción de hidrógeno.
(2) Fase II (2023-2025)
Esta etapa es la etapa de desarrollo a escala inicial, destinada a lograr la producción de hidrógeno a gran escala y construir las primeras instalaciones de producción de hidrógeno a gran escala, bajas en carbono o sin carbono. Con la expansión de la producción de hidrógeno, la escala de los equipos relacionados con el hidrógeno (especialmente los equipos de producción de pilas de combustible para automóviles y los equipos de las estaciones de combustible) se ampliará simultáneamente para reducir los costes y mejorar el rendimiento. Esta fase requiere directrices reglamentarias claras para coordinar a los participantes en el mercado y atraer inversiones, haciendo que los incentivos de política pasen del apoyo directo temprano a mecanismos de mercado escalables. La demanda de hidrógeno en EE.UU. alcanzará los 13 millones de toneladas en 2025.
(3) Fase III (2026-2030)
Se trata de una fase de desarrollo diversificado. Se utilizarán ampliamente varias tecnologías de producción de hidrógeno y la escala de la electrólisis del agua seguirá expandiéndose. El hidrógeno estará estrechamente ligado a la red eléctrica y a las energías renovables. En 2030, la demanda de hidrógeno superará los 17 millones de toneladas, mientras que en EE.UU. operarán 4.300 estaciones de repostaje de hidrógeno; La inversión anual en energía de hidrógeno alcanzará los 8.000 millones de dólares.
(4) Fase IV (2031-)
Esta es una fase de amplia promoción. La energía del hidrógeno se desplegará a gran escala en todas las regiones e industrias de EE. UU., y las políticas de apoyo anteriores se eliminarán gradualmente después de 2030. Al mismo tiempo, los equipos de producción de hidrógeno basados en combustibles fósiles se modernizarán con tecnología de captura y almacenamiento de carbono. Competirán varias tecnologías de producción de hidrógeno de bajo costo y bajas emisiones de carbono. Además de fabricar y producir para el mercado interno, la energía del hidrógeno y las tecnologías de producción relacionadas se exportarán a Europa y Asia. Los ingresos anuales de la industria de la energía del hidrógeno en los EE. UU. alcanzarán los $ 750 mil millones en 2050.
5.3 Japón
Las vías de desarrollo de la energía del hidrógeno en Japón incluyen principalmente los siguientes tres aspectos: 1) lograr una producción de hidrógeno de bajo costo y bajas emisiones de carbono mediante el uso de tecnología de captura y almacenamiento de carbono (CCS) o electrólisis del agua a partir de energía renovable; 2) fortalecer la infraestructura para la importación y el transporte nacional de hidrógeno; 3) promover la aplicación extensiva del hidrógeno en diversos sectores, como el automóvil, la calefacción combinada y la electricidad en el hogar y la generación de energía.
Además, de acuerdo con «Construcción de una cadena de suministro de energía de hidrógeno a gran escala con el objetivo de lograr una sociedad de energía de hidrógeno» (Consejo de Estado de China 2016) publicado por la Agencia de Recursos Naturales y Energía en 2022 y «Estado actual y futuras direcciones de investigación del hidrógeno / amoníaco» (Administración Nacional de Energía 2019) publicado por el Ministerio de Economía, Comercio e Industria, la vía de desarrollo de la energía del hidrógeno en Japón se puede dividir en las siguientes tres etapas:
(1) Fase I (2022-2030)
Expandir continuamente la aplicación de la energía del hidrógeno en la generación de energía, el transporte, la industria y los medios de vida, e investigar las tecnologías de producción de hidrógeno a partir de energías renovables. Desarrollar la cadena internacional de importación de energía de hidrógeno, establecer un mecanismo de importación en el extranjero a gran escala después de 2025 y desarrollar simultáneamente la capacidad nacional de suministro de hidrógeno verde. La capacidad de suministro comercial de energía de hidrógeno debería alcanzar los tres millones de toneladas, y se espera que el costo de la energía de hidrógeno caiga de 100 yenes/m3 a 30 yenes/m3 en 2030.
(2) Fase II (2031-2050)
Desarrollar vigorosamente tecnologías de producción de hidrógeno con bajas emisiones de carbono, como la producción de hidrógeno a partir de energías renovables y la producción de hidrógeno a partir de lignito combinada con CAC. La energía del hidrógeno se utilizará en múltiples campos y realizará una aplicación a gran escala en la generación de energía. La capacidad de suministro comercial de energía de hidrógeno debería alcanzar los 20 millones de toneladas, y se espera que el costo de la energía de hidrógeno disminuya a 20 yenes/m3 en 2050.
(3) Fase III (2051-)
El objetivo de esta fase es realizar una aplicación a gran escala de la energía del hidrógeno en áreas en las que es difícil lograr una descarbonización profunda a través de la electrificación para ayudar a alcanzar el objetivo de la neutralidad de carbono, y diversificar las fuentes de suministro de energía del hidrógeno para garantizar la seguridad energética nacional.
5.4 República de Corea
Según el «Plan Básico para el Desarrollo de la Economía del Hidrógeno» (Luo 2017) publicado en 2021 en la Cuarta Reunión del Consejo de la Economía del Hidrógeno, la vía de desarrollo de la energía del hidrógeno en la República de Corea puede dividirse en dos etapas.
(1) Fase I (2021-2030)
Desarrollar vigorosamente los vehículos alimentados con hidrógeno y garantizar un incremento anual de 100.000 vehículos domésticos alimentados con hidrógeno y 2.000 vehículos comerciales alimentados con hidrógeno. Realizar la aplicación comercial de la tecnología CCUS y los equipos de producción de hidrógeno de 10 MW, proporcionando un fuerte apoyo a la producción de hidrógeno verde. La demanda total de energía de hidrógeno alcanzará los 3,9 millones de toneladas, y la proporción de hidrógeno verde alcanzará el 75% en 2030. La cantidad de hidrógeno autoproducido será de 1,94 millones de toneladas, y la cantidad de hidrógeno comprado en el extranjero será de 1,96 millones de toneladas, lo que representa alrededor del 50% de toda la demanda.
(2) Fase II (2031-2050)
Construcción de 40 cadenas de importación en el extranjero y comercialización de los equipos de producción de hidrógeno de grado GW. Para 2050, el número de automóviles domésticos alimentados con hidrógeno alcanzará los 5,15 millones, y el número de vehículos comerciales alimentados con hidrógeno alcanzará los 110.000. La demanda total de energía de hidrógeno será de 27,9 millones de toneladas, que debe estar compuesta íntegramente por hidrógeno verde e hidrógeno azul con bajas emisiones de carbono. La cantidad de hidrógeno autoproducido será de cinco millones de toneladas, y la cantidad de hidrógeno comprado en el extranjero será de 22,9 millones de toneladas, lo que representa el 82% de toda la demanda.
En 2050, la energía del hidrógeno representará el 33% del consumo terminal de energía y el 23,8% de la generación de electricidad en la República de Corea, superando al petróleo para convertirse en la principal fuente de energía. Además, la República de Corea generará 1 billón de dólares, creará 567.000 oportunidades de empleo y reducirá las emisiones de gases de efecto invernadero en más de 200 millones de toneladas mediante la aplicación de este plan.
5.5 República Popular China
Generalmente analizado con «Hoja de ruta de desarrollo de energía de hidrógeno de China 1.0: ¿Cómo lograr un sistema de suministro de energía de hidrógeno verde, eficiente y económico?» (China EV100 2020) publicado por China EV100 en 2020, «Plan a mediano y largo plazo para el desarrollo de la industria de la energía del hidrógeno (2021-2035)» (Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma y la Administración Nacional de Energía 2022) publicado conjuntamente por la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma y la Administración Nacional de Energía en 2022, y «Clave para una nueva era de energía de hidrógeno verde: Hoja de ruta de desarrollo de China ‘Renewable Hydrogen 100’ en 2030» (Instituto de las Montañas Rocosas e Instituto de Investigación de la Alianza del Hidrógeno de China 2022) publicada conjuntamente por el Instituto de las Montañas Rocosas y el Instituto de Investigación de la Alianza del Hidrógeno de China, la vía de desarrollo de la energía del hidrógeno en la República Popular China se puede dividir en las siguientes cuatro etapas.
(1) Fase I (2020-2025)
Proporcionar un entorno institucional y político bastante completo para el desarrollo de la industria de la energía del hidrógeno y establecer inicialmente una cadena de suministro y un sistema industrial relativamente completos en 2025. Se espera que las aplicaciones de demostración de la energía del hidrógeno logren resultados aparentes, y que las tecnologías de producción de hidrógeno verde logren avances significativos. En 2025, el número de vehículos de pila de combustible alcanzará los 50.000, y la producción anual de hidrógeno verde alcanzará los 0,1-0,2 millones de toneladas, convirtiéndose en una parte importante del consumo de energía de hidrógeno y logrando la reducción de emisiones de CO2 de uno a dos millones de toneladas al año. En esta etapa, el almacenamiento y el transporte de energía de hidrógeno se realizan principalmente a través de recipientes de gas comprimido de alta presión, y se promueve el transporte de hidrógeno líquido como piloto. El modo de recarga de la energía del hidrógeno se basa principalmente en estaciones conjuntas, y las estaciones integradas de producción de hidrógeno se promueven como piloto.
(2) Fase II (2026-2030)
Para 2030, se formará un sistema de innovación tecnológica relativamente completo para la industria del hidrógeno y el sistema de producción de hidrógeno verde, y la tecnología de producción de hidrógeno a partir de energía renovable se aplicará ampliamente. Con las ventajas de la aglomeración industrial y un mercado a gran escala, se espera que la capacidad instalada de las instalaciones de producción de hidrógeno a partir de energías renovables alcance los 100 GW, acelerando el efecto de escala.
(3) Fase III (2031-2035)
Esta fase es para formar un sistema industrial de energía de hidrógeno y construir una ecología diversificada de aplicación de energía de hidrógeno que abarque el transporte, el almacenamiento de energía, la industria, etc. Obviamente, se aumentará la proporción de hidrógeno verde en el consumo de energía de la terminal, apoyando vigorosamente la transformación energética. En esta etapa, el modo de almacenamiento y transporte de la energía del hidrógeno será principalmente a través de hidrógeno líquido, complementado con recipientes de gas comprimido de alta presión. El modo de repostaje de la energía del hidrógeno se desarrollará hacia la diversificación y la creación de redes.
(4) Fase IV (2036-2060)
El patrón de suministro de energía de hidrógeno en China cambiará gradualmente a una ruta limpia y baja en carbono, con solo una pequeña cantidad de producción de hidrógeno de energía fósil para uso específico del escenario en esta fase. La capacidad instalada de producción de hidrógeno a partir de energías renovables se ampliará con un crecimiento anual del 5% al 10%, la capacidad instalada acumulada alcanzará los 500-750 GW y la producción de hidrógeno verde alcanzará los 75-100 millones de toneladas en 2060, lo que representa el 75%-80% de toda la producción de energía de hidrógeno. En esta etapa, la energía del hidrógeno se puede almacenar y transportar de múltiples maneras, como hidrógeno líquido, recipientes de gas comprimido a alta presión y a través de tuberías.
6. CONCLUSIÓN
La energía del hidrógeno verde sigue siendo muy cara en comparación con el hidrógeno no verde y las energías renovables; Sin embargo, se espera que el coste del hidrógeno verde caiga sustancialmente en el periodo 2030-2050. Además, el hidrógeno verde tiene el potencial de desempeñar un papel fundamental en el camino global hacia el objetivo de neutralidad de carbono, por ejemplo, a través de las siguientes aplicaciones. En primer lugar, la energía del hidrógeno verde puede utilizarse como almacenamiento de energía a largo plazo para mejorar la tasa de utilización de la energía renovable y la fiabilidad de la red, por ejemplo, cuando se necesita almacenamiento estacional. En segundo lugar, la energía del hidrógeno verde puede ayudar a las industrias en las que es difícil lograr una descarbonización profunda a través de la electrificación (energías renovables), como la logística y las industrias, incluida la extracción de petróleo y gas natural. El mercado potencial total del hidrógeno verde probablemente alcanzará los 250.000 millones de dólares en 2030 y 1 billón de dólares en 2050 (Goldman Sachs, 2022).
Por lo tanto, en este documento se ofrece una revisión exhaustiva del papel y las vías de desarrollo de la energía del hidrógeno verde hacia el objetivo de neutralidad de carbono, incluido el estado actual y la tendencia de desarrollo de las tecnologías de producción de hidrógeno verde, el papel y las aplicaciones de la energía del hidrógeno verde, las políticas y documentos relacionados con el desarrollo de la energía del hidrógeno verde en varios países y regiones. y las vías de desarrollo de la energía del hidrógeno verde en el marco del objetivo de neutralidad de carbono.
De acuerdo con el contenido de la investigación anterior, para los países o regiones con la necesidad de formular las vías de desarrollo de la energía del hidrógeno verde (por ejemplo, debido a la necesidad del hidrógeno verde de descarbonizar los sectores difíciles de reducir, el almacenamiento a largo plazo en el sector eléctrico o los ingresos de exportación), se sugiere que el desarrollo de la energía del hidrógeno siga los siguientes principios. En primer lugar, proporcionar un entorno institucional y político propicio para el desarrollo de la industria de la energía del hidrógeno y llevar al mercado aplicaciones de hidrógeno relativamente maduras (donde el hidrógeno no verde ya se utiliza desde hace mucho tiempo), por ejemplo, incentivando la sustitución del hidrógeno no verde por hidrógeno verde por parte de las industrias
En segundo lugar, la transición de los incentivos políticos del apoyo directo inicial a mecanismos de mercado escalables. La energía del hidrógeno debe estar estrechamente vinculada a la red eléctrica y a las energías renovables en esta fase. Luego, formar un sistema industrial de energía de hidrógeno y construir aplicaciones diversificadas de energía de hidrógeno que cubran el transporte, el almacenamiento de energía, la industria, etc.
Por último, realizar una aplicación a gran escala de la energía del hidrógeno en zonas donde es difícil lograr una descarbonización profunda mediante la sustitución de los combustibles fósiles por la electrificación (procedente de energías renovables) para ayudar a alcanzar el objetivo de la neutralidad de carbono, es decir, sectores difíciles de reducir como el acero y el cemento. Los sectores difíciles de reducir requerirán incentivos que promuevan la sustitución de los combustibles fósiles por hidrógeno verde para lograr la descarbonización de dichos sectores.
Publicado originalmente: https://www.adb.org/sites/default/files/publication/915311/adbi-wp1414.pdf