Mezclando hidrógeno con gas natural: camino hacia un futuro energético sostenible

A medida que la sociedad busca un mundo más limpio y neutral en carbono, la integración de los sistemas de energía se vuelve cada vez más importante. El Hidrógeno se perfila como un jugador clave en esta transición. Se puede producir a partir de energía renovable y usarse en varias aplicaciones a través de múltiples sectores. Sin embargo, en este momento, no hay suficientes instalaciones para producir, almacenar o transportar hidrógeno hecho a partir de fuentes renovables, ni tampoco hay una demanda significativa por él. En el futuro, para conectar dónde se produce hidrógeno y dónde se necesita, se podrían adaptar y expandir las tuberías de gas existentes en Europa.

En la fase inicial de desarrollo del sector del hidrógeno, especialmente en los años 2020 y principios de 2030, se está considerando mezclar hidrógeno con Gas Natural en las tuberías. Este documento analiza cómo la mezcla de hidrógeno con gas natural puede afectar el crecimiento del sector del hidrógeno y qué técnicas de modelado se pueden usar para estudiarlo.

Para lograr esto, se ha creado un modelo flexible para analizar los sectores de energía, gas natural e hidrógeno juntos. El modelo incluye una nueva forma de entender los Flujos de gas, especialmente al mezclar hidrógeno y gas natural. Un estudio de caso demuestra que la mezcla puede ayudar a impulsar el crecimiento del sector del hidrógeno. Sin embargo, si se ignoran los aspectos técnicos detallados del flujo de gas, podría llevar a una mala planificación y problemas operativos, afectando no solo al sector del hidrógeno, sino también al sector energético.

El camino hacia sociedades zero-carbono demanda cambios por parte de la sociedad y una transformación de los sistemas energéticos. La Unión Europea (UE) lidera esta transformación, buscando la neutralidad climática para 2050. Aún así, desafíos como la crisis energética actual derivada de eventos geopolíticos han puesto la seguridad energética y la asequibilidad en primer plano, requiriendo atención inmediata.

Además de expandir las fuentes de energía renovable, reducir la dependencia del gas natural y aumentar el sector del hidrógeno son pasos cruciales para alcanzar los objetivos de 2030 establecidos por la UE. La UE aspira a producir 10 millones de toneladas de hidrógeno renovable e importar 6 millones de toneladas de hidrógeno renovable (más 4 millones de toneladas de amoníaco) para 2030. Para lograr esta visión, se requiere una infraestructura sustancial, incluyendo 65 GW de electrolizadores conectados a 41 GW de energía eólica y 62 GW de energía solar. Esta situación presenta muchos desafíos técnicos y económicos.

Una pregunta clave es dónde deberían ubicarse las instalaciones de producción de hidrógeno: cerca de las fuentes de energía renovable o cerca de la futura demanda de hidrógeno? Aún hay mucha incertidumbre sobre la demanda de hidrógeno porque se puede usar de muchas maneras, desde almacenar el exceso de energía renovable hasta servir como materia prima para diversas industrias, incluyendo la producción de acero y la creación de combustible.

Además de cómo se produce el hidrógeno, su transporte juega un papel importante en el crecimiento del sector. Durante las primeras etapas del desarrollo del hidrógeno, usar las tuberías de gas europeas existentes para mezclar hidrógeno con gas natural parece prometedor. La mezcla ya está permitida en algunos lugares para cantidades limitadas, como el 10% en Austria y potencialmente el 20% en el Reino Unido.

Este documento tiene como objetivo responder a dos preguntas principales:

1. ¿Cómo pueden los modelos de sistemas de energía representar la mezcla de gas natural e hidrógeno, y qué impacto tienen los detalles técnicos en la planificación para la expansión?
2. ¿Cómo puede crecer el sector del hidrógeno de manera rentable, especialmente durante la fase inicial cuando aún no hay demanda dedicada de hidrógeno?

Para responder a estas preguntas, se ha creado un nuevo marco para modelar cómo se mezcla el gas natural y el hidrógeno en función de los flujos de gas en estado estacionario. El modelo evalúa cómo la mezcla puede ayudar a expandir el sector del hidrógeno. Enfatiza la importancia de capturar detalles técnicos que pueden influir en la viabilidad operativa del sistema energético.

#Revisión de Literatura

Esta revisión examina los modelos de sistemas de energía existentes centrados en cómo expandir la infraestructura de hidrógeno durante las primeras etapas del sector del hidrógeno. En particular, se analiza cómo se manejan los flujos de gas, lo cual es crucial para mezclar hidrógeno con gas natural.

La investigación muestra que los modelos tradicionales de sistemas de energía pueden no estar equipados para manejar los desafíos cada vez más complejos de crear un paisaje energético más sostenible. Muchos modelos se centran ya sea en la fiabilidad a corto plazo o en la expansión a largo plazo, a menudo pasando por alto la necesidad de una representación detallada de los aspectos técnicos, especialmente en lo que respecta al hidrógeno.

#Modelo Propuesto de Sistema Energético

Se ha propuesto un modelo de optimización de sistema energético integrado para minimizar los costos totales en los sectores de energía, gas natural e hidrógeno. Este modelo es modular y flexible, permitiendo una representación detallada de cada sector y sus conexiones, como unidades de electrolizadores, pilas de combustible y plantas de energía a gas.

Una contribución original de este modelo es la forma detallada en que representa la mezcla de gas natural e hidrógeno para el transporte por tuberías. Este enfoque busca proporcionar una planificación más precisa para la infraestructura de gas, incluyendo su impacto en el sector del hidrógeno.

#Estructura Temporal

El modelo permite flexibilidad en la representación del tiempo, ya sea considerando cada hora del año o utilizando períodos representativos. Esta flexibilidad es crucial para modelar con precisión la demanda y el suministro de energía, particularmente para tecnologías de almacenamiento.

#Función Objetivo y Restricciones

El objetivo del modelo es minimizar los costos totales del sistema, teniendo en cuenta diversos factores en los sectores energéticos. Esto incluye costos de producción, operación, mantenimiento e inversión para diferentes fuentes de energía. El modelo permite la sustitución de hidrógeno por gas natural, facilitando una evaluación más sencilla de los costos y beneficios potenciales.

#Visión General del Sector del Gas Natural

El modelo del sistema energético analiza cómo la demanda de gas natural puede ser abastecida completamente desde los pozos de gas, con implicaciones para la eficiencia del lado de la oferta. El modelo permite una mezcla de gas natural e hidrógeno, reconociendo la necesidad de un contenido energético suficiente en la mezcla final.

#Visión General del Sector del Hidrógeno

El sector del hidrógeno del modelo incluye varios métodos de producción, particularmente la electrólisis del agua y la reforma de gas natural. El modelo aborda el potencial de almacenamiento de hidrógeno, con opciones de almacenamiento a corto y largo plazo disponibles.

#Modelo de Red de Gas

La red de transmisión de gas conecta los sitios de producción con las ubicaciones de demanda y permite la mezcla de hidrógeno y gas natural. El modelo busca crear una representación realista de las relaciones de flujo y presión de gas en las tuberías.

#Estudios de Caso

Se llevaron a cabo dos estudios de caso significativos para analizar la efectividad del modelo propuesto en la planificación de sistemas energéticos.

1. El primer estudio de caso analiza el impacto de diferentes formulaciones de flujo de gas en las decisiones de planificación sobre el sector del hidrógeno. Destaca cómo las tasas de mezcla influyen en las decisiones de expansión y viabilidad operativa.

2. El segundo estudio de caso se centra en cómo aumentar efectivamente el sector del hidrógeno. Explora cómo la combinación de hidrógeno con gas natural puede influir en la integración del sector y el rendimiento general del sistema.

#Aumentando el Sector del Hidrógeno

Esta sección discute la necesidad de impulsar el crecimiento del sector del hidrógeno aprovechando la infraestructura existente para mezclar hidrógeno con gas natural. La capacidad de desplegar hidrógeno de manera económica a través de los sectores es fundamental para lograr objetivos energéticos más amplios.

#Conclusión

El desarrollo del hidrógeno como una fuente de energía viable es crucial para lograr un sistema energético sostenible y descarbonizado. El modelo propuesto proporciona un marco para evaluar cómo el hidrógeno puede integrarse en las Infraestructuras de gas natural existentes, permitiendo una transición más suave hacia fuentes de energía más limpias.

La mezcla de hidrógeno con gas natural representa un paso importante para iniciar el crecimiento del sector del hidrógeno. Además, una planificación cuidadosa y la consideración de diversos factores, incluidos los desafíos económicos y operativos, serán fundamentales para hacer del hidrógeno una parte confiable de nuestro futuro energético.