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EL ROL DEL HIDRÓGENO EN LA DESCARBONIZACIÓN DE COSTA RICA: ASPECTOS TECNO-ECONÓMICOS3 DE AGOSTO, 2018

El rol del hidrógeno en la descarbonización de Costa Rica: aspectos tecno-económicos

Ing. Juan Ignacio Del Valle Gamboa, M.Sc.Director de Operaciones, Ad Astra Rocket Company Costa Rica

[email protected]

mailto:[email protected]


1. Descarbonización en Costa Rica

2. Hidrógeno en la descarbonización del transporte

3. El Ecosistema de Transporte Autosostenible

4. Conclusiones

Contenidos


Descarbonización en Costa Rica:¿por qué y para qué?


La Identidad de Kaya:

emisiones = población * (renta per cápita) * (intensidad energética) * (intensidad de carbono)

● Los desarrollos tecnológicos (intensidad energética y tecnologías bajas en emisiones) reducen la intensidad en emisiones del desarrollo económico.

● En la práctica, debe reducirse la huella de carbono sin detrimento del crecimiento económico ni de la competitividad del país.

Descarbonización: una definición

factores de desarrollo económico:

población + productividad

factores de intensidad tecnológica:

intensidad energética + tecnologías bajas en carbono

Pielke, Roger Jr., “The Climate Fix: What Scientists and Politicians Won’t Tell You About Global Warming”, Basic Books, Nueva York, 2010.


Descarbonización en CR: ¿por qué y para qué?

FUENTES DE ENERGÍA

CONSUMO DE ENERGÍA


Descarbonización en CR: ¿por qué y para qué?

Herrera, J., “Informe Estado de la Nación en Desarrollo Humano Sostenible 2017 - Uso y Estado de los Recursos: Energía”, Programa Estado de la Nación, San José, 2017

Producción,Energía Primaria:111.536 TJ (49.2 %)

Importación,Energía Secundaria:

115.157 TJ (50.8 %)

TOTAL FUENTES:226.693 TJ (100 %)

- Geotermia: 21.5 %- Hidroeléctrica: 13.9 %- Biomasas: 12.0 %- Eólica: 3.1 % **

No aprovechada: 24.024 TJ (10.6 %)

Pérdidas: 47.671 TJ (21.0 %)

DISPONIBLE:39.841 TJ (17.6 %)

DISPONIBLE:115.157 TJ (50.8 %)

TOTAL CONSUMO:173.415 TJ (100 %)

Derivados de Petróleo:107.975 TJ (62.3 %)

Electricidad:35.155 TJ (20.3 %)

USOS: Primario (biomasas)25.706 TJ (14.8 %)

USOS: Transporte87.538 TJ (51.6 %)

USOS: Industria21.157 TJ (12.2 %)

USOS: residencial16.696 TJ (9.6 %)

USOS: comercial, servicios, agro, otros20.463 TJ (11.8 %)


Argumentos para la descarbonización

OPORTUNIDAD ECONÓMICA

- US$ 1.000 millones en importación de hidrocarburos en el 2016(1).

- Tasas de crecimiento interanual en el consumo entre 1,4% y 15,4% para el 2016.

OPORTUNIDAD AMBIENTAL

- Relación causal entre emisiones de GEI de origen antropogénico y variaciones globales del clima(4).

- Compromisos nacionales de reducción de emisiones ante COP.

OPORTUNIDAD EN SALUD PÚBLICA

- Consumo de petróleo en transporte produce 68,70% de emisiones de GEI en Costa Rica.

- 43% de emisiones GEI del transporte provienen de servicio ligero y servicio pesado (45% de automóviles y livianos)(2).

- Potenciales beneficios económicos anuales de entre $70 y $258 millones por mejorar calidad del aire en la GAM al estándar de OMS(3).

(1) RECOPE, “Datos Abiertos”. https://sites.google.com/site/datosabiertosrecope/importaciones(2) Chacón, A., Jiménez, G., Montenegro, J., Sasa, J. y Blanco, K.; “Inventario nacional de gases de efecto invernadero y absorción de carbono, 2012”; IMN, MINAE; San José; 2015.(3) Alpízar, F., Piaggio, M. & Pacay, E.; “Valoración Económica de la Reducción de la Contaminación del aire en la salud. El caso del Gran Área Metropolitana de Costa Rica”; División de Desarrollo Sostenible y Asentamientos Humanos, CEPAL; 2016.(4) IPCC; “Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change”; Core Writing Team, R.K. Pachauri and L.A. Meyer (eds.); IPCC, Ginebra; 2014.

https://sites.google.com/site/datosabiertosrecope/importaciones


Emisiones de GEI en el sector transporte de CRPARQUE VEHICULAR DE COSTA RICA, 2015:1.346.344 unidades(1)

AUTOMÓVILES62 %

CARGA LIVIANA13 %

MOTOS, OTROS19 %

PESADOS, BUSES

5 %

EMISIONES GEI SECTOR TRANSPORTE, 2011:4.913,20 Gg CO2e(2)

AUTOMÓVILES45 %

CARGA LIVIANA21 %

PESADOS, BUSES22 %

MOTOS, OTROS12 %

(1) INEC, “Anuario Estadístico - Social”, San José, 2015. http://www.inec.go.cr/documento/cuadro-951-costa-rica-vehiculos-automotores-en-circulacion-segun-estilo-2012-2015(2) Chacón, A., Jiménez, G., Montenegro, J., Sasa, J. y Blanco, K.; “Inventario nacional de gases de efecto invernadero y absorción de carbono, 2012”; IMN, MINAE; San José; 2015.

http://www.inec.go.cr/documento/cuadro-951-costa-rica-vehiculos-automotores-en-circulacion-segun-estilo-2012-2015


Descarbonización del transporte


Alternativas para descarbonizar el transporte

Agora Verkehrswende, “Transforming Transport to Ensure Tomorrow’s Mobility”, Berlin, 2017

Existen dos tecnologías de movilidad eléctrica cero emisiones, con las menores intensidades energéticas por distancia recorrida:

- BEVs alimentados por electricidad renovable (1)- FCEVs alimentados por electricidad renovable (3)

ELÉCTRICOSCERO EMISIONES

GASOLINA, DIESEL, CNG

BIOCOMBUSTIBLES


Dos tipos de vehículos eléctricos cero emisiones

VEHÍCULO ELÉCTRICO DE BATERÍAS (BEV) VEHÍCULO ELÉCTRICO DE PILA DE COMBUSTIBLE (FCEV)

● Ambos son movilidad eléctrica○ Difieren en sistema de almacenamiento de energía○ Ambos cumplen definición de “vehículo eléctrico” del artículo 2, Ley 9518


… ¡pero se dice que el hidrógeno es ineficiente!

(1) (2)

(1) Bossel, “Does a Hydrogen Economy Make Sense?”, Proceedings of the IEEE, 94(10), 2006(2) Advanced Power and Energy Program, “Well-to-Wheels Greenhouse Gas Emissions of Advanced and Conventional Vehicle Drive Trains and Fuel Production Strategies”, APEP, UC Irvine, 2014

“Al no poderse cambiar las leyes fundamentales de la física mediante investigación, políticas o inversiones, la economía del hidrógeno nunca tendrá sentido.”(1)

60%

29 kWh


● ¡Sí, es cierto! Almacenar energía en un sistema de hidrógeno puede ser actualmente hasta 2,5 veces más ineficiente (energéticamente) que en sistemas de baterías.○ Esto no mejorará mucho a punta de desarrollo tecnológico.

● Es impráctico e ineficiente basar la totalidad de un sistema de transporte sólamente en esta tecnología cero emisiones.○ Al igual que basarla únicamente en cualquier otra tecnología.


Eficiencia energética no es la única eficiencia

Thomas, C.E., “Fuel cell and battery electric vehicles compared”, International Journal of Hydrogen Energy, 34 (2009), 6005-6020

Por encima de los ~500 km de autonomía, los sistemas de hidrógeno en vehículos son más eficientes en peso y volumen.

Hay nichos del transporte que requieren estas características de peso y volumen, y que se benefician de estas y otras ventajas de los FCEVs.

Baterías de litio distan de lograr esta densidad energética, aún cuando se reduzca mucho su precio. - Litio-Ion: 400 Wh/L (est.), 200 Wh/kg - H2 350 bar: 200 Wh/L, 400 Wh/kg - Toyota Mirai, 700 bar: 570 Wh/L, 1080 Wh/kg


Nichos para el transporte eléctrico

Hydrogen Council, “Hydrogen Scaling Up: A sustainable pathway for the global energy transition”, 2017.

● Ventajas tecnológicas para segmentos de carga mediana y pesada, transporte (buses, taxis), trenes, aviación y barcos.

● Precisamente segmentos que producen ~40% emisiones GEI en Costa Rica.

FCEVs

BEVs


Buses: Costo similar, mayor autonomía y flexibilidad

Mahmud, M. et al., “Electric buses: a review of alternative powertrains”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 62 (2016), 673-684

● FCEBs tendrán costos similares de operación que alternativas de baterías

● FCEBs tendrán mayor rango de autonomía que alternativas de baterías.

● FCEBs tienen menor tiempo de recarga que alternativas de baterías.

● Costos de unidades bajan con economía de escala:○ Van Hool A330FC (“Nyuti”), 2010: $1 M○ Prototipo híbrido COPPE/UFRJ (Brasil): ~$875 k○ Foton AUV, 2018 (China): $238k - $527 k


Los vehículos están disponibles (comercialmente)● Rangos de autonomía y tiempos de recarga

idénticos a tecnología de combustión interna.

● Flexibilidad: no se modifican modelos de negocio y operación actuales.

● Menor peso y volumen para aplicaciones de alto rango y/o carga pesada.

○ Incluyendo aviación y embarcaciones.

● Automóviles, montacargas, camiones repartidores, bicicletas también disponibles.

● Trenes: costo por kilómetro potencialmente competitivo para distancias largas.

Alemania, 2018

EEUU, julio 2018

Inglaterra, 2016


Proyecciones de Mercado

Hydrogen Council, “Hydrogen Scaling Up: A sustainable pathway for the global energy transition”, 2017.

● Escenarios más optimistas predicen penetración gradual y sectorizada de FCEVs.

● El transporte no es la única aplicación del hidrógeno en descarbonización de economía.


El reto actual es viabilidad de infraestructuraCAPEX ESTACIÓN 700 BAR, VEHÍCULOS LIVIANOS

(Sin generación, 5 kg/vehículo, costos 2015)CAPEX ESTACIÓN 350 BAR, AUTOBUSES

(Sin generación, 40 kg/vehículo, costos 2015)

Estación para 10 FCEVs diarios: ~$ 2 M CAPEX

Incluye electrólisis PEM

- Recarga 1 bus/día: ~$2 M CAPEX- Recarga 10 bus/día: ~$4 M CAPEX- Recarga 30 bus/día: ~$6.25 M CAPEX

Incluye electrólisis PEM

Fuente: Ad Astra Rocket Company Costa Rica, simulaciones basadas en modelo H2A del NREL + base de datos de equipos disponibles en el mercado (año 2015)


El reto actual es viabilidad de infraestructura

● Esfuerzo liderado por Japón, Europa, EEUU (California, Nueva Inglaterra, Hawaii), Canadá.● China ingresando al mercado, impacto en costos capitales ya inició.● Costa Rica está en el mapa.


Proyecto “Ecosistema de Transporte Autosostenible”Liberia, Costa Rica


La meta

Crear un ecosistema de transporte, público y privado, basado en la tecnología del hidrógeno, que sea limpio, renovable, autosostenible financieramente, y permita validar la conveniencia de este modelo en Costa Rica.


Desarrollo gradual, por fasesFASE 1 (2011-2017)

- Viabilidad técnica- Rutas demostrativas, gratis- 2 kg H2/día; O2 se libera

FASE 2 (2018-2020)- Viabilidad operativa (OPEX)- 14 rutas públicas semanales, tarifa ARESEP- 200 kWe; 40 kg H2/día; comercialización del O2

FASE 3- Viabilidad comercial (CAPEX + OPEX)- 8 buses/día, 60 carros/día- 3 MWe; 300 kg H2/día; comercialización del O2- Precios: H2 $2,5/kg; O2 $3 / kg- Financiamiento 5%, 20 años; margen bruto: 24%

FASE 4- Expansión comercial (CAPEX + OPEX)- 8 buses/hora, 60 carros/hora- 60 MWe; 7000 kg H2/día; exportación del O2- Precios: H2 $3,23/kg; O2 $2,5 / kg- Financiamiento 10%, 20 años; margen bruto: 35%

COMERCIAL, REPLICABLEDEMOSTRACIÓNOPERATIVA

DEMOSTRACIÓNTÉCNICA


El Ecosistema de Transporte, Fase 1 (2011-2017)

Energía Renovable

Red

EólicoSolar

Producción y Almacenamiento de Hidrógeno

Dispensado

HidrógenoElectricidad

Hidrógeno

Autobús Eléctrico de Hidrógeno


Resultados de Fase 1


Fase 1 del Ecosistema implementada y operativa

78 kWe SOLAR

5 kWp EÓLICO

2,4 kg H2/DIA ELECTRÓLISIS PEMCOMPRESIÓN 450 BAR38 KG H2 ALMACENAMIENTO

VAN HOOL A330FC “N’YU’TI”38 KG H2 @ 350 BARRANGO EST. 350 KM


Resultados Fase 1● Inversión total (2011-2017): $4,44 millones

○ Sector público: $2,67 millones (60 %)○ Sector privado: $1,77 millones (40 %)

● Indicadores de rendimiento:○ Producción de hidrógeno, promedio: 13,17 kg H2 / mes

■ Múltiples lecciones sobre mantenimiento○ Distancia recorrida autobús en demostraciones: ~100 km○ Rendimiento comparable a datos operativos (~8 años) de esta misma unidad.

■ Eficiencia pozo-a-tanque (WtT): ~70 kWh / kg H2 en operación continua (24/7) ⇒ 47,1 %■ Eficiencia promedio autobús: 8,86 km / kg H2

■ Eficiencia pozo-a-ruedas (WtW) 7,90 kWh / km.


Fase 2: Demostración de Sostenibilidad OperativaEn ejecución


El Ecosistema de Transporte, Fase 2 (2018-2020)

Energía Renovable

Red

EólicoSolar

Dispensador (H35/H70)HidrógenoElectricidad

Hid

róge

no

Vehículos eléctricos de H2

Producción y Almacenamiento de Hidrógeno: 2 generadores 22 kg/día cada uno; compresión a 700 bar y enfriamiento criogénico

Oxígeno

Comercialización O2Oxígeno

Purificación y Envasado Diseño y Análisis


Diseño técnico y análisis financiero listos OCT 2018

- Diseños modulares, empaquetados, replicables- Prototipos comerciales


- Modelo proyecta operación sostenible.

- Costo del H2 de ¢468 / Leq diesel- Precio actual diésel: ¢556 / L

- Costo del O2 embotellado competitivo en mercado industrial

- Reducciones de precio posibles para nuevos mercados (acuacultura, otros).

- Insumos (electricidad, agua) a tarifas industriales (electricidad: 20 ¢/kWh), crecimiento anual

- Impuestos y cargas sociales incluidos.

Modelos financieros → sostenibilidad operativa

- Eficiencia de celda de combustible ~60% ⇒ costo del hidrógeno puede duplicar el equivalente en diésel (eff. ~30%) y aún ser competitivo (para vehículo de igual costo)


Modelos financieros → ¿viabilidad comercial?● Se proyectó también viabilidad financiera incluyendo costo de capital:

○ Inversión inicial: $2 millones (CAPEX, costos CIF, valores reales del mercado en 2018)○ Costo de insumos:

■ Electricidad: 22 ¢/kWh■ Agua: $2,88 / m3

○ Precios de venta:■ Hidrógeno: $3,50 / kg ( ⇒ ¢528 / Leq diesel)■ Oxígeno: $5,01 / kg ( ⇒ botella oxígeno 220 cf @ ¢26.000)

○ Se incluye: impuestos, variaciones de costos, inflación, cargas sociales, personal, mantenimiento

● Rentabilidad comercial a 5 años: se recupera inversión○ VAN: ~$500○ TIR: 3,7 %

● Indicadores podrían mejorar con disminución en CAPEX, incentivos en insumos o financieros, inversión externa en capital


La sostenibilidad del transporte con hidrógenoen Costa Rica es alcanzable


Conclusiones y Mensajes Clave

● La electrificación del transporte es la vía natural e idónea para la descarbonización de este sector en Costa Rica. Es un proceso de transición gradual, pero inevitable.

○ Debe incluir ambos tipos de vehículos eléctricos: baterías e hidrógeno, cada uno en los nichos y aplicaciones específicas donde sean más competitivos (económicamente).

● Por encima de 500 km de rango, los FCEVs presentan ventajas técnicas idóneas para nicho de transporte público, carga mediana y pesada, vehículos de trabajo.

● Maduración tecnológica y reducción de costos en algunos segmentos de vehículos es alta. Principal reto actual es viabilidad económica de infraestructura.

● El Ecosistema de Transporte, una alianza público-privada costarricense, busca aportar datos y esquemas viables para introducir esta tecnología en Costa Rica.


La descarbonización de Costa Rica, buscando la independencia energética, inició en 1884.Nos falta el último gran paso.

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