A medida que avanzan los objetivos de descarbonización para los sistemas eléctricos y la economía en general, la producción de hidrógeno verde mediante electrólisis tiene el potencial de proporcionar flexibilidad para equilibrar la oferta y la demanda, así como para mantener la fiabilidad a medida que aumentan los niveles de energía eólica y solar. Este informe explora las necesidades de modelado y los requisitos de datos para integrar el hidrógeno en los estudios de sistemas eléctricos y evalúa su papel como fuente de flexibilidad del sistema. Las cuatro principales tecnologías de electrólisis (alcalina, PEM, SOEC y AEM) tienen diferentes ventajas y desventajas en términos de costos y desempeño, con algunas más adecuadas para la flexibilidad operativa y los servicios auxiliares, y otras para la flexibilidad de larga duración, como el almacenamiento estacional. Modelar la flexibilidad del hidrógeno introduce nuevas consideraciones más allá de los modelos típicos de sistemas eléctricos, como los servicios de red necesarios, los horizontes temporales, los regímenes operativos, las características del sistema de electrólisis y los requisitos de datos. El informe analiza los desafíos y las brechas en las herramientas y métodos de modelado existentes, y sirve como punto de partida para que los modeladores consideren cómo evaluar los beneficios e implicaciones del uso de la producción de hidrógeno verde para la flexibilidad en sus sistemas. En cuanto a la importancia de incorporar la producción de hidrógeno verde en los modelos de planificación del sistema eléctrico para evaluar su potencial para proporcionar flexibilidad a la red, es fundamental contar con datos de alta calidad sobre la producción de hidrógeno, la demanda y las interacciones entre el sistema eléctrico y otros sectores. El modelado del hidrógeno puede requerir múltiples herramientas de planificación, como modelos de expansión de capacidad, costos de producción y modelos de sistemas multienergéticos, para capturar las características técnicas y los costos de diferentes tecnologías de electrólisis, aspectos de localización de redes de transmisión e hidrógeno, fuentes de energía renovable, precios del hidrógeno e interacciones entre el sistema eléctrico y otros mercados. Como el hidrógeno es un recurso emergente, existe un consenso limitado sobre las mejores prácticas para el modelado, pero la investigación continua y la colaboración pueden ayudar a desarrollar estas prácticas. El estudio, a su vez, analiza diversos estudios de rutas que identifican el papel potencial del hidrógeno en la consecución de objetivos de descarbonización y en proporcionar flexibilidad al sistema eléctrico. En general, enfatiza la importancia de integrar la producción de hidrógeno verde en los procesos de planificación del sistema eléctrico para comprender mejor sus implicaciones en las operaciones del sistema eléctrico y las operaciones de mercado.
La importancia de utilizar múltiples herramientas de modelado para caracterizar eficazmente la flexibilidad del hidrógeno verde en los sistemas energéticos se destaca en este análisis. Se enfatiza que se necesitan diferentes modelos con resoluciones temporales y espaciales variables para capturar las necesidades de flexibilidad en diferentes escalas de tiempo, como el equilibrio minuto a minuto, el arbitraje energético diurno o el arbitraje energético estacional. Además, se discute la importancia de considerar incertidumbres, como la disponibilidad de energía renovable, los costos de electricidad y la tecnoeconomía de las instalaciones de hidrógeno, a través de múltiples escenarios o técnicas probabilísticas. Asimismo, se resalta la necesidad de modelar procesos ascendentes y medios, como el transporte de hidrógeno y los sistemas de agua, para comprender las implicaciones de una economía de hidrógeno más amplia. Por último, se reconoce la interdependencia de la economía del hidrógeno con otros sectores energéticos y el potencial para el modelado de sistemas multienergéticos. En otro sentido, se discute la importancia de representar con precisión las limitaciones operativas y de flexibilidad de la producción y utilización de hidrógeno en los modelos de sistemas eléctricos. Se destaca la necesidad de incorporar detalles como curvas de eficiencia no lineales, múltiples puntos de operación, restricciones de rampa y tiempos de retardo para electrolizadores y balance de planta. Por lo tanto, se enfatiza la importancia de representar las limitaciones de flexibilidad en el lado de la demanda de hidrógeno, como la capacidad de respuesta de los procesos químicos aguas abajo, la disponibilidad de buffers de almacenamiento y la dinámica del mercado. En resumen, se subraya la necesidad de un modelado detallado y preciso para evaluar el potencial de flexibilidad del hidrógeno verde en los sistemas energéticos.
Comprender las características de las diferentes tecnologías de electrólisis es fundamental al modelar la flexibilidad de la producción de hidrógeno verde para el sistema eléctrico. Se detallan los cuatro tipos principales de tecnologías de electrólisis: alcalina, membrana de electrolito polimérico (PEM), celda de electrólisis de óxido sólido (SOEC) y membrana de intercambio aniónico (AEM), destacando que la alcalina es la más madura y la AEM está en fase de laboratorio. Debe plantearse una definición del tipo de tecnología de electrólisis desde el principio, debido a que cada una tiene comportamientos operativos, costos y características de desempeño diferentes que afectan su velocidad de respuesta, eficiencia y capacidad para proporcionar flexibilidad a la red eléctrica. Además, se discuten los diversos costos asociados con la producción de hidrógeno electrolítico, incluidos los costos de capital, operativos y de mantenimiento (siendo la electricidad el mayor gasto operativo), y la importancia de considerar el horizonte temporal y la ubicación al estimar los costos. Asimismo, se enfatiza la importancia de las características de desempeño, como el rango de operación, el tiempo de respuesta, la eficiencia y el factor de capacidad, dado que varían según el tipo de tecnología y afectan significativamente la cantidad y el valor de la flexibilidad que pueden proporcionar al sistema eléctrico. Por otro lado, los electrolizadores pueden operar en un amplio rango, brindando flexibilidad a la red. Los sistemas alcalinos tienen un rango de operación más estrecho en comparación con otros tipos debido a preocupaciones de seguridad en cargas bajas. Los sistemas PEM tienen un rango de operación más amplio del 0 al 160%, lo que los hace más adecuados para proporcionar flexibilidad operativa y servicios auxiliares. Los sistemas SOEC pueden potencialmente operar en un rango aún mayor al invertir su modo de operación. La tasa de respuesta de los electrolizadores depende del tipo de membrana, siendo las tecnologías PEM, SOEC y AEM más rápidas que los sistemas alcalinos. Modelar con precisión el comportamiento de los electrolizadores es importante para una programación óptima y para capturar el valor de la flexibilidad. Mientras que las simplificaciones pueden ser aceptables para decisiones de inversión, los modelos operativos deben considerar curvas de eficiencia no lineales, estados de operación y efectos de temperatura. La degradación de pilas debido a condiciones de operación variables es un área de investigación en curso que puede afectar costos y disposición para proporcionar servicios de flexibilidad. Las pilas alcalinas tienen la vida útil más larga, mientras que las pilas SOEC tienen vidas más cortas debido a materiales cerámicos.
El análisis de la flexibilidad potencial del hidrógeno verde como recurso flexible en sistemas eléctricos destaca la importancia de contar con conjuntos de datos completos sobre recursos de energía renovable, infraestructura de transmisión, suministro de agua y parámetros de producción de hidrógeno. Los desafíos incluyen la incertidumbre en torno a futuros proyectos de transmisión, discrepancias temporales entre el desarrollo de generación y transmisión, y datos incompletos o confidenciales. La modelización de la producción de hidrógeno verde requiere capturar las interacciones entre la transmisión, el suministro de agua y las dinámicas tecnológicas del hidrógeno. Los modelos de electrolizadores deben ir más allá de los parámetros típicos como coste y eficiencia para incluir factores como las tasas de rampa y los factores de capacidad. Además, se resalta la necesidad de datos sobre procesos de conversión de hidrógeno, transporte, almacenamiento y uso como combustible y materia prima. El informe enfatiza la necesidad de conjuntos de datos establecidos para evaluar realistamente el potencial de flexibilidad del hidrógeno verde, y también discute las sinergias entre el hidrógeno verde y otros sectores, sugiriendo la necesidad de enfoques de modelización integrados o escalonados para capturar los bucles de retroalimentación y los efectos de acoplamiento del sistema. Siendo así, el hidrógeno verde tiene el potencial de proporcionar flexibilidad al sistema eléctrico, pero su verdadero potencial se materializa cuando se sincroniza con otros sectores como el transporte, el suministro de agua y los sistemas de gas natural. Para modelar estos acoplamientos de sistemas, son necesarios datos de estos sistemas interdependientes. Los datos del sistema de transporte incluyen demanda, suministro, infraestructura y electrificación. Se requieren datos de suministro de agua, incluyendo infraestructura, para modelar los efectos de la disponibilidad de agua en la producción de hidrógeno. Los datos del sistema de gas natural, que incluyen demanda, suministro e infraestructura, se consideran sensibles y confidenciales. La modelización de la flexibilidad del hidrógeno introduce nuevas consideraciones más allá de los modelos típicos del sistema eléctrico. Los servicios potenciales que el hidrógeno podría proporcionar a la red incluyen el equilibrio, las reservas operativas, la regulación y el arbitraje energético estacional. Las preguntas clave a considerar incluyen los servicios de red necesarios, fuentes de datos disponibles, modelos adecuados, horizonte temporal, impacto de otros usos finales, sistema de electrolizadores adecuado, inputs críticos del modelo, disponibilidad de infraestructura de apoyo e interacciones con los mercados eléctricos. El informe tiene como objetivo ayudar a los modeladores a evaluar cómo la producción de hidrógeno verde podría contribuir a la flexibilidad de la red a medida que aumenta la generación renovable. Aunque hay un consenso limitado sobre las mejores prácticas para modelar la producción de hidrógeno, las organizaciones pueden comenzar a estudiar su papel y actualizar continuamente sus modelos a medida que la industria madura. El intercambio de conocimientos y experiencias de varios actores puede llevar a la industria hacia técnicas efectivas y mejores prácticas.
En definitiva, el informe destaca la necesidad de incorporar el hidrógeno verde como una pieza clave en la transformación hacia sistemas eléctricos más flexibles y sostenibles. Para lograr esto, es esencial contar con datos y modelos precisos que aborden las complejidades y variabilidades de la producción de hidrógeno, así como su capacidad para proporcionar flexibilidad en diferentes escalas temporales. La diversidad de tecnologías de electrólisis, cada una con sus ventajas y desventajas en términos de costos, desempeño y capacidad de respuesta, destaca la importancia de definir claramente el tipo de tecnología desde el inicio de cualquier planificación o modelado. Asimismo, el informe subraya la sinergia potencial del hidrógeno verde con otros sectores, como el transporte y el gas natural, lo que amplía su utilidad más allá de la generación eléctrica. Esta interconexión entre diferentes sistemas energéticos resalta la importancia de un enfoque integrado en el modelado y la planificación, que considere no solo la generación y distribución de electricidad, sino también la infraestructura de transporte, la disponibilidad de agua y otros recursos necesarios para la producción de hidrógeno. La necesidad de tomar decisiones informadas basadas en datos sólidos y modelos detallados que reflejen con precisión las características y capacidades de los sistemas de producción de hidrógeno verde, lo cual, es fundamental para optimizar su papel en la descarbonización, maximizando su contribución a la flexibilidad de la red eléctrica y a la transición hacia un sistema energético más sostenible y resiliente frente a los desafíos climáticos y energéticos actuales.
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