Investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE) de Alemania han desarrollado un modelo de costes ascendente para electrolizadores de agua alcalinos (AEL) y de membrana de intercambio de protones (PEM) por encargo del Clean Air Task Force (CATF), un grupo de defensa y reflexión sin ánimo de lucro con sede en Estados Unidos sobre el clima y la energía.
“Los modelos de costes se basan en un enfoque ascendente del instituto, en el que primero se diseñan los trazados típicos de las plantas de electrólisis y luego se determinan los parámetros técnicos mediante una simulación en estado estacionario de los balances de energía y masa en los sistemas”, declaró el Fraunhofer ISE. “A partir de estas especificaciones, se determinan los porcentajes de coste de los subsistemas y componentes individuales mediante la oferta de precios de los fabricantes y proveedores y mediante funciones de coste específicas”.
En el estudio “Cost Forecast for Low-Temperature Electrolysis“, los científicos proporcionaron un análisis exhaustivo de las estructuras de costes de los electrolizadores alcalinos y de los de membrana de intercambio de protones, teniendo en cuenta los costes tecnológicos comunicados para 2020 y los previstos para 2030.
Su análisis consideró dos sistemas de electrolizadores, con capacidades de 5MW y 100MW, para las tecnologías alcalina y PEM. “La célula PEM, la pila y los componentes del sistema están diseñados para una presión de funcionamiento de 30 bares”, dice el documento. “El diseño de la célula y la pila de AEL está orientado a diseños de electrólisis cloroalcalina bien probados y avanzados que incluyen el funcionamiento a presión atmosférica, lo que hace necesarios compresores mecánicos adicionales en el lado del sistema para garantizar la comparabilidad entre ambas tecnologías.”
Para la tecnología AEL, se asumió que el número de chimeneas era de dos en 2020 y una en 2030, para el proyecto de 5MW, y de 40 en 2020 y 20 en 2030 para el sistema de 100MW. Para el electrolizador PEM, el número de pilas para el sistema de 5MW se indicó en cinco en 2020 y una en 2030, mientras que para la instalación de 100MW, su número fue de 100 en 2020 y 20 en 2030. “Gracias a los avances tecnológicos y al aumento de la superficie activa, los costes específicos de las pilas pueden reducirse prácticamente a la mitad en 10 años para ambos tipos de pilas de electrólisis, pasando de unos 200 euros/kWdc a menos de 90 euros/kWdc para las pilas AEL y de 380 euros/kWdc a unos 220 euros/kWdc para las pilas PEM”, subrayó el grupo de investigación.
Se espera que la densidad de corriente nominal de ambos sistemas AEL aumente de 0,6A/m2 en 2020 a 1A/m2 en 2030. Para ambos electrolizadores PEM, se estima que este valor aumentará de 2 a 3A/m2.
A través de su análisis, los investigadores descubrieron que los costes de la electrólisis alcalina son menores, en comparación con los de la tecnología PEM, debido a los menores costes de las pilas. “Sin embargo, dependiendo del tamaño del sistema, esta ventaja de costes para los sistemas AEL queda casi anulada por la necesidad de un compresor mecánico adicional”, explicaron además. “La unidad de compresión también contribuye en gran medida al coste del sistema AEL, pero ofrece un gran potencial de reducción de costes al aumentar el tamaño de las capacidades, reduciendo a la mitad la parte de los costes totales desde el tamaño del sistema de 5MW hasta el de 100MW”.
Se calcula que el coste del electrolizador alcalino de 100MW bajará de 663 euros/kW en 2020 a 444 euros en 2030, y que el del sistema de 5MW bajará de 949 euros a 726 euros. En el caso de la tecnología PEM, el coste de la instalación de 100MW debería bajar de 720 a 500 euros, y el del sistema de 5MW de 980 a 730 euros.
Según el investigador del Fraunhofer ISE Marius Holst, los costes de ambas tecnologías casi se igualan si se tiene en cuenta también el esfuerzo de compresión posterior. “En total, cabe esperar unos costes de sistema de aproximadamente 400 a 500 euros/kW en 2030, pero los sistemas descentralizados y más pequeños seguirán siendo bastante más caros”, concluyó.
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