Estudio de factibilidad técnica del uso del hidrógeno como combustible en sistema de generación de energía en Chile

Abstract

En los últimos años, los altos niveles de contaminación, las normativas y acuerdos internacionales sobre cuidado del medio ambiente, y la transición energética hacia fuentes renovables, han priorizado el estudio de fuentes de energía renovables como alternativa al combustible fósil. En el presente trabajo se estudia la factibilidad técnica del uso de hidrógeno en sistemas de generación de energía, evaluando el comportamiento de este por MW de potencia obtenida. Esto tanto para hidrógeno puro como en mezclas con gas natural, para un ciclo Brayton simple y para un ciclo combinado. Para esto se evalúan variables claves del rendimiento como el exceso de aire, porcentaje de hidrógeno, razón de compresión y eficiencia de la turbina, junto con un breve análisis económico sobre costos de inversión y consumo de combustible. Seguido de un pequeño análisis ecológico sobre el ahorro de 𝐶𝑂2 en función del porcentaje de hidrógeno que sustituye al gas natural. Se obtiene como resultado que la combinación óptima es la de uso de hidrógeno en mezcla en un ciclo combinado, dado que presenta mayor rendimiento en el ciclo y bajas temperaturas en la cámara de combustión y a la entrada de la turbina. Además, se extrae de los resultados que no es justificable el costo de inversión alto para potencias instaladas pequeñas. Y, por último, que el ahorro en emisión de 𝐶𝑂2 para un ciclo combinado es hasta cuatro veces mayor que para un ciclo Brayton simple, para un porcentaje de hidrógeno del 35%.

In recent years, high levels of pollution, international regulations and agreements on environmental care, and the energy transition towards renewable sources have prioritized the study of renewable energy sources as an alternative to fossil fuel. In this work, the technical feasibility of using hydrogen in energy generation systems is studied, evaluating its behavior per MW of power obtained. This is both for pure hydrogen and in mixtures with natural gas, for a simple Brayton cycle and a combined cycle. For this, key performance variables such as excess air, percentage of hydrogen, compression ratio, and turbine efficiency are evaluated, along with a brief economic analysis of investment costs and fuel consumption. Followed by a small ecological analysis of 𝐶𝑂2 savings based on the percentage of hydrogen that replaces natural gas. As a result, the optimal combination is the use of hydrogen in a mixture in a combined cycle, given that it has greater efficiency in the cycle and low temperatures in the combustion chamber and at the turbine inlet. Furthermore, it can be concluded from the results that the high investment cost for small installed powers is not justifiable. Finally, the savings in 𝐶𝑂2 emissions for a combined cycle are up to four times greater than for a simple Brayton cycle, for a hydrogen percentage of 35%.