Evaluación de microturbinas de gas, celdas de combustible y motores de combustión interna operando en esquemas de cogeneración utilizando hidrógeno como combustible

Abstract

El presente documento realiza un estudio del efecto del hidrógeno en esquemas de cogeneración para 3 tecnologías. Este nace por medio del interés de ver cómo afectan, en términos de energía, economía y emisiones, la utilización de este combustible bajo el mercado chileno. Para la evaluación, se recopiló información técnica y económica de sistemas de cogeneración y equipos que operen con mezclas de hidrógeno. A partir de aquello se desarrolló un modelo de despacho que simule el funcionamiento de cada componente de la planta de cogeneración, obteniendo resultados ligados al dimensionamiento, producción energética, emisiones, ahorros de combustible, ingresos, consumos y flujos de caja para cada demanda y tecnología. Asimismo, se estudió cómo afecta la variabilidad en los precio del combustible y la electricidad en el valor actual neto del proyecto. Los resultados muestran que la producción eléctrica aumentó en un 10% para los motores y en un 37% para las celdas de combustible, mientras que en las microturbinas se registró una disminución del 6%. En cuanto a la energía térmica, el uso de hidrógeno se tradujo en una reducción promedio del 38% en la generación de energía térmica. Respecto a las emisiones respecto al caso inicial, el hidrógeno redujo en un 9,8% las emisiones de los motores de combustión, en un 3,1% en las microturbinas y en un 82% en las celdas de combustible. Por otro lado, en términos de factibilidad, no se identificaron casos en los que los proyectos con hidrógeno resultaran viables. Sin embargo, el análisis de variabilidad indicó que, con una disminución del 90% en el costo del combustible, los proyectos serían viables para los motores y las microturbinas(...).

This document presents a comprehensive study on the impact of hydrogen in combined heat and power (CHP) schemes for three distinct technologies. The investigation was motivated by a desire to understand how this fuel affects system performance—specifically energy output, economic viability, and emissions—within the Chilean market. To conduct the analysis, detailed technical and economic data were gathered for existing CHP installations and equipment capable of operating on hydrogen blends. Based on these datasets, a dispatch model was developed to simulate the hourly behavior of each plant component, yielding results related to system sizing, power and heat production, emissions, fuel savings, revenues, consumption profiles, and cash flows for each demand profile and technology. Additionally, sensitivity analyses were performed to assess how fluctuations in fuel and electricity prices influence the project’s net present value (NPV). The results indicate that, when substituting natural gas with hydrogen, electrical output increases by 10 % for internal combustion engines and by 37 % for fuel cells, whereas microturbines experience a 6 % decline in electrical generation. Regarding thermal output, hydrogen usage leads to an average reduction of 38 % in heat production. In terms of greenhouse gas emissions—relative to the baseline scenario—hydrogen reduces ICE emissions by 9.8 %, microturbine emissions by 3.1 %, and fuel cell emissions by 82 %. From a financial perspective, none of the hydrogen-based configurations are viable under current market conditions. However, the sensitivity analysis reveals that a 90 % reduction in fuel cost would render projects viable for both ICE and microturbine applications(...).