Integración de energías renovables no convencionales, solar fotovoltaica y eólica, en un sistema off-grid para la generación de energía eléctrica e hidrógeno verde en Chile

Abstract

Este trabajo examina la integración de energías renovables para la generación de energía eléctrica y la producción de hidrógeno verde mediante el excedente de generación en sistemas off-grid en Chile. Se desarrolló una herramienta de modelación y simulación para sistemas integrados que incluyen energía solar fotovoltaica, eólica, almacenamiento mediante baterías de ion-litio, electrolizadores tipo PEM y almacenamiento de hidrógeno. La metodología empleada consistió en definir parámetros operacionales y características de los componentes, realizar una modelación horaria de los flujos de energía, y llevar a cabo un análisis de prefactibilidad tecno-económico, calculando los costos nivelados de energía (LCOE) y de hidrógeno (LCOH). Se analizaron casos específicos para la Zona Norte, Centro-Sur y Austral de Chile. Los resultados del estudio muestran que los LCOE oscilan entre 215-383 USD/MWh y los LCOH entre 10.0-16.8 USD/kgH2, variando según la región y la configuración del sistema. Se identificó que los costos asociados al almacenamiento mediante baterías y a la generación de hidrógeno influyen directamente en los costos nivelados. Se anticipa que, con el desarrollo de tecnologías y la optimización de cadenas de producción, estos costos se reducirán. Aunque los LCOE y LCOH obtenidos son superiores a los del mercado general, esto se debe a la falta de economías de escala en los sistemas off-grid. No obstante, estas instalaciones son esenciales para áreas geográficas aisladas donde la expansión de la red eléctrica no es viable. En tales contextos, los sistemas off-grid emergen como una alternativa viable, ya que la geografía limita otras opciones de inversión energética.

This work examines the integration of renewable energies for electricity generation and green hydrogen production using surplus generation in off-grid systems in Chile. A modeling and simulation tool was developed for integrated systems that include photovoltaic solar energy, wind energy, lithium-ion battery storage, PEM electrolyzers, and hydrogen storage. The methodology involved defining operational parameters and component characteristics, performing hourly energy flow modeling, and conducting a techno-economic prefeasibility analysis by calculating the levelized costs of energy (LCOE) and hydrogen (LCOH). Specific cases for the Northern, Central-Southern, and Southern regions of Chile were analyzed. The study results indicate that LCOE ranges from 215-383 USD/MWh and LCOH from 10.0-16.8 USD/kgH2, varying by region and system configuration. Costs associated with battery storage and hydrogen production significantly impact the levelized costs. It is anticipated that with technological advancements and optimization of production chains, these costs will decrease. Although the obtained LCOE and LCOH are higher than the general market, this is due to the lack of economies of scale in off-grid systems. Nevertheless, these installations are crucial for isolated geographic areas where extending the electrical grid is not feasible. In such contexts, off-grid systems emerge as a viable alternative, given that geography limits other energy investment options.