Ingeniería Ambiental MEC-385
Hidrógeno Verde: Electromovilidad en Chile
Profesor: Andrés Arriagada R.
Martín Andrés Achondo Mercado: 201860005-9
Eduardo Matías Hasbún Contreras: 201841031-4
Matías Ignacio Riquelme Vera: 201804005-3
Juan Sebastián Rojas Céspedes: 201941002-4
Felipe Ignacio Rojas Olivares: 201941007-5
30 de Noviembre de 2021
Universidad Técnica Federico Santa María
Departamento de Ing. Mecánica
Cátedra MEC385
Segundo Semestre 2021
1.
Resumen ejecutivo
En este proyecto la empresa “Energy Hydro”, especializada en la producción y distribución de Hidrógeno
Verde en Chile diseña la planta “Hydrogen Mejillones”, para satisfacer los requerimientos de combustible
de Hidrógeno de la línea 102 de la flota de buses de la ciudad de Antofagasta. La empresa trabaja para
el Estado de Chile y es éste quien financia el proyecto para la demanda de Hidrógeno Verde en el marco
de la electromovilidad del país, específicamente en el transporte público. La planta se ubica a 60[km]
aproximadamente de la ciudad de Antofagasta en la bahía de Mejillones de la región de Antofagasta.
La demanda para esta planta consiste en suministrar a 63 Vehículos tipo Fuel Cell Buses de Alameda
Contra Costa Transit District un total de 2520 [kg] al día de combustible de Hidrógeno. Para ello se extrae
diariamente agua del mar, la cual es tratada usando una planta desalinizadora que tiene un consumo de
202 [kW h] diarios. El agua tratada se vuelve apta para su uso en un proceso de electrólisis el cual tiene
un consumo de 126 [M W h] diarios. Posteriormente se almacenan en tanques rígidos presurizados Tipo
III los cuales son transportados hasta la zona de carga de los buses en la ciudad de Antofagasta. Los
requerimientos energéticos totales de la planta se obtienen a partir de energía solar de la planta Cerro
Dominador ubicada a 110 [km] de distancia en la misma región.
Para que el proyecto se encuentre dentro de los márgenes medioambientales relacionados con el funcionamiento de la planta se realiza una Declaración de Impacto Ambiental (DIA) considerando los posibles
efectos adversos en el uso de aguas marítimas y el aire en los alrededores. Al respecto se indica que se
debe prestar atención principalmente al oxígeno molecular generado como también a los flujos de agua de
salida de los procesos de desalinización. Para estos últimos se plantea como tratamiento su liberación al
mar usando una tubería de descarga submarina.
Se contempla un proceso de trabajo continuo de 24 horas al día comenzando con la extracción de 50400 [L]
de agua de mar que va directo a la planta desalinizadora la cual posee dos líneas de salida, una correspondiente a la corriente de rechazo de salmuera y la otra es la corriente de permeado que conduce 1047,9 [kg/h]
al electrolizador. Una vez en éste el proceso se divide en dos líneas que transportan a separadores Flash,
los cuales recirculan el agua en este proceso para aumentar la eficiencia y a través de los Demister se
entregan gases con un 99,9 % de pureza. Finalmente el hidrógeno es comprimido usando 4 compresores y
tres intercambiadores de calor hasta los 700 [bar] con un flujo final de 116,4 [kg/h]. Por otro lado, el flujo
de 931,5 [kg/h] de oxígeno es comprimido y almacenado para su posterior venta.
La planta es una de las primeras en su clase establecidas en Chile y sirve como un ejemplo de las posibles
aplicaciones que puede dar el país a las tecnologías y procesos científicos que se disponen en la actualidad,
además de abrir un nuevo sector económico que genere empleos y permita establecer nuevos acuerdos
comerciales nacionales e internacionales. El proyecto es parte de la iniciativa del país para formar los
medios productivos de Hidrógeno Verde y convertirse en un exportador a nivel mundial aprovechando el
acceso a las diferentes fuentes de energías renovables de las que dispone el territorio nacional. De este modo
se avanzará en la descarbonización de la matriz energética al usar un combustible producido con una baja
cantidad de emisiones de contaminantes y en un desarrollo sostenible que lleve a mejorar la industria,
economía y calidad de vida de las personas.
Finalmente, es importante mencionar que en el futuro el proyecto será viable si cuenta con estudios de
mayor detalle en los ámbitos económico, técnico, operacional y medioambiental. Logrando así satisfacer
las demandas crecientes de la población por el Hidrógeno Verde.
1
Universidad Técnica Federico Santa María
Departamento de Ing. Mecánica
Cátedra MEC385
Segundo Semestre 2021
Índice
1. Resumen ejecutivo
2. Introducción
2.1. Objetivos del Trabajo . . .
2.1.1. Objetivo General . .
2.1.2. Objetivos Específicos
2.2. Planteamiento del Problema
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3. Antecedentes
3.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1. Breve Descripción del Hidrógeno . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2. Formas de Obtener el Hidrógeno . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.3. Hidrógeno como Combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.4. Formas de almacenamiento del hidrógeno . . . . . . . . . . . .
3.1.5. Usos y aplicaciones del Hidrógeno Verde: Vector Energético . .
3.2. Fundamentos - Electromovilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. Descripción de la Empresa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1. Demanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2. Ubicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Descripción de la planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1. Diagrama de Flujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2. Planta Desalinizadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.3. Planta Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.4. Planta de Electrólisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.5. Proceso de Compresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5. Problemas ambientales detectados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.1. Desalinización del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.2. Planta Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.3. Producción de Hidrógeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6. Entrega del Hidrógeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7. Relevancia del tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7.1. Alianza Internacional para la Economía del Hidrógeno (IPHE)
3.7.2. Ley de eficiencia energética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7.3. Mercado Del Hidrógeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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30
31
32
4. Procesos y Tratamientos de Contaminantes.
33
5. Legislación Ambiental
38
2
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Segundo Semestre 2021
6. Discusión
6.1. Análisis de Sensibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2. Alternativas de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3. Mejoras a los Procesos Presentados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
40
42
43
7. Conclusiones y Recomendaciones
44
8. Referencias
46
9. Anexos
49
Índice de Tablas
1.
2.
3.
Principales Flujos en la Planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Flujos másicos en la planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Estados termodinámicos del proceso de compresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
51
52
Índice de Figuras
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
Distribución en las emisiones de dióxido de carbono por sector . .
Transformación de la Matriz Energética . . . . . . . . . . . . . .
Potencial en el Costo Nivelado de Hidrógeno Verde . . . . . . . .
Demanda Global de Hidrógeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Átomo de Hidrógeno: Un electrón orbitando a un protón . . . . .
Tanque de hidrógeno comprimido . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tanque de hidrógeno líquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Consumo energético por sector Chile (año 2020). . . . . . . . . .
Esquema ilustrativo de la producción de hidrógeno . . . . . . . .
Modelo de bus a satisfacer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Recorrido Línea 102 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Plan Regulador Mejillones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diagrama de Flujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Osmosis inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Complejo Solar Cerro Dominador . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diagrama de bloques generación de hidrógeno . . . . . . . . . . .
Representación electrolizador alcalino . . . . . . . . . . . . . . . .
Separador Flash y Demister. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diagrama de Flujos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diagrama de compresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diseño para flujo de rechazo en la desalinización . . . . . . . . . .
Metas Electromovilidad Chile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diseño típico de osmosis inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Crecimiento del mercado de de hidrógeno estimado a nivel global
Diagrama de Mollier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
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2.
Introducción
El cambio climático es el principal problema que enfrentan los países del mundo en este siglo. La dependencia actual a los combustibles fósiles y las altas emisiones de contaminantes producto del uso de
éstos ha llevado al planeta a una situación crítica. Al respecto se han planteado diferentes tecnologías,
materias primas y procesos que permiten enfrentar estos problemas. El hidrógeno obtenido a partir de
fuentes energéticas renovables cada día se vuelve el principal aliado en el proceso de descarbonización de
la matriz energética mundial y la búsqueda de un desarrollo sostenible. Chile es un país que gracias a sus
múltiples fuentes de energía renovable tiene la oportunidad de desarrollar en los próximos años una potente economía basada en la producción y exportación de hidrógeno. Para lograr esto, diferentes proyectos
deben ser estudiados y analizados con el fin de obtener la experiencia y conocimientos necesarios para
generar planes de la manera más eficiente posible. En este proyecto se plantea una forma de producción
de hidrógeno verde para una aplicación en el ámbito de la electromovilidad del país junto con los análisis
necesarios para cumplir las normas ambientales y operacionales de este proceso.
2.1.
Objetivos del Trabajo
2.1.1.
Objetivo General
Plantear una solución para el abastecimiento de combustible de hidrógeno solicitado por una empresa
de buses en Antofagasta, utilizando energía proveniente de una planta solar y agua de mar tratada con
técnicas de desalinización para su uso en procesos de electrólisis.
2.1.2.
Objetivos Específicos
Entregar los conocimientos necesarios para comprender desde un punto de vista científico el hidrógeno
molecular y sus aplicaciones.
Establecer la importancia del hidrógeno verde para Chile y el Mundo en temas de producción y
exportación.
Identificar los principales factores tecnológicos, productivos y ambientales involucrados en el problema que se debe resolver.
Describir los procedimientos y etapas para la producción y entrega del hidrógeno verde de la empresa.
Definir de manera adecuada el impacto ambiental de los procesos usados por la empresa y la forma
de mitigarlos.
Explicar cómo afecta la economía basada en el hidrógeno verde a la electromovilidad del país y la
descarbonización de la matriz energética.
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2.2.
Planteamiento del Problema
Actualmente, el planeta está viviendo una situación crítica que puede verse reflejada en los próximos años.
La contaminación atmosférica ha provocado un cambio climático que está afectando a flora y fauna de
todo el planeta. Si se continúa de esta manera, estos daños pueden ser irreversibles. Varios gobiernos se
han dado cuenta de esta problemática, por lo que se han creado organizaciones internacionales para tratar
este tema en conjunto. Un ejemplo es la Conferencia de las Partes (COP), en la cual se reúnen más de
190 países de todo el mundo. Los principales objetivos de esta organización es poder reducir las emisiones
de gases de efecto invernadero a la atmósfera para así disminuir el impacto ambiental generado y lograr
controlar el aumento de la temperatura del planeta en los siguientes años.
El principal medio para mitigar el cambio climático es la reducción de las emisiones de dióxido de carbono.
Debido a que este gas, al ser de efecto invernadero, provoca el calentamiento global. La dificultad que existe
es que este compuesto se libera en procesos de combustión y prácticamente todo necesita combustión.
Por ejemplo, las termoeléctricas generan electricidad a partir de este proceso, al igual que los motores
de gasolina y diesel para producir movimiento. En el siguiente gráfico se muestra la distribución en las
emisiones de dióxido de carbono respecto a cada rubro.
Figura 1: Distribución en las emisiones de dióxido de carbono por sector
Como alternativas, lo intuitivo sería pensar cambiar el combustible, los que actualmente son hidrocarburos.
Si se cambia el combustible por otro que no genere gases contaminantes en su proceso, el problema se podría
solucionar bastante. Además, se podrían cambiar varios de los aparatos que funcionan con combustión para
que sean eléctricos. Esto a su vez ayudaría a reducir el problema, siempre y cuando esa electricidad haya
sido generada de forma limpia. En Chile se ha avanzado bastante en la implementación de plantas de
energía renovable, principalmente solar y eólicas. Esto es debido al gran potencial solar que se tienen por
ejemplo, en la zona norte del país. Esta medida para muchos puede no ser la única a implementar, ya que
transportar electricidad a todo el país (largo como Chile), es costoso y más aún cuando se genere en algún
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extremo. Sería ideal poder encontrar un combustible que se pueda transportar y genere electricidad donde
se necesite usar.
De este análisis nace el hidrógeno verde ya explicado. La idea es que este gas sea generado por uso de
energías renovables, en la cercanía de la planta. Al tener este gas, se puede transportar de manera más
eficiente que la electricidad y ser convertido en ésta donde se necesite. El hidrógeno al reaccionar con
oxígeno, lo único que libera al ambiente es vapor de agua y energía que sería utilizada.
Chile al tener un alto potencial en energías renovables, tiene la gran posibilidad de generar el hidrógeno
verde a un muy bajo costo. Esto genera la gran oportunidad de llegar a ser líder mundial, abasteciendo
a su propia nación y también exportando hidrógeno al resto del mundo. Chile ya está avanzando en esta
materia y creó la Estrategia Nacional de Hidrógeno Verde [1]. En ésta, se desarrolla un plan de acción
para que al año 2030, Chile sea un líder en producción y exportación de hidrógeno, teniendo los costos
más baratos del planeta. Esto es ambicioso, pero se puede cumplir.
Figura 2: Transformación de la Matriz Energética
Con el tiempo, dado los avances tecnológicos, se espera que la generación de energía y la producción de
hidrógeno sea cada vez más eficiente. Es por esto que se tiene la siguiente proyección para los costos de
producir hidrógeno en Chile [1]:
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Figura 3: Potencial en el Costo Nivelado de Hidrógeno Verde
Como se espera poder transformar la matriz energética, lo importante es realizar un cambio gradual. Es
por esto que en el presente se desarrollará de manera conceptual la implementación de una planta de
hidrógeno a base de electrólisis para suplir la demanda de combustible para buses de hidrógeno. El partir
de esta manera, da un ejemplo al resto del mundo que el hidrógeno funciona y sirve como prototipo para
una completa descarbonización a nivel pais y mundial.
Figura 4: Demanda Global de Hidrógeno
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3.
Antecedentes
3.1.
Generalidades
A continuación se dan los principales fundamentos del hidrógeno desde un punto de vista químico centrándose en su uso como combustible y formas de almacenamiento. Además se establece la definición de
hidrógeno verde junto con algunas de sus aplicaciones.
3.1.1.
Breve Descripción del Hidrógeno
El hidrógeno es el elemento químico más abundante en el Universo. Se estima que el 75 % de la materia está
formada por hidrógeno. Es el primer elemento de la tabla periódica y el más ligero, pues se compone tan
solo de un protón y un electrón. La forma estable del hidrógeno es en forma diatómica H2 y en condiciones
normales se encuentra en estado gaseoso con las características de un gas insípido, incoloro e inodoro [2].
Figura 5: Átomo de Hidrógeno: Un electrón orbitando a un protón
Características Generales
Pese a ser tan abundante, no suele encontrarse en forma aislada en la naturaleza, sino como parte de
otros compuesto químicos tales como el agua, las bases, los ácidos y muchos compuestos inorgánicos
[3].
Forma parte de diversas reacciones químicas. Por ejemplo, puede reaccionar con el oxígeno para
formar agua y también con el nitrógeno para formar amoníaco [3]. El amoníaco es un compuesto
químico muy usado en la agricultura.
El hidrógeno molecular es un gas peligroso, pues es la sustancia más inflamable de todas las que
se conocen [3]. Por ende, a nivel industrial debe ser tratado con mucho cuidado, evitando fugas y
explosiones.
La combustión del hidrógeno no contamina, sólo produce como producto agua, mientras que los
combustibles fósiles liberan CO2 que queda en la atmósfera y es uno de los mayores responsables del
Efecto Invernadero. [4]
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3.1.2.
Formas de Obtener el Hidrógeno
Como se mencionó antes, el hidrógeno es un elemento que se encuentra mayoritariamente formando parte
de otros compuestos químicos. Esto lleva a la dificultad de cómo obtenerlo, en el sentido de llegar a una
forma que sea útil en diferentes aplicaciones energéticas. Independiente de la forma en la que se produzca
el hidrógeno molecular, se deben realizar procesos que consumen energía y que además emiten diferentes
productos al medio ambiente. Al respecto, se clasifica cada forma con un color dependiendo de que tan
limpia es su producción y por ende cómo impacta al medio ambiente. Si bien existen muchos colores
usados, los principales son los siguientes [5]:
Hidrógeno Negro: Es producido a partir de combustibles fósiles como carbón o petróleo, sin captura
de emisiones o usar energía procedente de fuentes renovables
Hidrógeno Azul: Es hidrógeno producido con liberación de contaminantes, pero se realiza un proceso
de captura de emisiones en un alto porcentaje
Hidrógeno Verde: Es producido a partir de energías renovables. En otras palabras, la energía usada
para su producción proviene por ejemplo de parques eólicos o plantas fotovoltaicas.
A partir de esto se puede entender el concepto detrás del Hidrógeno Verde, el cuál tiene relación con
el impacto ambiental de su producción. Ahora, se describen dos procesos comúnmente utilizados en la
producción de hidrógeno.
Electrólisis Este es un proceso en el que se descompone la molécula de agua H2 O en oxígeno molecular
O2 e hidrógeno molecular H2 , en una reacción de reducción-oxidación. Esto se realiza usando energía
eléctrica. La reacción química es la siguiente:
2H2 O → 2H2 + O2
(1)
Al agua se le conectan dos electrodos que forman un polo positivo y otro negativo, los cuales generan una
diferencia de potencial por donde fluye corriente eléctrica. Por el extremo positivo se extrae el oxígeno y por
el extremo negativo se extrae el hidrógeno. Estos electrodos están fabricados a partir de platino o acero
inoxidable. Para este proceso es importante considerar la conductividad eléctrica del líquido. Mientras
más sales disueltas se encuentren en el líquido la conductividad será mayor y por ende la transferencia de
energía eléctrica se verá beneficiada. Al contrario, si se utiliza agua dulce, la electrólisis requerirá mayor
energía debido a la baja cantidad de sales presentes en este caso [6].
Reformado de Hidrocarburos Se pueden usar diferentes hidrocarburos para realizar un proceso de
reformado, pero el metano es el que presenta la mayor relación atómica (H/C) y por ello se hace la opción
más conveniente. Para obtener hidrógeno molecular, se utiliza gas natural que debe reaccionar con vapor
de agua a temperaturas de alrededor de 1200[K] y presiones de 20−30[bar]. Se debe observar que el metano
utilizado para este proceso debe ser procesado previamente para eliminar impurezas como el azufre. La
reacción química es la siguiente:
CH4 + H2 O → CO + 3H2
(2)
El gas resultante contiene altas cantidades de hidrógeno, pero también contiene monóxido de carbono.
Para tratar este gas se hace pasar por más reactores y unidades que purifiquen esta mezcla. De este modo,
se alcanzan niveles de pureza de hidrógeno molecular de alrededor de 99,999 % en volumen [6].
9
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3.1.3.
Hidrógeno como Combustible
El hidrógeno molecular puede reaccionar con el oxígeno molecular de forma exotérmica, es decir liberando
energía a los alrededores y generando agua como producto. La liberación de energía en esta reacción es la
siguiente:
kJ
∆H = −285
mol
MJ
∆H = −142,5
kg
1
H2 (g) + O2 (g) → H2 O(l)
2
1
H2 (g) + O2 (g) → H2 O(l)
2
(3)
Es importante conocer esta información, porque de este modo se puede comparar con la reacción de un
combustible fósil. La ecuación química anterior se encuentra balanceada y se indica a la derecha la Entalpía
de Combustión, tanto en moles como en kilogramos. El signo negativo, es para indicar que se está liberando
esta energía al ambiente. En condiciones normales se encuentra que la energía liberada por 1[kg] de H2 es
142,5[M J] [7]. Para comparar, se considera un combustible fósil muy común, el metano presente en el gas
natural:
kJ
CH4 (g) + 2O2 (g) → CO2 (g) + 2H2 O(l)
∆H = −890,8
(4)
mol
MJ
CH4 (g) + 2O2 (g) → CO2 (g) + 2H2 O(l)
∆H = −55,675
kg
Del último balance se observa que solo se liberan 55,68[M J] por cada kilogramo de gas natural [7].
Comparativamente hablando, se nota claramente que realizar combustión del hidrógeno libera mucha
más energía que este combustible fósil. Eso lleva a una pregunta natural: ¿Por qué no usar el Hidrógeno
directamente como combustible? La primera observación que se debe hacer es la diferencia entre energía
por unidad de masa y energía por unidad de volumen. Como se dispone de la energía por unidad de
kilogramo ahora se calculará la energía por metro cúbico. Sea ∆HV la entalpía de formación por unidad
de volumen y ρ la densidad, al respecto se plantea la siguiente relación:
∆HV = ∆H · ρ
(5)
kg
kg
Usando las densidades del metano y del hidrógeno que son ρCH4 = 0,668[ m
3 ] y ρH2 = 0,0893[ m3 ] se puede
obtener [8]:
MJ
∆HV = ∆H · ρ = −142,5 · 0,0893 = −12,7
[Hidrógeno]
m3
MJ
∆HV = ∆H · ρ = −55,675 · 0,668 = −37,2
[Metano]
m3
En condiciones normales se observa que 1[m3 ] de metano puede liberar más energía que el mismo volumen
de hidrógeno. Esto es una diferencia radical, pues se necesita mucho más espacio de almacenamiento para el
hidrógeno a pesar que 1[kg] contenga más energía. Este es un factor de diseño importante y se deben buscar
las formas de almacenamiento de hidrógeno más adecuadas para lograr producirlo de manera efectiva y
económica.
10
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3.1.4.
Formas de almacenamiento del hidrógeno
Luego del proceso de producción del hidrógeno surge la necesidad de disponer de éste, en el momento y lugar
que se requiera. Bajo esta premisa es indispensable contar con técnicas y tecnologías de almacenamiento
que nos permitan manejar la disponibilidad del hidrógeno para satisfacer la demanda.
Debido a que el hidrógeno es un gas muy liviano, ocupa una gran cantidad de volumen. Es por esto que
generalmente se busca comprimir o llevar a temperaturas mínimas este gas. Otros métodos actualmente
en desarrollo ocupan hidrocarburos metálicos para guardar el hidrógeno.
Compresión Como ya se mencionó anteriormente el hidrógeno gaseoso tiene muy baja densidad, por
lo que se requieren tanques de un volumen considerable para su almacenamiento. Esta situación limita la
masa que se puede almacenar, es por esto que se busca comprimir el gas de tal manera que sea posible
contener la mayor cantidad de hidrógeno para un determinado volumen.
Para este proceso de compresión se utilizan dispositivos especialmente diseñados para tratar con hidrógeno.
De esta manera se lleva el gas de una presión inicial, típicamente la atmosférica, a una presión final deseada
[9].
Esta opción es la mas económica y sencilla actualmente utilizada, añadiendo un costo aproximado de
0,3 [U SD] por [kg] de hidrógeno almacenado, utilizando además menos energía que otros métodos de
almacenamiento, permitiendo llegar a 700 [bar] de presión con una eficiencia entre un 80 y 91 % [10].
Es importante señalar que a mayor presión de compresión se encuentre el hidrógeno, mayor grosor deben
tener los tanques que lo guardan, agregando más peso al sistema lo que genera problemas a la hora del
transporte.
Figura 6: Tanque de hidrógeno comprimido
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Licuefacción En la teoría es posible retirar el calor de cualquier gas para llevarlo a temperaturas más
bajas que la del punto de ebullición de tal manera que el gas se condense, pero en este caso el hidrógeno
tiene un punto de ebullición muy bajo (20,3 [K]) por lo que se hace muy difícil la extracción de calor. Es por
esto que se utiliza un proceso denominado licuefacción, que consiste en extraer el calor mediante distintas
etapas acompañadas de compresión, para alcanzar el estado líquido (en el caso del hidrógeno se utiliza
propano en una primera etapa, luego un proceso de expansión multietapas con nitrógeno y finalmente una
compresión-expansión con helio en varias etapas) [9].
Figura 7: Tanque de hidrógeno líquido
Si bien este proceso requiere de un alto gasto energético se logra aumentar considerablemente la densidad
del hidrógeno, permitiendo así almacenar una mayor cantidad de masa para un mismo volumen.
Debido a que se requiere llevar el hidrógeno a una temperatura bajo los 20,3[K] para poder licuarlo, se
debe aislar y refrigerar para mantenerlo así, los costos aumentan 1 [U SD] por [kg] de hidrógeno, utilizando
a su vez mayor cantidad de energía que el proceso de presurización, con eficiencias en el orden del 70 %
[10]. Sin embargo, almacenarlo de esta forma tiene grandes ventajas en cuanto a la energía, pudiendo
guardar aproximadamente el doble que el del gas comprimido en el mismo volumen.
12
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3.1.5.
Usos y aplicaciones del Hidrógeno Verde: Vector Energético
El hidrógeno puede interpretarse al igual que la electricidad como un vector energético. Esto es, una
sustancia que puede almacenar energía y ser transportada a diferentes lugares para su posterior uso. Al
respecto, se plantean algunos de los principales usos que tiene en la actualidad el Hidrógeno Verde [11]:
Tratamiento de Hidrocarburos: Al interior de diferentes mezclas de hidrocarburos se suelen encontrar
impurezas que deben ser tratadas antes de emitirse al medio ambiente por el riesgo asociado a la
contaminación que producen. El hidrógeno es utilizado en estos procesos de tratamiento como el
hidro craqueo o hidro desulfuración.
Combustible Limpio: El proceso de combustión de hidrógeno no libera contaminantes al medio
ambiente, por ello se han comenzado a desarrollar tecnologías para usar el hidrógeno en autos
eléctricos, aviones, satélites o drones.
Elaboración de Fertilizantes: El hidrógeno presente en diferentes fertilizantes le da la capacidad de
eliminar las plagas de los cultivos. Además, es de vital importancia en la industria de producción de
amoníaco.
Almacenamiento de Energía: La energía proveniente de fuentes renovables puede almacenarse en el
hidrógeno verde producido. Su durabilidad estará relacionada con la efectividad del almacenamiento
usado (tanques de presión). Los tanques pueden guardarse estáticamente o ser transportados para
usarlos en otro lugar.
Celdas de combustible: La energía química del hidrógeno puede convertirse directamente en electricidad en reactores electroquímicos [12]. Las celdas tienen distintas aplicaciones como el uso en fuentes
de energía para autos eléctricos.
Comentarios respecto al Hidrógeno Verde De lo estudiado hasta el momento se pueden hacer
diferentes observaciones sobre el interés en el hidrógeno verde. En primer lugar, el proceso principal de
obtención se puede realizar sin liberación de contaminantes, usando la electrólisis del agua. La producción
de Hidrógeno Verde se puede hacer sin problemas mientras se disponga de alguna fuente renovable de
energía, esto es un detalle importante porque muchas de estas energías pueden ser intermitentes, es decir,
el nivel de energía que suministran varía a lo largo del tiempo (considerar la energía solar en un día
nublado). Tal como se describió antes, el hidrógeno es muy versátil en sus usos en la industria y la
ingeniería, llegando a tener aplicaciones en diferentes sectores como el agrícola o el metalúrgico. Estas
características lo llevan a ser una tecnología deseable pero que debe ser estudiada para su uso sin riesgos
y sin gastos innecesarios.
13
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3.2.
Fundamentos - Electromovilidad
Se entiende por electromovilidad al uso de sistemas de impulso o tracción que utilizan energía eléctrica,
aplicados a distintos medios de transporte. En la actualidad se utilizan mayoritariamente dos tipos de
tecnologías: la alimentación de un motor eléctrico a través de baterías o desde celdas de combustible de
hidrógeno [13].
Cómo el hidrógeno verde aporta a la electromovilidad y la descarbonización Chile se propuso
inicialmente la meta de ser carbono neutral para el año 2050, por lo que es importante para el cumplimiento
de esta meta poner el foco en el sector transporte, específicamente el transporte terrestre, ya que según el
último Balance Nacional de Energía realizado el 2020, éste fue responsable del 36 % del consumo primario
de energía en Chile y donde el 99 % de esta energía provino de derivados del petróleo [14]. Si se descompone
el consumo energético para el área transporte, el transporte terrestre es responsable del 82 % del consumo,
eso agregado que el 88 % de las emisiones de este sector a nivel país se atribuyen a buses, camiones, vehículos
livianos y vehículos comerciales [14], es claro por qué poner ahí el foco. El impulso de nuevas tecnologías
en el ámbito de la movilidad que permitan tener cero emisiones es una tendencia a nivel mundial, donde
los países buscan combatir el cambio climático a través de la descarbonización de la matriz energética
del sector transporte. Países como Japón, Corea y Estados Unidos, están complementando sus políticas
de promoción de vehículos eléctricos que utilizan celdas de combustible de hidrógeno (FCEV) [14]. Esta
tecnología se posiciona como una gran alternativa para el transporte cuya operación requiera de una
alta demanda energética, como camiones de carga y/o vehículos que realicen viajes de larga distancia,
principalmente porque su uso permite alta autonomía sin aumentar demasiado el peso del vehículo.
Figura 8: Consumo energético por sector Chile (año 2020).
14
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Hidrógeno en la electromovilidad El uso de hidrógeno en la electromovilidad se presenta como
una gran alternativa para el complemento de las tecnologías de vehículos eléctricos a batería, ya que
entrega una gran autonomía, por lo que técnica y económicamente se muestra como una solución para el
uso de vehículos eléctricos en transporte de carga y transporte interurbano, esto sumado a los motivos
ambientales señalados anteriormente relacionados con la descarbonización de la matriz energética. Si se
compara vehículos eléctricos a hidrógeno que existen a nivel mundial con el resto de los vehículos eléctricos,
se puede notar que los vehículos FCEV que existen son considerablemente menores en cantidad. Según la
Agencia Global de Energía (IEA) este número ha ido aumentando en los últimos años donde pasaron de
haber alrededor de 7200 unidades en el año 2017, a cerca de 25210 unidades a finales del 2019 [14]. Países
como China, Estados Unidos o Japón han impulsado este tipo de tecnologías enfocados principalmente
en vehículos livianos y algunos de ellos ya se encuentran implementando flotas para buses de transporte
público y camiones interurbanos, debido a la gran autonomía que entrega el hidrógeno y su ya más que
destacado valor en la lucha contra el cambio climático.
En Chile existe una Estrategia Nacional de Electromovilidad (actualizada a octubre del 2021), que contempla la utilización de hidrógeno como combustible, algunas de sus metas son rescatadas en el Anexo 1.
Esta estrategia se sustenta en distintas políticas públicas entre las cuales se encuentra la ya mencionada
Estrategia nacional de hidrógeno verde, la cual en palabras del mismo texto se describe como:
"Política de largo plazo que establece las ambiciones de nuestro país para crear una nueva industria del
hidrógeno verde en beneficio para la nación. Esta Estrategia incorporó diferentes procesos participativos en
su construcción, donde expertos de empresas, instituciones públicas, ONGs y ciudadanos pudieron entregar
su visión, prioridades y preocupaciones sobre el desarrollo del hidrógeno verde en el país". [13]
Implementación hidrógeno verde en el Aeropuerto de Santiago Un importante avance hacia la
utilización de hidrógeno verde como una de las principales fuentes de energía en nuestro país, es el plan
anunciado por el ministro de energía en octubre del presente año (2021), a través del cual se pretende
que el Aeropuerto de Santiago pueda ser uno de los primeros en operar con hidrógeno verde en América
Latina.
Se pretende que no sean solo las líneas aéreas las que operen con hidrógeno o alguno de sus derivados,
sino que también el transporte de carga utilizado en el aeropuerto, mediante el desarrollo de carburantes
biosostenibles para los aviones, sistema que ya utiliza Gatwick en Londres por VINCI Airports.
Además, el aeropuerto Arturo Merino Benítez ya ha respondido a los desafíos de la industria frente al
cambio climático, logrando disminuir sus emisiones de CO2 en el último tiempo, proyectándose a reducir
su huella de carbono en un 40 % para el 2030 y llegar ser carbono neutral en 2050. Todo esto incentivado
por un panorama global en que las distintas empresas accionistas buscan promover el uso de hidrógeno
en los aeropuertos y desarrollar soluciones, de tal manera que se puedan internacionalizar este tipo de
tecnologías y así acelerar el crecimiento hacia un entorno de hidrógeno limpio en este contexto [15].
15
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3.3.
Descripción de la Empresa
El proyecto de la producción de hidrógeno será obra de la empresa Energy Hydro. Esta empresa formada
por el grupo será de carácter estatal, creada con el propósito de satisfacer la demanda de Hidrógeno
Verde en el transporte público. Toda la implementación de la planta de electrólisis, la desalinizadora, el
proceso de compresión y de transporte serán financiados por el Estado. De esta manera, Energy Hydro se
encargará del total funcionamiento y operación de la planta de Hidrógeno Verde cuyo nombre es Hydrogen
Mejillones.
En Chile existe un alto potencial para ser pionero mundial en Hidrógeno Verde y puede ser usado en
diversos sectores, incluyendo la electromovilidad. Esta transición a una matriz energética que contemple
el hidrógeno verde tiene que ser gradual, implementando las nuevas tecnologías en zonas específicas para
testear y comparar resultados con el fin de elegir la más eficiente.
Al respecto, la empresa Energy Hydro producirá Hidrógeno Verde para suplir la demanda de una línea de
buses de la ciudad de Antofagasta cuyas antiguas micros serán reemplazadas próximamente por vehículos
que consumen Hidrógeno. Las razones para esto son:
El plan de descarbonización tiene como eje principal la reducción de combustibles fósiles. Cerca del
20 % de las emisiones de CO2 provienen del transporte, por lo que la electromovilidad es un tema
bastante relevante. Dado esto, se planteó la utilización de hidrógeno en una demanda real en el país.
Por esta razón se trabajará con el transporte público.
Se opera en la ciudad de Antofagasta ya que es una de las más grandes de Chile, con cerca de 340 mil
habitantes. Además, en esta zona existe una alta radiación solar. Por esta razón, se podrá utilizar
de manera eficiente energía solar para la obtención de hidrógeno.
La planta de hidrógeno será en base a la electrólisis del agua, aprovechando el agua de mar para este
proceso. De todas formas, esta agua tendrá que ser desalinizada antes del proceso de electrólisis, por
razones que se especificarán más adelante. Por esto se llegó a la opción de buscar una ciudad grande
cerca de la costa.
En una proyección a futuro la planta puede crecer, supliendo la demanda de otras ciudades, empresas
y sectores. La ciudad de Antofagasta tiene un gran puerto que puede ser utilizado para la exportación
de hidrógeno a otras regiones e incluso a otros países. Además, se encuentra cerca de la mina de
Chuquicamata. Sería interesante evaluar si esta planta pueda suplir la demanda de camiones mineros
a base de hidrógeno, entre otros procesos.
Anteriormente se mencionó la proyección de producir hidrógeno. La zona norte va a tener los menores
costos, llegando a 0.8 [USD/kg H2 ] al año 2050. Es por esto que se plantea situar la planta en la
zona norte del país [1].
De acuerdo a la estrategia nacional de hidrógeno verde, la primera oleada incluye el transporte de
pasajeros usando buses de alta autonomía [1].
Debido a estas razones la planta de hidrógeno a operar, tendrá su propia zona de desalinización para
quitarle las sales al agua de mar. Posteriormente, el hidrógeno se obtendrá por medio de la electrólisis del
agua y será almacenado en tanques a presión. Toda la energía utilizada en estos procesos provendrá de
fuentes solares.
16
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Figura 9: Esquema ilustrativo de la producción de hidrógeno
3.3.1.
Demanda
El bus que se utilizará como referencia es el modelo Fuel Cell Buses de Alameda Contra Costa Transit
District [16] que irá en reemplazo de las micros actuales de la ciudad. Las especificaciones de estos buses
son las siguientes:
Celdas de combustible de 120 [kW ].
Autonomía de 350 − 390 [km] por carga completa de combustible.
Longitud de 12 [m].
Capacidad de almacenamiento de 40 [kgH2 ].
Tiempo de carga de 7 minutos, aproximadamente.
Estos buses utilizan hidrógeno como combustible, el cual será proporcionado por la planta de hidrógeno
que se detallará más adelante. Lo importante es que en estos, el hidrógeno reacciona con el oxígeno para
producir electricidad con cero emisiones contaminantes.
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Figura 10: Modelo de bus a satisfacer
Actualmente en Antofagasta existen 13 líneas de buses con una flota aproximada de 700 unidades [17]. Se
estima que los nuevos buses a implementar utilizan una carga completa diariamente. Esto quiere decir que
utilizan 40 [kg] de H2 en los 370 [km] aproximadamente que recorren día a día.
Como primera aproximación, se implementarán estos buses en solo la línea 102 de la actual flota. La ruta
parte en Coloso y termina en Amatista [18].
Figura 11: Recorrido Línea 102
Esta línea de buses cuenta actualmente con 63 vehículos [17], por lo cual se calculará la cantidad de
hidrógeno diaria necesaria. Teniendo en cuenta los 40 [kg] por bus, se estima una cantidad de hidrógeno
diaria necesaria de 2520 [kg]. Esta será la cantidad necesaria que la planta tendrá que producir diariamente.
Es importante destacar que el hidrógeno se le entregará a la empresa de buses en una estación de carga
ubicada en Antofagasta.
18
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3.3.2.
Ubicación
Dado que la planta se implementará para satisfacer cierta demanda en Antofagasta, esta debería estar en
las cercanías. Es por esto que la planta se ubicará en la bahía de Mejillones. Debido a que en esa zona se
concentra una alta actividad industrial.
Figura 12: Plan Regulador Mejillones
La zona denominada como P2 en el plan regulador es específica para industrias [19]. Además, al estar en la
zona portuaria, se tendrá un rápido acceso al puerto para una exportación en un futuro. De todas formas,
lo importante es que la planta está en la costa. De esta manera es fácil la obtención de agua de mar para
la desalinización.
Es importante considerar para el traslado de hidrógeno a la central de carga de buses en Antofagasta, que
la planta estará a 60 [km] aproximadamente de la ciudad.
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3.4.
Descripción de la planta
Se describen a continuación las principales etapas y procesos de la planta Hydrogen Mejillones.
3.4.1.
Diagrama de Flujo
Para la operación de la planta Hydrogen Mejillones se plantea el siguiente diagrama con los flujos que
entran y salen del sistema.
Figura 13: Diagrama de Flujo
Se puede observar que existen 3 etapas principales. Primero se desaliniza el agua de mar. Este proceso
genera una corriente de permeado (agua sin sales) la cual es utilizada en el proceso de electrólisis y una
corriente de rechazo que no es utilizada y por tanto eliminada. Pasando a la zona de electrólisis, se permite
producir el hidrógeno, el cual pasa a la zona de compresión. Además, este proceso produce oxígeno, el cual
será utilizado por la empresa para comprimirlo y venderlo. Por último, el hidrógeno pasa por etapas de
compresión para almacenarlo en tanques y así poder transportarlos a la zona de carga en Antofagasta.
Estas 3 operaciones utilizan energía, la cual provendrá de una planta solar.
20
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3.4.2.
Planta Desalinizadora
Como parte de la obtención del recurso hídrico que se utilizará para llevar a cabo el proyecto, se necesitará
agua purificada la cual puede ser obtenida del mar y deberá pasar por un proceso de desalinización para
extraer la sal. Otra opción es que provenga de una fuente de agua dulce, en cuyo caso de todos modos se
deben extraer sus minerales.
El proceso que se aplicará para la obtención de agua pura se denomina Ósmosis inversa, por ahora el
sistema más extendido y avanzado en todo el mundo, clave en la desalinización de agua proveniente del
mar. En el Anexo 2 se puede observar un diseño típico de Ósmosis Inversa. La ósmosis es un fenómeno
en el que las moléculas se mueven pasando a través de una membrana semipermeable porosa, desde una
región de menor concentración a otra de mayor concentración, el objetivo sería igualar las concentraciones
de ambos lados. Ese movimiento de gran cantidad de partículas hacia la zona de menor concentración es
conocida como presión osmótica [20].
En la ósmosis inversa se usa una presión externa mayor a la presión osmótica, contrario a lo hablado
anteriormente, es decir, se aplica presión sobre la solución de agua salada, permitiendo el paso del disolvente
(agua) a través de la membrana, desde el lado donde la concentración de sales es mayor hacia el lado donde
es menor. El soluto (sales disueltas) no pasa.
La ósmosis inversa es capaz de limpiar el agua de tal manera que puede ser ocupada en procesos industriales,
incluso domésticos. A mayor presión aplicada, el flujo de permeado aumenta de forma proporcional. Los
factores que afectan al proceso de filtración por la membrana son:
1. La calidad del agua de entrada
2. Los parámetros de operación de la planta (presión y grado de conversión).
3. Polarización de la concentración.
Todo esto puede ocasionar que se produzca el biofouling (o ensuciamiento de membrana), la incrustación
de sales en la misma o incluso su degradación.
Para evitarlo, es fundamental aplicar un pretratamiento adecuado. El pretratamiento típico puede incluir:
1. Filtración
2. Ultrafiltración
3. Sistema de dosificación (antincrustante-reductor)
4. Filtro de cartuchos de 5 micras
Después el agua extraída se somete al proceso de electrólisis, fundamental para generar hidrógeno verde.
Para el proyecto en sí, dado la zona en donde se encontrará la planta de producción de H2 , se ubicará
a pocos metros una planta desalinizadora que se encuentre cercana al mar, la cual debe ser capaz de
abastecer la demanda hídrica que se requiera para formar la cantidad de hidrógeno verde necesaria para
los clientes del sector de transporte.
21
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Figura 14: Osmosis inversa
Teniendo en cuenta lo anterior, se distingue AE el agua para electrólisis y AM el agua extraída del mar.
Se requieren 10[L] de agua para electrólisis por kilogramo de H2 [21]. Además, para producir 1[L] de agua
para electrólisis se requieren 2[L] de agua de mar [22]. De este modo se calcula el volumen diario de agua
de mar, necesario para el funcionamiento de la planta:
kgH2
LAE
LAM
· 10
·2
dia
kgH2
LAE
LAM
= 50400
dia
VAM = 2520
VAM
Con lo calculado se puede observar que el total del agua de mar que necesitará la planta de desalinización
será de 50400[L] al día. Generando 25200[L] al día de agua para electrólisis que abastecerán a la planta
de hidrógeno. Una planta desalinizadora promedio consume 4[kW h/m3 ] [23]. Por lo tanto, la energía
consumida para el proceso será de 201,6[kW h/dia]:
3 3
LAM
m
m
= 50400
· 0,001
= 50,4
dia
LAM
dia
VAM
m3
kW h
kW h
= 50,4
·4
= 201,6
dia
m3
dia
Econsumida
22
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3.4.3.
Planta Solar
Para el abastecimiento energético de la planta, se evaluó utilizar el Complejo Solar del Cerro Dominador.
Esta es una planta termosolar con 10.600 heliostatos y una producción de 110[M W ] que se conecta
directamente al Sistema Eléctrico Nacional [24].
Figura 15: Complejo Solar Cerro Dominador
En la planta termosolar Cerro Dominador, la energía solar es reflejada por los heliostatos (espejos) hacia la
parte superior de una torre, en donde se calientan sales que se encuentran en estado líquido; posteriormente
las sales calientes ayudan a generar vapor, que en contacto con una turbina de generación eléctrica produce
la energía final. Estos heliostatos tienen la capacidad de seguir la trayectoria del sol para maximizar la
radiación solar sobre este y así reflejar hacia la torre.
La idea de utilizar esta planta como fuente energética de Hydrogen Mejillones es el hecho de que el complejo
solar utiliza energías renovables, requisito necesario para la producción de hidrógeno verde. Además, se
estimula el uso de nuevas tecnologías para afrontar este desafío que tiene el país en transformar su matriz.
Cerro Dominador es la primera planta termosolar en Latinoamérica, y el hecho de poder utilizarla para la
producción de Hidrógeno podría reflejar lo importante que es la inversión en tecnología para desarrollar
mecanismos de generación nuevos y más eficientes.
Es relevante mencionar que se necesitará construir una línea de tendido eléctrico que conecte la planta con
el complejo solar. Esta línea tendrá una longitud mínima de 110 [km] aproximadamente.
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3.4.4.
Planta de Electrólisis
El gran motor de la producción de hidrógeno es la planta de electrólisis. Esto es debido a que en esta etapa
se logra separar el hidrógeno del agua obtenida en el proceso de desalinización.
Actualmente existen diversos procesos para llevar a cabo la producción de hidrógeno, sin embargo, la
hidrólisis es el proceso más eficiente con un 80 % aproximadamente. De este proceso existen dos configuraciones las cuales son las más utilizadas: alcalina y membrana polimérica. Para el proceso en cuestión, se
utilizará la electrolisis alcalina, esto debido a que es una tecnología más sencilla, barata y desarrollada, de
bajo mantenimiento, no utiliza metales nobles y produce hidrógeno de alta pureza. Es importante destacar
que se puede utilizar este método ya que no es necesario una respuesta rápida de generación de hidrógeno
[25].
Previa a la electrólisis del agua, es fundamental el acondicionamiento de ésta. Para maximizar la eficiencia y bajar los costos y tiempos de mantención de los equipos es necesario utilizar agua desionizada
y ultrapura, específicamente con una conductividad de 0,16[µS/cm], lo que significa una concentración de
0,113[ppm] de STD (Sales Totales Disueltas).
Como fuente energética primaria para la producción de hidrógeno, se suele usar la energía solar. Esto
es para mantener el enfoque del proceso en utilizar energías renovables y se escoge solar por sobre otras
ya que el tipo de corriente que se necesita para llevar a cabo la electrólisis es corriente continua, la cual se
puede obtener directamente de esta fuente a diferencia de otras opciones, como eólica o hidroeléctrica, en
donde se consigue corriente alterna.
El diagrama de bloques de la Figura 16 muestra el proceso de producción de hidrógeno, partiendo desde
las materias primas y pasando por los distintos equipos para la producción del gas.
Figura 16: Diagrama de bloques generación de hidrógeno
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Se puede observar que el proceso consta de 2 partes fundamentales: La Hidrólisis en el electrolizador y la
purificación del gas. A continuación, se entrara en detalle de cada proceso:
1. Electrolizador alcalino
El proceso de hidrólisis consta de un electrolito el cual se encuentra en una solución conductora y por la cual circula una corriente que se aplica en un ánodo hasta un cátodo. Generalmente, el
electrolito está compuesto por la solución acuosa de hidróxido de potasio, de sodio o cloruro de sodio.
En el ánodo, se forman iones de hidrógeno y de oxígeno, el primero se desplaza hacia el cátodo
en donde se forman moléculas de hidrógeno.
Las concentraciones de la solución rondan entre un 25 % y 30 % en peso y las temperaturas de
operación rondan entre los 80 y 90[°C], lo que entrega una conductividad aproximada de 1, 2[S/cm].
Los electrodos suelen estar compuestos de níquel y se encuentran separados por diafragmas porosos
poliméricos, óxidos cerámicos, entre otros. Este último, tiene como finalidad evitar el contacto entre
el oxígeno y el hidrógeno producido.
Figura 17: Representación electrolizador alcalino
2. Purificación del gas
En este proceso existen dos dispositivos principales: los separadores flash y los demister. Ambos
tienen la función de separar los componentes en estado líquido de los gaseosos, solo que a distintas
escalas.
El separador flash es un dispositivo que es capaz de separar la mayor parte de una mezcla de vapor
líquido. Estos consisten en un recipiente el cual a través de la gravedad deposita el líquido en la parte
inferior de éste y es retirado, mientras que el gas es extraído por el extremo superior del mismo. El
agua que se extrae de este proceso se recircula en el proceso de separación en el electrolizador.
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El demister es una parte del dispositivo anterior, pero está encargado de separar las trazas remanentes
de fase líquida del gas. El gas que pasa por este proceso obtiene aproximadamente un 99,9 % de
pureza.
Figura 18: Separador Flash y Demister.
Para la producción de 1 [kg] de hidrógeno con el electrolizador alcalino, se consumen aproximadamente
50[KW h] de energía eléctrica [26]. La cantidad de hidrógeno que es necesario producir por día es 2520[kg];
por lo que se necesitarán 126[M W h] por día para la hidrólisis.
3.4.5.
Proceso de Compresión
Tras la producción de hidrógeno, éste debe pasar por un proceso de compresión antes de ser almacenado.
Esto se debe a que la relación peso/energía del combustible es muy alta, pero no así su relación volumen/energía (ya que la densidad la molécula es muy baja). Entonces, con la finalidad de disminuir costos en
la producción y almacenamiento, se busca comprimir lo más posible el hidrógeno.
Para el caso dado, se aproxima que la presión de salida del hidrógeno es de 20 [bar]; los estanques que se
utilizan hoy en día para almacenar el hidrógeno están diseñados para soportar una presión de 700 [bar].
Este proceso debe ser realizado en varios pasos, ya que como bien se sabe, en procesos de compresión
la temperatura tiende a aumentar, por lo que sera necesario enfriar el gas luego de comprimirlo para que
el compresor pueda realizar su función de manera óptima.
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3.5.
3.5.1.
Problemas ambientales detectados
Desalinización del agua
Se sabe gracias a un estudio que unas 16 mil plantas de desalinización en el mundo producen más residuos
tóxicos que agua potable [27]. Por cada litro de agua obtenido del mar o de aguas salobres, un litro y
medio de barro salado, llamado salmuera, termina en el océano o en la tierra.
La salmuera, es muy salada lo que se considera más tóxica aún al estar compuesta por químicos utilizados
en el proceso de desalinización, como por ejemplo el cobre y el cloro.
Cabe decir que la sal adicional provoca un aumento de la temperatura de las aguas costeras, disminuyendo
el nivel de oxígeno, lo que puede desencadenar en la creación de zonas muertas. Se genera un gran daño
para los organismos acuáticos ya que con esas condiciones es difícil respirar.
Según el mismo estudio, las emisiones de gases que contribuyen al efecto invernadero pueden empeorar la
calidad del aire que se respira. Se puede mencionar que los procesos de desalinización en general son llevados
a cabo por energía obtenida de combustibles fósiles que resulta en emisiones de gases que contaminan el
medio ambiente. Sin embargo, el proyecto no tendría este problema, pues se abastece de una planta solar.
3.5.2.
Planta Solar
Si bien el proyecto no considera la instalación de una planta solar, la energía obtenida será a través de
este medio, por ende se analizará sus problemas asociados.
Las instalaciones de este tipo necesitan ocupar gran cantidad de espacio para poder concentrar el sol y
aprovechar su potencia térmica [28], los elementos como los espejos o helióstatos deben disponer de la
máxima radiación solar durante todo el día, evitando las sombras entre ellos y poder alcanzar las temperaturas de generación de cada ciclo. La sombra mencionada anteriormente modifica el comportamiento de
la flora y fauna en la zona [29].
Para la construcción se debe eliminar la flora, evitando su generación en el campo solar, con el fin de
disminuir la productividad por el efecto albedo y para evitar incendios. Para lo anterior se suele utilizar
productos fitosanitarios, los cuales pueden tener su propio impacto ambiental al ser usados.
La tecnología termosolar tiene ciertos límites que no tienen otros tipos de energías renovables. Debe
mantener una temperatura mínima en los circuitos de intercambio y el campo solar para evitar daños
estructurales por la solidificación de los fluidos de intercambio utilizados (sales, aceites térmicos, etc).
Para lo anterior se hace necesario instalar sistemas de combustión para conseguir estas temperaturas
mínimas de trabajo requeridas. Se suele usar gas natural dando una característica híbrida al proceso.
Al generar energía se produce calor el que es necesario disipar, lo cual se suele hacer con agua en los
circuitos cerrados de refrigeración. El recurso hídrico tiene que pasar por procesos para ser ocupado en
una cantidad considerable de ciclos, agregando que la disponibilidad de agua no es abundante.También el
lavado de los paneles solares puede generar un residuo ácido.
En una central termosolar se suelen manejar fluidos, los cuales requieren especial cuidado para evitar al
máximo cualquier impacto ambiental con respecto a la emisión de sus vapores, su vertido en suelos o
transferencia a otros medios como el agua.
27
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3.5.3.
Producción de Hidrógeno
Actualmente el problema sobre la producción de hidrógeno es su gran costo de generación debido a la
enorme cantidad de energía que es necesaria para éste. La producción es baja ya que el mercado de consumo es pequeño hoy en día, falta mucha investigación y desarrollo sobre estas tecnologías [30].
Junto a lo anterior, para que la producción de hidrógeno sea en la categoría de verde es necesario que
toda la energía que se utiliza en el proceso provenga de fuentes de energía renovables, lo que es una gran
limitante para muchos sectores en los cuales las posibilidades para la generación de electricidad a base de
fuentes limpias son bajas, ya sea por las condiciones del lugar que no permitan instalaciones de este tipo
(baja radiación solar, vientos débiles, etc) o por los recursos que se dispongan para este tipo de avances [31].
El proceso de hidrólisis conlleva dos desechos principalmente: El ánodo y la solución electrolítica. En
el proceso de la electrólisis, el cátodo se deshace mientras que se adhieren partículas de este al ánodo, por
lo cual éste último comienza a aumentar su tamaño hasta llegar a un punto en el cual debe ser removido.
La pieza removida no representa grandes riesgos ambientales ya que está construida con materiales poco
reactivos. Por otro lado, la solución electrolítica debe ser removida y se debe medir su PH, para luego ser
neutralizada y desechada, ya que la solución neutralizada será agua con sales disueltas.
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3.6.
Entrega del Hidrógeno
Evidentemente para poder abastecer de combustible además del almacenamiento, es fundamental el tema del transporte y de esta necesidad surge nuevamente la problemática debido a la baja densidad del
hidrógeno, que hace que los métodos tradicionales de transporte de combustible sean poco eficientes.
Por lo general los combustibles gaseosos son trasladados a través de tuberías, pero en este caso debido
a las características del hidrógeno presenta distintas dificultades , como es el embrittlement que consiste
en la fuga de hidrógeno debido a que las moléculas de este gas son más pequeñas que el espacio entre
las moléculas del metal. Este problema se hace mayor a medida que aumenta el porcentaje de hidrógeno
y la presión en la cañería, por ello se deben utilizar cañerías exclusivamente dedicadas al transporte de
hidrógeno con un diámetro mayor a una tubería de gas que transporte otro tipo de combustible. Debido
a que transportar el hidrógeno en grandes distancias mediante tuberías es una solución poco eficiente y
requeriría de una gran red de abastecimiento, se deben considerar otras formas de transporte como por
ejemplo aprovechar las tecnologías y métodos de almacenamiento para utilizar camiones o trenes similares a
los que se utilizan para combustibles líquidos. Aunque esta solución puede no ser la óptima si consideramos
que un camión de hidrógeno tendría menos masa y por lo tanto menos energía utilizable que un camión
de combustible líquido convencional [9].
Por esto se utilizarán tanques presurizados de hidrógeno, los que permitirán el traslado de éste con la
mayor eficiencia dada las condiciones generales en las que se desarrolla el proyecto. Para los procesos de
este tipo se usan principalmente dos tipos de tanques presurizados, tanques tipo III y tipo IV (de los
cuatro tipos de tanques de hidrógeno actualmente utilizados). Los cuales en términos generales permiten
el almacenamiento del hidrógeno mediante la utilización de recubrimientos y materiales que entreguen
seguridad en el traslado, manteniendo un peso no demasiado elevado. La empresa selecciona el tanque tipo
III para realizar sus entregas.
Tipo III Constan de un forro metálico interno con o sin costuras para evitar las fugas de hidrógeno por
difusión, recubierto todo ello por un material compuesto dispuesto en distintas direcciones. La parte metálica es normalmente de aluminio o acero. Generalmente se utilizan materiales compuestos para aumentar
la resistencia, llegando a soportar hasta 700 [bar]. En este caso la mayor parte de la carga estructural es
soportada por el material compuesto. El uso de materiales compuestos por sobre los metálicos permite
utilizar paredes menos gruesas y por lo tanto disminuir el peso de los tanques en comparación a los de
tipo I y II.
Tipo IV Consta de un forro interno de material plástico, generalmente polietileno de alta densidad,
para evitar la difusión del hidrógeno, reforzado mediante fibras de carbono en distintas direcciones que
recubren todo el forro de plástico. Este material compuesto es el que soporta todas las cargas estructurales.
En algunos casos se utiliza un recubrimiento de fibra de vidrio en la parte externa a modo de protección.
Estos tanques tipo IV mantienen las válvulas metálicas para poder llevar a cabo la recarga del depósito y
el suministro de hidrógeno. En cuanto a la presión máxima que el tanque es capaz de soportar es alrededor
de los 700 [bar]. [32]
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3.7.
3.7.1.
Relevancia del tema
Alianza Internacional para la Economía del Hidrógeno (IPHE)
La alianza internacional para la economía del hidrógeno esta formada por 21 países, entre los cuales
representan más de 70 % del PIB mundial y son los que están en este momento impulsando la producción
y el uso del hidrógeno a nivel mundial. Esta alianza busca facilitar y acelerar la transición a sistemas de
energía y movilidad limpias y eficientes a través del hidrógeno en todos los sectores.
Hasta finales del año 2020, IPHE ha desarrollado 330.000 celdas de combustible estacionarias, 1[GW ] de
potencia en celdas de combustible, 15.000 vehículos eléctricos de celda de combustible y 400 estaciones de
combustible, para alcanzar la meta “10, 10 y 10”: 10 millones de sistemas de movilidad, 10 mil estaciones
de servicio, en un plazo de 10 años.
Además el IPHE se encarga de la educación y divulgación de información, en relación a las tecnologías
del hidrógeno y las pilas de combustible. Existen además otros grupos en esta organización dedicados a
trabajar en regulación, códigos y seguridad, con el fin de intercambiar estas buenas prácticas. Por otro
lado el IPHE se ocupa de realizar análisis en la producción de hidrógeno (H2P A), con el objetivo de
poner en marcha un proceso y adoptar medidas que permitan elaborar una metodología mutua para
determinar emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes relacionados con la producción
del hidrógeno.
Por otro parte, el Ministro de Energía Juan Carlos Jobet, destacó la importancia de la incorporación de
Chile a esta alianza, sobretodo en la implementación de la Estrategia nacional de hidrógeno verde, a lo que
señalo : “Ser parte de estas instancias es un reconocimiento al trabajo que estamos realizando en materia
energética. A través de la Estrategia nos fijamos metas claras y para llegar a ser el productor más barato
de hidrógeno verde al 2030, será esencial la cooperación internacional y fortalecer los intercambios y el
aprendizaje mutuo” (palabras del ministro luego del ingreso de Chile al IPHE) [33].
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3.7.2.
Ley de eficiencia energética
La ley de Eficiencia Energética es un paso importante para alcanzar la carbono neutralidad al 2050,
reduciendo gases de efecto invernadero. Según la ley se podrá reducir la intensidad energética, las emisiones
de CO2 (reducción de 28,6 millones de toneladas) y generar un ahorro considerable al 2030 [34].
Principales contenidos de la ley en lo que respecta al transporte:
Estándares de eficiencia para vehículos
Renovar el parque con vehículos más eficientes, dando importancia a los eléctricos.
Fijar estándares de eficiencia energética para el parque de vehículos nuevos, trabajo en conjunto con
las empresas importadoras y comerciales de autos.
La medición será en kilómetros por litro de gasolina equivalente y se informará su equivalencia en
gramos de CO2 por kilómetro de acuerdo de a homologación o certificación de éstos.
Incentivo a vehículos eléctricos puros, híbridos enchufables y cero emisiones.
Interoperabilidad para vehículos eléctricos
El sistema de recarga de vehículos eléctricos (acceso y conexión a la red de carga) estará a cargo del
Ministerio de Energía.
Depreciación acelerada para vehículos eléctricos
El servicio de impuestos internos tiene la facultad de establecer una nueva depreciación acelerada a
los vehículos correspondientes a la electromovilidad.
Hidrógeno como combustible
El hidrógeno declarado como combustible. El Ministerio de Energía puede normarlo.
El biministro de Minería y Energía, Juan Carlos Jobet, puso énfasis en la relevancia de esta ley para
el transporte del país: “Con la Ley de Eficiencia Energética avanzaremos en la incorporación de la electromovilidad en Chile, apuntando hacia un transporte limpio, económico y silencioso que beneficiará al
medioambiente y la calidad de vida en la ciudad”.
El proyecto es pieza fundamental en el inicio de esta nueva etapa de la electromovilidad, claro ejemplo de
la búsqueda de diversas soluciones para combatir el cambio climático.
31
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3.7.3.
Mercado Del Hidrógeno
El mercado y la empresa privada juegan un rol fundamental en la transición hacia nuevas tecnologías
que permitan la implementación del hidrógeno verde como fuente de energía, si bien este aún tiene costos
elevados en comparación a los combustibles convencionales, su precio actual es la mitad de lo que costaba
hace diez años [35].
Las proyecciones favorables a la disminución de los costos del hidrógeno verde va de la mano de la caída
en los precios asociados a energías renovables como la energía solar y eólica. En este aspecto Chile tiene
mucho que ofrecer y se proyecta en el mediano y largo plazo como una fuente de energías renovables para
el mundo.
Frente al avance de la implementación de energías renovables en el contexto global y las nuevas tecnologías,
es importante para las aspiraciones de nuestro país saber responder de manera efectiva y a tiempo a los
requerimientos que éste propone. Un ejemplo de esto es la necesidad de recursos como el cobre en los
vehículos eléctrico, los cuales requieren de mayor cantidad de este mineral para su fabricación que un
vehículo convencional a combustible fósil. En ese sentido, no solo basta con responder a la necesidad del
mineral, sino que también el mercado impondrá otro tipo de requerimientos buscando ser consecuente con
los cambios hacia la implementación de energías renovables. Por lo que el hidrógeno será fundamental para
que la minería u otros sectores de la industria reduzcan las emisiones de carbono en sus operaciones.
La minera Antofagasta Minerals se ha incorporado recientemente a la Asociación Chilena de Hidrógeno (H2 Chile) [36], siendo la primera compañía nacional en incorporarse. De esta manera la minera
da un paso importante hacia la producción de cobre de manera más sustentable y con menos emisiones.
En la actualidad muchos países están considerando el hidrógeno como buena alternativa, tanto como
para descarbonizar sus matrices energéticas, como para avanzar hacia sociedades más sostenibles. En este
sentido es importante el desarrollo de una economía global que favorezca este escenario. Países como Japón,
Australia y Corea del Sur, marcan el ritmo del desarrollo de este mercado a nivel internacional, producto
de sus metas ambiciosas relacionadas a la producción y aplicación del hidrógeno verde.
Se proyecta un alto crecimiento del mercado global del hidrógeno, desde 83, 4[M M t] según IRENA 2018,
a 116, 72[M M t] al año 2030 [37]. En el Anexo 3 se incluye un gráfico que representa esta situación, donde
se muestra éste crecimiento equivalente a un 40 %.
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4.
Procesos y Tratamientos de Contaminantes.
Como se ha explicado anteriormente, el proceso de producción de hidrógeno en la planta Hydrogen Mejillones consta de los siguientes subprocesos:
1. Desalinización de agua de mar
2. Electrólisis del agua
3. Compresión del hidrógeno
Se considerará que la planta trabajará 24 horas al día, dado el rubro de producción. Con esto se realizaron
los balances de masa respectivos para calcular los flujos másicos de cada línea. El siguiente diagrama de
flujo se presenta a continuación. Para una mayor simplicidad, en este diagrama se incluyen solamente los
equipos o subprocesos más relevantes.
Figura 19: Diagrama de Flujos
Los números corresponden a identificadores de cada línea. Los flujos másicos con sus composiciones se
presentan en la Tabla 2 en el anexo. Del diagrama presentado, se nota que el único flujo que entra al
sistema es el agua de mar por la línea 101.
Proceso de Desalinización: En esta primera etapa se le quitarán las sales al agua de mar para poder
utilizarla en el proceso de electrólisis. Se estiman los siguientes flujos en sus respectivas líneas:
Línea 101: Flujo másico de agua de mar a la entrada de 2152.5 [kg/h]. Esto equivale a 51660 [kg/dia]
de agua de mar.
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Línea 301: Corriente de rechazo a la salida del proceso de 1104.6 [kg/h], lo que equivale a 26510.4
[kg/dia] de salmuera. Este flujo será el principal contaminante de la planta, el cual se detallará en
la siguiente sección.
Línea 102: Corriente de permeado de 1047.9 [kg/h]. Este flujo entrará al proceso de electrólisis.
Para este proceso se asume que la desalinización logra quitar el 100 % de las sales que se encuentran
en el agua de mar.
Proceso de Electrólisis: En esta segunda etapa, el agua desalinizada es ingresada al electrolizador para
poder mediante energía separar el hidrógeno del oxígeno. Las respectivas líneas con sus flujos se detallan
a continuación:
Línea 201: Corresponde a la unión de la línea de permeado (102) con las líneas 204 y 205 provenientes
de la recirculación de agua proveniente de los separadores flash para retirar el agua de los gases de
oxígeno e hidrógeno. El flujo que entra al electrolizador corresponde a 1309.9 [kg/h].
Asumiendo una eficiencia del electrolizador del 80 %, se pueden calcular los flujos y cantidades de
oxígeno e hidrógeno en las líneas 202 y 203.
Línea 202: Esta línea corresponde a la salida de hidrógeno húmedo del electrolizador. Se espera que
salga un flujo másico de 247.4 [kg/h], en el cual se espera un flujo de hidrógeno de 116.4 [kg/h]. El
agua (130.9 [kg/h]) se espera poder ser removido en el separador flash al cual se conecta esta línea.
Línea 203: Análogamente a la 202, del electrolizador saldrá además un flujo másico de 1062.5 [kg/h],
de los cuales, 931 [kg/h] corresponden a oxígeno. Ésta también se conecta a un separador flash para
retirar el agua y aprovecharla mediante recirculación.
Línea 204 y 205: A la salida de ambos separadores flash, mediante estas líneas se podrá retirar el
agua de ambos flujos húmedos. De esta manera, ambas llevarán un flujo de agua de 130.9 [kg/h] las
cuales, se mezclan con la 102 para entrar al electrolizador.
Línea 206: A la salida del separador flash de hidrógeno se estima que saldrá hidrógeno puro con
un flujo másico de 116.4 [kg/h]. De todas formas, esta línea se conecta a un demister para evitar
cualquier resto de agua y obtener una pureza del 99.9 %.
Línea 207: De manera análoga a la 206, a la salida del separador flash se estima que saldrá oxígeno
puro con un flujo másico de 931.5 [kg/h]. Con el mismo argumento, esta línea entra también a un
Demister para aumentar la pureza.
Mediante el proceso descrito se logra retirar el oxígeno e hidrógeno del agua. Ambos flujos entran a
sus respectivos procesos de compresión para ser presurizados en tanques.
Proceso de Compresión: Tal como se mencionó anteriormente este proceso será necesario llevarlo a
cabo a través de varias etapas de compresión isentrópica seguidas de etapas de enfriamiento isobárico.
Esto es fundamental para este tipo de gases ya que la relación del aumento de temperatura con respecto
al incremento de presión es muy elevada. Esto se puede deducir del diagrama de Mollier del Anexo 5.
Este diagrama corresponde al del gas de oxígeno, pero para procesos de compresión isentrópica la relación
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de calor especifico k es similar entre gases diatómicos (k = 1,4), como lo son el caso del hidrógeno y del
oxígeno, por ende, también lo son sus diagramas [44].
En la planta, se estima que la línea 208 saldrá del proceso de eléctrolisis a 20 [bar]. Esta línea entrará al proceso de compresión en varias etapas. A la salida del proceso (línea 401), el hidrógeno saldrá a 700
[bar]. Para esto, es necesario disponer de 4 compresores y 3 intercambiadores de calor.
A continuación, se muestra un diagrama del proceso de compresión que se utiliza para almacenar el
hidrógeno:
Figura 20: Diagrama de compresión
Para determinar los estados termodinámicos de cada corriente en el proceso, se uso como condición de
compresión que la temperatura no puede exceder los 410 [K] y que la temperatura a la cual se puede enfriar
el gas son 300 [K]. Bajo estos supuestos, y considerando la siguiente relación de presión y temperatura
para compresiones isentrópicas [38]:
(k−1)/k
T2
P2
=
(6)
T1
P1
se obtiene la configuración que se muestra en el Anexo 6. El hidrógeno que sale por la línea 401 será
almacenado en los tanques tipo III para el posterior despacho.
En resumen, se presentan los principales flujos másicos de la planta en la Tabla 1. En ella se muestran
también los flujos respecto a un día de trabajo.
Nótese que se producen 270 [kg] más de lo necesario para suplir la demanda de buses diarios. Esto se
plantea de esta manera para tener un rango de seguridad por cualquier eventual falla que pueda existir.
Con estos datos, se estima que la planta de Hydrogen Mejillones tiene una producción de 0.054 [kg] de
hidrógeno por cada kg de agua de mar.
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Tabla 1: Principales Flujos en la Planta
Flujo
kg/h
kg/dia
Ingreso Agua de Mar
Corriente de Rechazo
H2
O2
2152.5
1104.6
116.4
931.5
51660
26510
2794
22355
Principales Contaminantes en el Proceso En todos los procesos industriales la responsabilidad con
el cuidado del medio ambiente es un aspecto importante a considerar. En la desalinización el vertido de
la salmuera al mar se debe efectuar con mucha precaución.
El problema del vertido de salmuera es que se devuelven al mar en una concentración muy superior los
mismos iones que se habían extraído anteriormente.
Durante el proyecto habrá una corriente de rechazo de 1104.6 [kg/h] de salmuera que sale en la línea 301,
siendo la cantidad de 75.34[kg/h] correspondiente específicamente a las sales.
Para el proceso de descarga se hará uso del método de vertido mediante emisario submarino, el cual consta
de lo siguientes elementos:
Cámara de descarga: Recibe el agua de rechazo desde la planta desalinizadora.
Tubería o emisario submarino: La salmuera se traslada a través de esta tubería, la cual se
encuentra sumergida y anclada al fondo marino.
Difusores: Serie de tuberías de menor diámetro a comparación del emisario submarino, ubicadas al
final de la tubería de descarga. Permitirán la salida de la salmuera con una rápida dilución.
Todo lo anterior permitirá enviar la salmuera a una distancia considerable del fondo marino, de manera
tal que haya sido diluida sin afectar al entorno.
Figura 21: Diseño para flujo de rechazo en la desalinización
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Por otra parte, cada cierto tiempo es necesario renovar el agua del electrolizador. A esta solución electrolítica se le medirá el PH. Con esta medición se puede saber qué y cuánta base habría que añadir a esta
solución. De esta manera se puede obtener una solución neutralizada compuesta por agua y sales, y se
asegurará de que no contenga metales pesados. Dado esto, cada vez que se realice esta mantención del
agua del electrolizador, la solución neutralizada se conectará a la línea 301 para ser evacuada al mar al
mismo tiempo que el caudal de la corriente de rechazo del desalinizador.
Oxígeno residual El proceso de electrólisis produce 22355 [kg] de oxígeno al día. Emitir este gas
directamente a la atmósfera es bastante peligroso. Debido a que en altas concentraciones puede provocar
asfixia, dado el aumento de la presión que genera el oxígeno en los alveolos y oxidar las células. Además,
que el oxígeno funciona como oxidante en los procesos de combustión, mucho oxígeno puede favorecer
a combustiones no deseadas si las condiciones para que ocurra existen. Por otro lado, se considera que
la planta se encuentra cercana a una termoeléctrica, lo que puede ser peligroso. En estos casos se suele
liberar el oxígeno al ambiente como contaminante, con los problemas asociados que recién se mencionaron.
Alternativamente se decidió que todo el oxígeno producido será comprimido en tanques para su posterior
venta. Dado el carácter estatal de la empresa, se plantea la posibilidad de poder entregar estos tanques de
oxígeno a hospitales a lo largo de todo Chile, despachando oxígeno grado clínico, tomando las medidas de
seguridad necesarias.
En el caso de que aumente la producción de hidrógeno, en respuesta a la demanda, el oxigeno residual
también aumentará. En este sentido es importante tener en consideración otras alternativas para la utilización de este como producto, para esto es necesario considerar la aplicaciones que el oxígeno tiene en la
industria. Ejemplos de esto son la producción de vidrio, tratamiento de agua potable, la metalurgia, entre
otros.
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5.
Legislación Ambiental
En base a lo estipulado en la ley 19.300 [39], se regularán proyectos industriales para la protección del medio
ambiente, la preservación de la naturaleza y la conservación del patrimonio ambiental. Es por esto que
los proyectos deberán entregar una declaración de impacto ambiental o un estudio de impacto ambiental,
dependiendo del caso. Para validar Hydrogen Mejillones en términos de las normativas medioambientales
vigentes de Chile se decide utilizar una Declaración de Impacto Ambiental. Debido a que la planta no genera
ninguno de los efectos enumerados en el artículo 11. Además la planta es relativamente pequeña y por esto,
se recomienda generar un DIA. En la declaración a generar se contemplará el proceso de desalinización
de agua, con extracción de agua de mar y liberación de un flujo de agua con altas concentraciones de
sales disueltas, el proceso de electrólisis y la posterior compresión y despacho de los tanques de gases. Una
posible DIA para la planta de Hydrogen Mejillones debería tener 3 pilares:
Construcción: En esta etapa se construirá la planta en el terreno fijado. Para esto, se tendrá
que realizar una excavación para fijar los cimientos de los edificios. Esta operación liberará material
particulado a la atmósfera. Además los camiones que transporten la tierra también podrán liberar
material particulado al aire. Para esto, se humectará el terreno. Esto se realizará fijando rociadores
industriales móviles (Cañón Dusterminator Grande) a cada lado de la zona que se está realizando
la excavación para así reducir la cantidad de material particulado en suspensión y en consecuencia
el liberado al ambiente. De esta manera, se emitirá menos polvo. Por otro lado, se tomarán las
siguientes medidas para los camiones que transportarán la tierra fuera de la zona de construcción:
• De existir accesos con caminos de tierra, se rociarán con agua regularmente para evitar la
superposición de polvo al pasar los camiones.
• Los camiones transitarán a una velocidad moderada, menores a 30[km/h].
• Se lavarán las ruedas de los camiones antes de entrar a caminos pavimentados.
• Se cubrirán los camiones con mallas raschel.
Una emisión adicional que se tendrá será la de CO2 a la atmósfera debido a la utilización de combustibles fósiles. Esta emisión se tratará de disminuir al máximo siempre respetando la normativa
vigente. Además la quema de combustibles tiene la posibilidad de generar SO2 , N O2 y CO, pero
se utilizarán equipos que emitan estos compuestos en cantidades lo más bajas posibles. También se
considera toda la contaminación acústica y visual que genera la construcción. De todas formas, la
planta se construirá en una zona industrial, alejada de la zona residencial.
Un ítem importante a considerar en la construcción es considerar la alteración de la fauna y flora del lugar. Esto se tendrá en cuenta. De todas formas, dado que la planta estará en una zona
industrializada, el impacto en la fauna y flora será mínima.
Operación: Dentro de la operación de la planta, se considera desde que se extrae agua de mar
para el proceso de desalinización hasta el despacho de los tanques de Hidrógeno. Con respecto a
las características de la planta de desalinización el elemento más importante a considerar dentro
de su impacto ambiental es la salmuera. En la planta se producen 1104 [kg/h] de salmuera. Para
controlar dicho componente sin afectar de forma directa a la zona de trabajo y alrededores, será
necesario realizar su correspondiente descarga al mar a una distancia suficiente, idealmente lo más
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lejos de las zonas costeras y a una cierta profundidad (evitando la formación de “zonas muertas”). El
proceso será respaldado mediante difusores que ayudarán a una rápida dilución de manera tal que
a cuarenta metros del punto de descarga, la salmuera será diluida sin afectar el entorno. Además,
se hace referencia a que se extraerán 2152 [kg/h] de agua de mar. Se hace necesario cumplir con
normas estrictas tanto de la absorción como de la descarga.
Ya en la fase de la electrólisis, se nota que no existen grandes residuos. Esto es debido a que el
hidrógeno y oxígeno producido se venden. De todas formas, el despacho de estos tanques se realizará
con camiones de combustión interna que liberarán dióxido de carbono al ambiente. Junto a esto,
en la electrólisis se produce un desecho el cual consiste en las soluciones alcalinas las cuales serán
neutralizadas antes de ser desechadas.
Otro tema importante de analizar como posible impacto ambiental es una eventual falla en los
tanques de hidrógeno. En la planta se comprime hidrógeno desde 14 [bar] a 700 [bar]. Si se produce
una liberación de altas concentraciones de hidrógeno a la atmósfera, existe la posibilidad de que
reaccione con el oxígeno atmosférico de manera exotérmica, lo que termina en una explosión. Es por
esto que estas etapas se trabajarán de manera normada con altos factores de seguridad.
Abandono: Para el cierre de plantas de este tipo, se realizó una guía la cual entrega los pasos que
se deben seguir para el cumplimiento de las normas y llevar el menor impacto ambiental posible en
el proceso. Éste consta de 7 pasos [40]:
• Definición del proyecto: En esta primera etapa, se busca precisar los objetivos del proceso tal
como los plazos. Junto a esto, se deben identificar los equipos de transición necesarios, realizar
una estrategia y el levantamiento de permisos.
• Caracterización del sitio: Este proceso consta de un estudio del lugar para identificar tanto los
activos y atributos de la empresa y la existencia de contaminación en la misma. Ya teniendo
identificada los niveles de contaminación, se realiza un muestreo para certificar los estudios.
• Identificar niveles de contaminación aceptables: Se busca información respecto a los niveles de
contaminación que permite la legislación en los casos previamente identificados y cuales son los
tratamientos y sus respectivos costos para llegar a dichos niveles.
• Identificación de uso futuro: Se realiza un estudio de mercado para definir valores de los atributos
de la empresa y las alternativas que existen para éstos. También se definirán los costos del
proceso y en caso de ser necesario, se buscarán fuentes de financiamiento para éste.
• Plan de cierre y remoción: Se realiza un plan de desmantelamiento y remoción para la empresa.
• Implementación: Se lleva a cabo la desmantelación de los equipos y la demolición de estructuras
en caso de ser necesario. Junto a esto, se remueven y tratan todo el material peligroso que exista
en la instalación.
• Cierre del proyecto: Finalmente, se realiza una inspección del cumplimiento de los objetivos y
las normas establecidas.
39
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6.
6.1.
Discusión
Análisis de Sensibilidad
El proyecto contiene diferentes variables importantes que pueden alterarse para obtener diferentes resultados y aplicaciones con el fin de mejorar la producción y los alcances del mismo. Es importante considerar
que cambios en estas variables deben ser realizado con calma y considerando plazos a futuro, pues de
momento el proyecto en si solo busca satisfacer una necesidad concreta de la electromovilidad del país.
Para poder ver el efecto de los posibles cambios que se puedan realizar en las variables se mantienen las
demás constantes. En este sentido, se identifican las siguientes variables relacionadas con el proyecto para
analizar:
Producción del Hidrógeno Todos los procesos productivos se ubican de momento en Mejillones,
logrando de este modo una mayor efectividad en la entrega del producto a la línea de buses. Si la empresa
considera expandirse a largo plazo se podría generar un excedente de hidrógeno (más hidrógeno de lo
solicitado en la demanda). Esto permitiría abastecer más líneas de la región que tendrían la posibilidad
de migrar a nuevas tecnologías de buses a base de hidrógeno reduciendo la contaminación que producen
las actuales micros. También existe la opción de usar modelos de bus diferentes al planteado, el cual posee
una autonomía de aproximadamente 400 [km], así los tiempos de carga se reducirían y se mejoraría la
efectividad en el transporte. Con el paso del tiempo se abastecerá a un número creciente de buses. Sin
embargo existen limitantes a considerar. El proyecto debe cumplir las normativas vigentes relacionadas
con los procesos de contaminación. Es decir, al aumentar la producción de hidrógeno se requerirá mayor
extracción de agua de mar, la cual debe ser tratada antes en los procesos de electrolisis. Esto ya contempla
comprar más equipos para la producción, considerar el aumentó en la energía consumida en las instalaciones
y la logística de poder distribuir de manera adecuada tanto los recursos como los productos. Estos cambios
deben estar amparados en un análisis económico el cual al final indicará cuales son las formas de maximizar
los beneficios.
Ubicaciones de interés a futuro El proyecto se ubica en el norte debido a que se contempla que
los costos de producción disminuyan más aquí que en el centro y sur del país hacia el año 2050. No
obstante estas zonas representan buenos lugares para pensar de todos modos en realizar instalaciones
nuevas a largo plazo de la empresa, con proyectos que estén enfocados en la electromovilidad de la zona.
En ese sentido, será importante considerar cómo se va adaptando los proyectos de electromovilidad en el
país. Manteniendo las producción de hidrógeno actual se pueden observar aplicaciones nuevamente en el
transporte público, pero debe considerarse el factor de la energía y la obtención de agua para electrólisis.
La energía debe ser obtenido de fuentes renovables y el agua no siempre se obtendrá del mar si es que
la ubicación está lejos de éste. Por ello se deben realizar estudios que contemplen qué ciudades o pueblos
se encuentran en las proximidades, ubicación de ríos y lagos junto con un análisis de la composición de
sus aguas y posibles fuentes de energía como solar o eólica para la instalación. Como se ha mencionado
anteriormente, el tema de la energía renovable abre muchas puertas a un país como Chile, por lo que se
podrían considerar proyectos mixtos como Hidrógeno Solar e Hidrógeno Eólico, es decir, instalar tanto
una planta de producción de hidrógeno junto a una planta que produzca la energía necesaria para su
funcionamiento y el resto se conecte a la matriz eléctrica de la zona. Esta perspectiva es beneficiosa pues
da más libertad a las ubicaciones posibles pero también requeriría de importantes inversiones junto a
40
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cuidadosos análisis.
Obtención de Energía Renovable El proyecto obtiene energía de la planta solar del cerro Dominador
que se ubica a 110 [km] aproximadamente de Mejillones. Lugares más cercanos para obtener energía
eléctrica de una fuente verde permitirían disminuir los costos relacionados con el tendido eléctrico que
debe construirse y mantenerse para la correcta operación. Por lo mismo deben examinarse diferentes
alternativas para la obtención de este recurso. Por ejemplo, se sabe de la construcción de la Planta Solar
“Ar Changos Solar”, la cual se instalará precisamente en Mejillones [41]. Por otro lado, no se debe olvidar
que existen otras fuentes de energía como la eólica que también pueden representar potenciales fuentes
alternativas.
Potenciales Clientes Frente al panorama favorable que se proyecta para la utilización del hidrógeno
verde como fuente de energía, se debe tener en consideración los potenciales clientes, de tal manera que
permita ampliar el mercado del hidrógeno y avanzar hacia los objetivos propuestos en esta materia. Es
importante que en áreas fundamentales para la economía de nuestro país como la minería, se avance hacia
la implementación del hidrógeno. Empresas como la antes mencionada Antofagasta Minerals, ya ha
presentado avances en esta área. En este sentido el poder producir el denominado Cobre verde, para lo
cual es necesario disminuir al mínimo posible las emisiones relacionadas a la producción de éste, de tal
manera de responder a las necesidades del mercado global con un producto diferenciado.
Otra de las industrias que cumple un rol importante en esta materia es la automotriz, ya que ésta debe
cumplir con la demanda de vehículos eléctricos, tal que permitan eventualmente desplazar a los vehículos
convencionales. Para que esto suceda es necesario que los precios de los elementos requeridos para su
fabricación disminuyan en valor, de esta manera se proyecta que el costo de las baterías debería caer
a 100 [U SD/kW h] o incluso menos en comparación a los costos del 2019 que son del orden de 200250 [U SD/kW h] [13].
Uno de los importantes derivados del hidrógeno es el Amoníaco, utilizado como fertilizante. Se espera que
éste cumpla un papel relevante en los primeros años de la industria del hidrógeno verde en nuestro país,
debido a su fácil transporte y almacenamiento, además de contar con regulación local y una red logística
global. La empresa Enaex en Agosto del 2021, presentó un proyecto para la elaboración de amoniaco
verde, realizando la Declaración de Impacto Ambiental correspondiente. Ésta sería la primera planta de
producción de amoníaco verde en Chile [43].
41
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6.2.
Alternativas de proceso
Desalinización Aparte de la ósmosis inversa existen otros procesos para llevar a cabo la desalinización
del agua, por ejemplo:
Destilación: Se requiere de calentar el agua hasta llevarla a la evaporación, y luego condensarla
para obtener agua dulce. Este procedimiento de desalinización se lleva a cabo en varias etapas,
la temperatura y la presión van descendiendo en cada etapa hasta conseguir el resultado deseado.
Además, el calor obtenido de la condensación sirve también para volver a destilar el agua.
Congelación: El método consiste en pulverizar agua de mar en una cámara refrigerada y a una
presión baja. Con esto se forman cristales de hielo sobre la salmuera, que posteriormente se separan
para obtener el agua dulce.
Formación de hidratos: Conlleva una gran dificultad tecnológica. El proceso consiste en añadir
hidrocarburos a la solución salina que forman unos hidratos complejos en forma cristalina, que
posteriormente se separan para obtener agua desalinizada.
Evaporación relámpago: En el proceso, el agua se introduce en una cámara por debajo de la
presión de saturación en forma de gotas finas. Una parte de estas gotas de agua se convierten
inmediatamente en vapor, que al condensarse se obtiene agua desalinizada. El agua remanente se
introduce en otra cámara a presiones más bajas que la primera y se repite el proceso hasta alcanzar
el rendimiento solicitado.
Electrodiálisis: En este caso se hace pasar una corriente eléctrica a través de una solución iónica.
Los iones positivos (cationes) migrarán hacia el electrodo negativo (cátodo), mientras que los iones
negativos (aniones) lo harán hacia el electrodo positivo (ánodo). Entre ambos electrodos se colocan
dos membranas semi-impermeables que permiten selectivamente solo el paso del Na+ o del Cl-, el
agua contenida en el centro de la celda electrolítica se desaliniza progresivamente, obteniéndose agua
dulce.
Electrólisis Aparte de la electrólisis alcalina que se plante utilizar para este proceso, existen otros tipos
de electrolizadores con otras características que permitirían realizar el trabajo. Estos son:
PEM: Este es un tipo de electrolizador que utiliza una membrana polimérica sólida que conduce el
H + . Tiene como característica principal que este permite pasos de corriente muy elevados por lo que
la producción del hidrógeno es rápida y muy pura (99.999 %). Por otra parte, un gran inconveniente
es que se necesita de metales nobles tales como el titanio, los cuales tienen precios muy elevados.
Electrólisis de estado sólido: Este es un método que no se ha comercializado aún. Aquí el electrolito es un conductor sólido que trabaja a altas temperaturas (500 − 1000[o C]), debido a esto, este
método aún esta en estudio debido a los problemas de durabilidad.
42
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6.3.
Mejoras a los Procesos Presentados
Membrana Ósmosis inversa Se sabe de la importancia que tienen las membranas en el proceso de
desalinización, por lo mismo se han investigado la manera de mejorarlas a través del tiempo, por ejemplo, se
están experimentando con membranas de grafeno que requerirían menos presión y por tanto menos energía.
Otra opción serían membranas de nanotubos de carbono. Estas opciones podrían bajar considerablemente
los costos. Una alternativa a considerar también es reutilizar las membranas rotas a través de un sistema
que pueda consumir la capa poliamida, permitiendo que la membrana rota se convierta en una membrana
de ultrafiltración.
Vertido de Salmuera El vertido del flujo de rechazo se puede realizar mediante un emisario submarino el cual es un método simple y eficaz. Consiste en poner difusores en la tubería de descarga. Ésta se
colocará a una determinada altura sobre el nivel del mar y con una cierta inclinación.
Según el diseño se puede lograr una gran dispersión de la salmuera y se reduce de forma notable su
concentración en la región marina. Con el fin de mejorar lo anterior se podría tener varios tubos de
descarga conectados en paralelo, separados a una cierta distancia, de tal manera que la concentración sea
la mínima posible, evitando consecuencias tanto en la flora y fauna del lugar.
Hidruros Metálicos en la Compresión Como se mencionó anteriormente uno de los desafíos frente
a la utilización de hidrógeno como combustible, es el encontrar formas más eficientes de almacenarlo. Una
alternativa a esto es el uso de hidruros metálicos en el almacenamiento y la compresión del hidrógeno.
Éstos permiten almacenarlo a bajas presiones mediante una reacción química con una aleación absorbente,
de tal manera que se forme un hidruro metálico sólido.
Existen distintas aleaciones metálicas y compuestos intermetálicos que a la temperatura y presión adecuada
nos permiten ajustar el sentido de la reacción química, de tal manera de que se formen estos hidruros o
se recupere el hidrógeno. En palabras simples estos metales se pueden cargar o descargar de hidrógeno.
Es importante mencionar que este no es un proceso sencillo y que requiere de mucha investigación y
experimentación para su posterior implementación. En este sentido uno de los grupos más relevantes
en el desarrollo de esta área es el denominado proyecto ATLAS-H2 (Advanced metal hydride tanks for
integrated hydrogen applications) [42], los cuales desarrollaron sistemas de depósito para el almacenamiento
del hidrógeno en estado sólido.
Las tecnologías desarrolladas por el proyecto ATLAS-H2 destinadas al almacenamiento de hidrógeno a
bajas presiones por medio de hidruros metálicos permiten un sinnúmero de posibles aplicaciones importantes para la industria en general. Esta técnica de almacenamiento ya ha pasado a la fase de comercialización,
por lo que es posible pensar en ésta como una alternativa viable.
Aterrizando la implementación de este tipo de tecnologías a la utilización de hidrógeno verde como combustible, surge el desafió de disponer de los recursos necesarios, de tal manera que este proceso de “carga” y
“descarga” de hidrógeno sea factible en su implementación. Por lo que si bien se incrementará la eficiencia
en el proceso de almacenamiento y transporte del hidrógeno, el disponer de la infraestructura y tecnología
necesaria requerirá de una inyección de capital importante, por lo que se podría considerar esta como una
alternativa a mediano y largo plazo.
43
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7.
Conclusiones y Recomendaciones
Conclusiones El proyecto considera la construcción e instalación de una planta llamada Hydrogen Mejillones por la empresa Energy Hydro para producir Hidrógeno Verde. En esta planta se extraen 51660[kg]
al día de agua de mar que entran a un proceso de desalinización generando una corriente de rechazo y una
de permeado. La corriente de permeado fluye hasta el electrolizador donde ocurre el proceso de separar
el hidrógeno del oxígeno. Cada flujo ingresa a un Separador Flash donde el agua se recircula de vuelta
al electrolizador para mejorar la eficiencia y se entregan las corrientes a dos Demister diferente. En ellos
los gases alcanzan un 99,9 % de pureza y son llevados hasta sus respectivos proceso de compresión. El
Hidrógeno se debe comprimir a 700 [bar] usando cuatro compresores y tres intercambiadores de calor para
luego ser almacenado en tanque Tipo III, listos para su distribución.
Respecto a la demanda que debe cumplir la planta, es necesario producir 2520[kg] de hidrógeno verde al
día para los 63 buses de la línea en cuestión. Los cálculos realizados llevan a una producción de 2794 [kg]
de hidrógeno, de este modo se deja un margen respecto a la demanda. Para el funcionamiento de la planta
se estable un tendido eléctrico con la Planta Solar Cerro Dominador, que entrega 202 [kW h] al día a la
desalinización y 126 [M W h] al día para el proceso de electrólisis. Este energía proveniente de una fuente
renovable le da el sello Verde a la empresa.
A partir del estudio químico del hidrógeno se logró entender sus propiedades como combustible y hacerlo
viable para este propósito. También se vieron sus propiedades físicas para buscar formas de almacenamiento
que permitan tener a disposición este recurso, al respecto los métodos de Compresión y Licuefacción
destacan por sobre otros y fueron considerados para el transporte que debe realizar la empresa hacia la
ciudad de Antofagasta.
Para validar las normativas medioambientales del proyecto se realiza una Declaración de Impacto Ambiental la cual contempla principalmente la Construcción, Operación y posible Abandono de la planta.
Respecto a esto, es importante considerar el material particulado que se libera en el proceso de construcción y los combustibles fósiles ocupados por los vehículos de carga en esta etapa. Además, se estará
extrayendo agua de mar y devolviendo un flujo de agua que puede contener concentraciones de sales que
afecten al entorno marino circundante. Por último, existe la posibilidad de abandono de la empresa y aquí
se debe disponer de planes de cierre y construcción que permitan mantener a resguardo el medio ambiente.
La empresa considera para los tratamientos de sus contaminantes realizar la liberación de la salmuera
en el fondo marino usando un emisario submarino. Por otro lado, el oxígeno que era peligroso liberarlo
al medio ambiente, es procesado y almacenado para su venta en diferentes aplicaciones industriales o su
envío a hospitales para uso médico. Al respecto se plantean diferentes mejoras que se podrían aplicar a
mediano y largo plazo en los procesos de producción y en los tratamientos de contaminantes.
La Electromovilidad en el país en los próximos años irá de la mano con la producción de Hidrógeno Verde.
Debido a los avances que se están dando en otros países, Chile debe iniciar sus propios proyectos que
le permitan estar a la altura del desafío. Desde este punto de vista la Estrategia Nacional de Hidrógeno
Verde es una buena forma de comenzar a desarrollar las ideas necesarias para un fin como éste. Para que el
presente proyecto se inserte en el marco anterior, se requiere que en el futuro se realicen estudios profundos
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en aspectos económicos, técnicos, operacionales, sociales y medioambientales.
Recomendaciones El hidrógeno verde es una tecnología que se está investigando a lo largo de todo el
mundo y es necesario mantenerse informados respecto a los avances y las decisiones económicas que se
tomen. De esto modo, la empresa mantendrá su carácter competitivo y no se estancará respecto a otras.
Recomendar al Estado que realice inversiones en investigación para optimizar los procesos de electrólisis
con el fin de lograr disminuir los costos asociados a la producción de hidrógeno verde, haciéndolo más
barato en el futuro.
Analizar las posibles ventajas y desventajas de tener una fuente energía renovable más cercana a la planta
y así evitar gastos innecesarios en transporte de energía eléctrica.
Estudiar maneras de expandir la empresa y la planta para abastecer a mayores cantidades de buses
interurbanos y camiones de ruta en la región y luego en el país.
Realizar estudios ambientales para conocer los impactos que produce la planta en los distintos entornos
que se encuentra. Esto servirá para mantener un control sobre los procesos de la planta y de información
para realizar estimaciones con respecto a la instalación de posibles plantas de hidrógeno de mayor tamaño.
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8.
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[22] Cifras sobre la desalinización (s.f.). Fundación Aquae. https://www.fundacionaquae.org/cifras-sobrela-desalinizacion/
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9.
Anexos
Anexo 1: Metas y Avances en Electromovilidad
Figura 22: Metas Electromovilidad Chile
Anexo 2: Diseño Típico de Osmosis Inversa
Figura 23: Diseño típico de osmosis inversa
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Departamento de Ing. Mecánica
Cátedra MEC385
Segundo Semestre 2021
Anexo 3: Crecimiento del Mercado de Hidrógeno
Figura 24: Crecimiento del mercado de de hidrógeno estimado a nivel global
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Universidad Técnica Federico Santa María
Departamento de Ing. Mecánica
Cátedra MEC385
Segundo Semestre 2021
Anexo 4: Líneas con sus Respectivas Composiciones
Tabla 2: Flujos másicos en la planta
Anexo 5: Diagrama de Mollier
Figura 25: Diagrama de Mollier
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Departamento de Ing. Mecánica
Cátedra MEC385
Segundo Semestre 2021
Anexo 6: Proceso de compresión
Tabla 3: Estados termodinámicos del proceso de compresión
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