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331 F u n d a d a e n 1 9 6 2 S O C I E D A D G E O L O G I C A D E C H I L E la serena octubre 2015 Energías renovables e hidrógeno como suministro energético de la industria minera Chilena. Lorenzo Reyes Bozo 1 , Carlos Fúnez Guerra 2 . 1 Departamento de Ciencias de la Ingeniería, Facultad de Ingeniería, Universidad Andrés Bello, Sazié 2315, Santiago, Chile. 2 Unidad de Consultoría, Montaje y Mantenimiento, Centro Nacional del Hidrógeno, Prolongación Fernando el Santo S/N. 13500, Puertollano, Ciudad Real, España. 1 email: [email protected] Resumen. La demanda energética del mercado eléctrico chileno ha presentado tasas de crecimiento anuales de un 5%. A su vez, el costo energético se ha incrementado un 193%, debido a la alta dependencia de combustibles fósiles importados. El Gobierno de Chile aprobó, en febrero de 2012, la Estrategia Nacional de Energía 2012-2030, que establece las medidas más relevantes que se llevarán a cabo -en los próximos años- en materia energética. El apoyo a la generación renovable y la eficiencia energética, son dos de los seis pilares, en torno a los que se estructura la estrategia. Chile ofrece una buena oportunidad para la generación renovable: en los próximos diez años, el mercado eléctrico chileno necesitará casi un 50% más de capacidad instalada. Las energías renovables deberán tener un rol preponderante en este incremento, pero los desafíos pueden ser insalvables si no se cuenta con una adecuada estrategia. En este trabajo se analiza la necesidad energética del sector minero, se estudian las posibilidades existentes para suministrar esa energía mediante energías renovables y se va a identificar el papel que el hidrógeno puede jugar como almacén energético o como elemento clave que permita la adecuada gestión de las instalaciones de energías renovables. Palabras Claves: almacenamiento energético, energías renovables, hidrógeno, minería. 1 Introducción. De acuerdo a estadísticas de la Comisión Chilena del Cobre (Cochilco, 2014a; 2014b; 2014c), el consumo de energía eléctrica de la industria del cobre aumentaría en un 80%, a 2025. Se proyecta que la minería del cobre pase de un consumo de energía de 22 TW/h a 40 TW/h en los próximos diez años, y si se concretaran todos los proyectos mineros en cartera, la cifra podría llegar a 45 TW/h, lo que significaría un alza superior a 100%. En las Figuras 1 y 2 se puede observar el consumo de energía para el período 2001-2013 y la proyección de consumo de energía hasta el año 2025, relacionando ese consumo de energía con la producción de cobre de mina. Chile importa el 60% de su energía primaria (Ministerio de Energía, 2013), por lo que es un país subordinado a la inestabilidad y volatilidad de los precios en los mercados internacionales y las restricciones de abastecimiento que se produzcan por fenómenos políticos, climáticos o de mercado. Adicionalmente, Chile importa el 97% de los hidrocarburos que requiere y su matriz energética se compone en 40 por ciento de hidroelectricidad y el resto de combustibles fósiles y contaminantes, a través de centrales termoeléctricas (CDEC-SIC, 2013). Figura 1. Consumo nacional de energía en la minería del cobre VS producción cobre de mina (2001-2013). Fuente: Elaboración propia. Figura 2. Proyección del consumo nacional de energía en la minería del cobre VS producción cobre de mina (2014-2025). Fuente: Elaboración propia. Los últimos diez años en Chile han estado marcados por el corte de gas natural desde Argentina, severos y largos períodos de sequía, dificultades en la concesión de permisos ambientales, insuficiente entrada de proyectos y de nuevas empresas en el área de generación y escasa inversión en infraestructura en esa misma área y también en transmisión eléctrica. Todo esto se ha traducido en estrechez de la oferta de suministro eléctrico, con altos costos marginales y precios a cliente final que reflejan un desarrollo ineficiente del sistema, lo que se ha agravado en los últimos años. 4.000 4.200 4.400 4.600 4.800 5.000 5.200 5.400 5.600 5.800 6.000 35.000 40.000 45.000 50.000 55.000 60.000 65.000 70.000 75.000 80.000 85.000 90.000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Producción Chilena de cobre de mina (miles de TM) Consumo energía, combustible y electricidad (TJ) COMBUSTIBLES (TJ) ELECTRICIDAD (TJ) PRODUCCION COBRE DE MINA (Miles de TM) 5.000,0 5.500,0 6.000,0 6.500,0 7.000,0 7.500,0 8.000,0 8.500,0 9.000,0 70.000 80.000 90.000 100.000 110.000 120.000 130.000 140.000 150.000 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 Proyección producción cobre ce mina (Miles de TM) Proyección consumo enegeía eléctrica (TJ) ELECTRICIDAD (TJ) PRODUCCION DE COBRE DE MINA (Miles de TM)

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Fundada en 1962

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la serena octubre 2015

Energías renovables e hidrógeno como suministro energético de la industria minera Chilena. Lorenzo Reyes Bozo1, Carlos Fúnez Guerra2. 1 Departamento de Ciencias de la Ingeniería, Facultad de Ingeniería, Universidad Andrés Bello, Sazié 2315, Santiago, Chile. 2 Unidad de Consultoría, Montaje y Mantenimiento, Centro Nacional del Hidrógeno, Prolongación Fernando el Santo S/N. 13500, Puertollano, Ciudad Real, España. 1 email: [email protected] Resumen. La demanda energética del mercado eléctrico chileno ha presentado tasas de crecimiento anuales de un 5%. A su vez, el costo energético se ha incrementado un 193%, debido a la alta dependencia de combustibles fósiles importados. El Gobierno de Chile aprobó, en febrero de 2012, la Estrategia Nacional de Energía 2012-2030, que establece las medidas más relevantes que se llevarán a cabo -en los próximos años- en materia energética. El apoyo a la generación renovable y la eficiencia energética, son dos de los seis pilares, en torno a los que se estructura la estrategia. Chile ofrece una buena oportunidad para la generación renovable: en los próximos diez años, el mercado eléctrico chileno necesitará casi un 50% más de capacidad instalada. Las energías renovables deberán tener un rol preponderante en este incremento, pero los desafíos pueden ser insalvables si no se cuenta con una adecuada estrategia. En este trabajo se analiza la necesidad energética del sector minero, se estudian las posibilidades existentes para suministrar esa energía mediante energías renovables y se va a identificar el papel que el hidrógeno puede jugar como almacén energético o como elemento clave que permita la adecuada gestión de las instalaciones de energías renovables. Palabras Claves: almacenamiento energético, energías

renovables, hidrógeno, minería. 1 Introducción. De acuerdo a estadísticas de la Comisión Chilena del Cobre (Cochilco, 2014a; 2014b; 2014c), el consumo de energía eléctrica de la industria del cobre aumentaría en un 80%, a 2025. Se proyecta que la minería del cobre pase de un consumo de energía de 22 TW/h a 40 TW/h en los próximos diez años, y si se concretaran todos los proyectos mineros en cartera, la cifra podría llegar a 45 TW/h, lo que significaría un alza superior a 100%. En las Figuras 1 y 2 se puede observar el consumo de energía para el período 2001-2013 y la proyección de consumo de energía hasta el año 2025, relacionando ese consumo de energía con la producción de cobre de mina. Chile importa el 60% de su energía primaria (Ministerio de Energía, 2013), por lo que es un país subordinado a la

inestabilidad y volatilidad de los precios en los mercados internacionales y las restricciones de abastecimiento que se produzcan por fenómenos políticos, climáticos o de mercado.! Adicionalmente, Chile importa el 97% de los hidrocarburos que requiere y su matriz energética se compone en 40 por ciento de hidroelectricidad y el resto de combustibles fósiles y contaminantes, a través de centrales termoeléctricas (CDEC-SIC, 2013).

Figura 1. Consumo nacional de energía en la minería del cobre VS producción cobre de mina (2001-2013). Fuente: Elaboración propia.

Figura 2. Proyección del consumo nacional de energía en la minería del cobre VS producción cobre de mina (2014-2025). Fuente: Elaboración propia. Los últimos diez años en Chile han estado marcados por el corte de gas natural desde Argentina, severos y largos períodos de sequía, dificultades en la concesión de permisos ambientales, insuficiente entrada de proyectos y de nuevas empresas en el área de generación y escasa inversión en infraestructura en esa misma área y también en transmisión eléctrica. Todo esto se ha traducido en estrechez de la oferta de suministro eléctrico, con altos costos marginales y precios a cliente final que reflejan un desarrollo ineficiente del sistema, lo que se ha agravado en los últimos años.

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En la Figura 3 se detalla la capacidad instalada, demanda máxima y el tipo de demanda de cada una de las cuatro partes en las que se divide el sistema eléctrico Chileno. En la Figura 4, se identifican las diferentes centrales de generación existentes en SING y SIC que son las más representativas.

Figura 3. Estructura del sistema eléctrico Chileno. Fuente: Ministerio de Energía del Gobierno de Chile.

Figura 4. Situación de las centrales de generación a finales de 2013. Fuente: Ministerio de Energía del Gobierno de Chile. El Gobierno de Chile aprobó, en Febrero de 2012, la Estrategia Nacional de Energía 2012-2030, que establece las medidas más relevantes que se llevarán a cabo en los próximos años en materia energética. Dicha estrategia, tiene como objetivos fundamentales:

•! Uso de los recursos naturales que Chile posee. •! Diversificación de la matriz energética. •! Mayor independencia energética. •! Reducción de emisiones.

Se puede destacar, el aumento de las energías renovables no convencionales (ERNC) a un 20% para el 2025 (Figura

5) y mecanismo de licitaciones de bloques ERNC, que es un mecanismo de incentivo competitivo, que permite mejorar las condiciones de financiamiento para los desarrolladores de proyectos ERNC.

Figura 5. Objetivos planteados por la Estrategia Nacional de Energía. Fuente: Elaboración propia. 2 Energías renovables de mayor interés. Además de la energía hidroeléctrica, que tiene un gran desarrollo y capacidad instalada en el SIC de Chile, se considera que la energía solar fotovoltaica y solar termoeléctrica tiene gran aplicación a Chile por condiciones geográficas y climatológicas. Ejemplo de ello, es que los niveles de radiación solar en el desierto de Atacama son los más altos del mundo (entre siete y 7,5 kWh/m2), según el estudio de contribución de ERNC al SIC al 2025 de la Universidad Técnica Federico Santa María de Chile (2009). Si se instalarán en esta zona paneles fotovoltaicos, cubriendo un área de 400 kilómetros cuadrados, se podría abastecer todo el consumo eléctrico nacional. En el crecimiento del mercado chileno está jugando un papel muy importante la industria minera, que con una participación aproximada del 35%, es el mayor consumidor de energía eléctrica del país. Las compañías mineras requieren energía, a buen precio, para ser competitivas. Además, las principales faenas productivas están ubicadas en el norte de Chile donde, precisamente, la radiación solar es mayor y la energía y las infraestructuras eléctricas escasean, con lo que el uso de energías renovables para suministrar energía eléctrica a las empresas mineras tiene elevado interés. El principal problema de la energía solar fotovoltaica y termoeléctrica es la gestionabilidad de las mismas, para lo cual es de gran interés poder usar sistemas de almacenamiento de energía que hagan este tipo de plantas gestionables, entre los que se encuentra el hidrógeno. 2.1 Energía solar fotovoltaica. Varios factores explican el auge del sector fotovoltaico en Chile. Para empezar, la materia prima es abundante. Los niveles de irradiación superan entre un 30% y 40% los de países como España e Italia. En el norte del país ya se alcanza la paridad de generación fotovoltaica. Esto significa que los requerimientos de rentabilidad de un inversor son cubiertos por completo con los precios del mercado mayorista. En otras palabras, no

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hacen falta subsidios para garantizar la rentabilidad de los proyectos. Con ello, es suficiente con vender la energía a precio de mercado, donde la fotovoltaica es más competitiva. Se puede observar que mientras que la energía generada por diesel se vende en el mercado mayorista a un precio de entre 200 y 300 dólares por MWh, la producida en huertos solares cuesta entre 90 y 130 dólares (Herrera et al., 2012). Como datos importantes, se remarca que la potencia instalada que suman los proyectos solares fotovoltaicos en operación en el país es de 189 MW. A estos se añadirán otros 460 MW de proyectos en fase de construcción. El 30% de la energía que producirá la fotovoltaica en Chile cuando se conecten los 460 MW en fase de construcción se venderá a compañías mineras. 2.2. Energía solar termoeléctrica. La energía termosolar está retrasada con respecto a la energía solar fotovoltaica, en lo que a implantación en Chile se refiere. La diferencia es que la energía fotovoltaica utiliza la luz solar para generar electricidad y no es almacenable, mientras que la termosolar usa el calor del sol para generar energía y es almacenable. Recientemente ha comenzado la construcción de la primera planta termosolar de Latinoamérica. Se ubicará en el Cerro Dominador de la región de Antofagasta. A diferencia de otros proyectos, este sistema no utiliza paneles sino una serie de 10.600 espejos (heliostatos) de 140 m2 de tamaño que reflejan la luz y el calor del Sol a una sola torre, una gran estructura de 250 metros capaz de captar y retener toda esta energía por cerca de 18 horas, teniendo una potencia total de 110 MW. Esta planta funcionará en sólo 700 hectáreas del desierto de Atacama. Si se utilizara un 1% de este terreno total se podrían producir 16.000 MW. 3 El hidrógeno como almacén energético de

energías renovables. Las energías renovables tienen muchas ventajas (son inagotables, no producen emisiones de gases de efecto invernadero, favorecen la disminución de la dependencia externa de energía, generan empleo, generan desarrollo regional, etc.), pero ¿tienen algunos inconvenientes (la gran variabilidad de los recursos renovables, la difícil predicción de éstos y la dificultad de ajustar la producción a la demanda). Para facilitar la incorporación al mercado de las energías renovables es fundamental potenciar las ventajas y minimizar los inconvenientes. Para mitigar la mayoría de los inconvenientes, es necesario utilizar sistemas de almacenamiento de energía. Actualmente, existen diversos sistemas de almacenamiento en función de la cantidad de energía acumulada y tiempo de almacenamiento necesario. El almacenamiento de energía permite solventar la mayoría de los problemas

ligados a la generación renovable, más concretamente: (1) permite gestionar la energía generada por las plantas de energías renovables mejorando su precio de venta en el mercado eléctrico; (2) posibilita el ajuste de la producción a las previsiones de producción, además de conseguir una garantía de producción en las horas punta de demanda eléctrica; (3) permite aumentar el nivel de penetración de la energía renovable en el mercado, posibilitando que ésta sea gestionable. Existen diferentes formas de almacenamiento de energía renovable, siendo el hidrógeno una de las más prometedoras. El hidrógeno es un vector energético, es decir, no existe libre en la naturaleza y debe obtenerse a partir de una fuente primaria, si bien, existen numerosas fuentes y tecnologías de producción de hidrógeno. Así, el hidrógeno es uno de los vectores energéticos con mayores ventajas ambientales ya que su combustión no produce emisiones contaminantes y su producción tendrá un impacto medioambiental mayor o menor en función de la energía que se emplee para generarlo. Así, si se obtiene mediante energías renovables, el impacto ambiental que provoca es mínimo. Por esta razón, en la actualidad existe un gran interés en el desarrollo de proyectos en los que se utiliza el hidrógeno, generado a partir de energías renovables, como almacén energético. 3.1 Hidrógeno como almacenamiento de energía

en plantas solares fotovoltaicas. En las plantas solares fotovoltaicas, la generación de energía eléctrica es directamente proporcional a la radiación solar existente. Dicha radiación solar es alternante, con lo que existen momentos en los que la generación de energía renovable es mayor que la demanda y momentos en los que la demanda es mayor que la generación renovable. Para almacenar los excesos de energía renovable y poder usarlos en los momentos en los que existe un déficit de energía renovable, utilizando el hidrógeno como almacenamiento, es necesario implantar un electrolizador, una pila de combustible y un sistema de almacenamiento de hidrógeno. Para este tipo de aplicación, se suelen utilizar electrolizadores alcalinos, pilas de combustible PEM y almacenamientos a presión o mediante hidruros metálicos. Implementando un sistema de almacenamiento de hidrógeno en una planta solar fotovoltaica mejorará su gestionabilidad y aumentará su eficiencia global. Adicionalmente, se generarán subproductos de elevado interés como oxígeno (de elevada pureza y alto valor de mercado), agua (que se puede aprovechar para alimentar al electrolizador, cerrando de esta forma el ciclo) y calor (que se puede aprovechar para industrias cercanas). (Figura 6). 3.2 Hidrógeno como almacenamiento de energía

en plantas termosolares. El funcionamiento de una planta termosolar es similar al de una central térmica, pero en lugar de carbón o gas

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utiliza la energía del sol. Los rayos solares se concentran mediante espejos en un receptor que alcanza temperaturas de hasta 1.000 ºC. Este calor se usa para calentar un fluido y generar vapor, que mueve una turbina y produce la electricidad. Aunque las primeras centrales sólo podían operar durante las horas de irradiación solar, hoy en día es posible almacenar el calor para producir de noche.

Figura 6. Planta solar fotovoltaica con almacenamiento de energía mediante hidrógeno. Fuente: Elaboración propia. A día de hoy, en las centrales termosolares, existen varias posibilidades de almacenamiento, pero siempre como energía térmica, el paso anterior a la producción de electricidad. La mayor parte de las centrales termosolares utilizan sales inorgánicas fundidas como sistema de almacenamiento. El esquema del circuito se describe en la Figura 7.

Figura 7. Planta termosolar con sistema de almacenamiento mediante sales inorgánicas fundidas. Fuente: www.protermosolar.com. En la actualidad, se estudia la posibilidad de utilizar hidrógeno como sistema de almacenamiento de las centrales termosolares. En concreto, se plantea suprimir los tanques de sales inorgánicas fundidas por un ciclo de hidrógeno, que podría disponer de un sistema de almacenamiento basado en hidruros de magnesio. Las centrales termosolares sobredimensionan el campo de captación para poder almacenar la energía del día para usarla por la noche. Sin embargo, en el caso de su integración con almacenamiento mediante hidrógeno, la radiación solar se transformaría en electricidad, y la electricidad excedente se transformaría en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno se almacenaría en los hidruros de magnesio para posteriormente ser utilizado mediante turbina de hidrógeno, pila de combustible u otro elemento transformador de la energía química del hidrógeno en energía térmica y eléctrica, que se inyectaría en la red en los momentos en los que la demanda fuera superior a la

generación renovable. La ventaja de este sistema con respecto al que usa sales fundidas es que se puede almacenar energía en función del tamaño del sistema de almacenamiento de hidruros de magnesio (Figura 8) y que la energía se puede almacenar por un periodo de tiempo mayor que las sales inorgánicas fundidas convencionales.

Figura 8. Planta termosolar con sistema de almacenamiento mediante hidrógeno. Fuente: Elaboración propia. Respecto al sistema de almacenamiento, el magnesio es un elemento abundante, barato, ligero y que absorbe grandes cantidades de hidrógeno (7,6% en peso) formando hidruro de magnesio (MgH2). Los hidruros formados son compuestos muy estables con procesos de absorción y desorción de hidrógeno muy lentos, lo que significa que se necesita una temperatura elevada (~300ºC) para extraer e introducir el hidrógeno con velocidades adecuadas. Esta elevada temperatura necesaria para que los procesos de absorción y desorción sean adecuados, es lo que hace que este sistema de almacenamiento tenga un buen ensamble en las plantas termosolares, pues el fluido térmico utilizado en el campo solar trabaja a temperaturas similares. 4. Conclusiones. Chile tiene requerimientos energéticos crecientes, sobre todo en la zona norte, que es donde se concentra la actividad minera. Chile posee condiciones climatológicas apropiadas para el aprovechamiento de la energía solar. Esta energía, necesita sistemas de almacenamiento para hacerlas gestionables, siendo el hidrógeno un buen sistema de almacenamiento. Referencias. CDEC-SIC, Centro de Despacho Económico de Carga Sistema

Interconectado Central, 2013. Estadísticas de Operación 2003-2012, Santiago, Chile.

Cochilco, Comisión Chilena del Cobre, 2014a. Anuario de estadísticas del cobre y otros minerales 1994-2013, Santiago, Chile.

Cochilco, Comisión Chilena del Cobre, 2014b. Inversión en la minería Chilena: Cartera de Proyectos 2014-2023, Santiago, Chile.

Cochilco, Comisión Chilena del Cobre, 2014c. Proyección del consumo de electricidad en la minería del cobre 2014-2025, Santiago, Chile.

Herrera, C.; Román, R.; Sims, D. 2012. El costo nivelado de energía y el futuro de la energía renovable no convencional en Chile:

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AT 2 geología económica y recursos naturales

derribando algunos mitos. NRDC, Natural Resources Defense Council, 2012.

Ministerio de Energía, 2013. Balance Nacional de Energía 2012, Santiago, Chile.

UTFSM, Universidad Técnica Federico Santa María, 2009. Estudio de contribución de ERNC al SIC al 2025, Valparaíso, Chile.