Nas Andriopoulos , Dominik Don , Joaquín Ubogui y Maurits Waardenburg, 1 de mayo de 2024. McKinsey
Los desarrolladores de hidrógeno podrían utilizar gemelos digitales para mejorar la viabilidad económica de los proyectos renovables y satisfacer la creciente demanda. Aquí ilustramos cómo, utilizando el hidrógeno renovable como ejemplo.
A medida que el mundo acelera sus planes de descarbonización, el hidrógeno renovable y sus derivados ofrecen una alternativa prometedora a los combustibles fósiles, pero hasta la fecha todavía no hay en funcionamiento plantas de producción de hidrógeno renovable a gigaescala (consulte el recuadro “Hidrógeno renovable y sus derivados”).CompartirBarra lateral
Hidrógeno renovable y sus derivados.
Se espera que la demanda de hidrógeno limpio aumente significativamente. Se podrían ampliar nuevas plantas para satisfacer esta creciente demanda, lo que podría requerir inversiones de 700 mil millones de dólares para mantener la trayectoria neta cero hacia 2030.1
Actualmente, la demanda de hidrógeno está impulsada en gran medida por las industrias de fertilizantes y refinación. La mayor parte del hidrógeno producido es hidrógeno gris y, en menor medida, azul.2Para respaldar las ambiciones netas cero, los desarrolladores e inversores podrían utilizar un plan técnico y financiero confiable que cuantifique el riesgo y pueda acelerar la ampliación de las plantas de hidrógeno verde. Los gemelos digitales, que pueden simular una planta física desde la etapa de planificación antes de su construcción hasta el final de su vida útil, podrían ayudar a reducir los riesgos de inversión, ahorrar costos y acelerar los cronogramas de los proyectos.
En este artículo, destacamos los obstáculos que impiden la construcción de plantas de producción de hidrógeno renovable a gran escala y exploramos cómo los desarrolladores podrían superar, o al menos ayudar a abordar, estos desafíos mediante el uso de gemelos digitales.
Desafíos que enfrenta hoy la producción de hidrógeno renovable
El hidrógeno renovable sigue siendo una industria emergente que enfrenta obstáculos a corto plazo para aprovechar su potencial a largo plazo. La costosa infraestructura y el necesario almacenamiento de hidrógeno, así como la naturaleza variable de las propias fuentes de energía renovables, también ejercen presión sobre la economía de las plantas.3Recientemente hemos visto a los promotores luchar por confirmar las aprobaciones finales de subvenciones e inversiones en toda Europa y otras regiones.4
Las incertidumbres que rodean la tecnología, las tasas de interés, el esquema regulatorio, el mercado de consumo y la disponibilidad de electrolizadores actúan como obstáculos para lograr una producción a gran escala:
- Los electrolizadores son un componente central de cualquier proyecto de hidrógeno renovable. Recientemente, el gasto de capital (capex) requerido para los electrolizadores aumentó alrededor de un 70 por ciento, impulsado por los costos de financiamiento, mano de obra y materiales.5Las variaciones en disponibilidad, precio y rendimiento en un conjunto de opciones aumentan la complejidad de la planificación de proyectos.6Si bien hay opciones de menor costo disponibles para electrolizadores, más barato no siempre significa mejor. Por ejemplo, algunas de las primeras grandes plantas en funcionamiento ahora tienen un rendimiento inferior al de sus cargas mínimas. Esto significa que si la producción de energía cae por debajo del 50 por ciento, estas plantas tienen que apagar los electrolizadores y retirarlos para realizar mantenimiento para resolver el problema.7En el futuro, esto puede cambiar, pero los desarrolladores enfrentan decisiones difíciles. Deben considerar el equilibrio entre gasto de capital y rendimiento, así como el tamaño y la secuencia de los electrolizadores utilizados en la planta.
- Los inversores requieren un alto nivel de confianza para tomar una decisión final de inversión (FID) debido a los riesgos asociados con los proyectos a megaescala. Los desarrolladores se beneficiarán si pueden asegurar la adquisición desde el principio del proceso. Una vez que se garantiza la adquisición (idealmente un mínimo del 50 al 70 por ciento de la producción), resulta más fácil obtener financiación y aumentar la confianza de los inversores. Sin embargo, en un entorno de tasas de interés elevadas, se ha vuelto más difícil asegurar un costo de deuda suficientemente bajo como para permitir tasas internas de rendimiento (TIR) de las acciones atractivas. Esto ha llevado a algunos desarrolladores a buscar menos deuda y exigir una mayor proporción de capital, lo que generalmente aumenta los costos iniciales del compromiso de capital entre un 10 y un 25 por ciento.8
- Si bien las legislaciones recientes crean un entorno favorable para impulsar la demanda de hidrógeno renovable, comprender múltiples marcos regulatorios puede resultar un desafío para los desarrolladores. Las definiciones y requisitos para la producción (por ejemplo, con respecto a la intensidad de carbono y dónde pueden ubicarse las instalaciones de producción, y cómo coinciden con la producción y el consumo de electricidad) difieren entre regiones, lo que obliga a los productores de hidrógeno a considerar una amplia gama de diseños y planes operativos para tener una producto compatible para múltiples mercados. La legislación para impulsar la producción de hidrógeno limpio incluye la Ley Bipartidista de Infraestructura de EE. UU. de 2021 y la Ley de Reducción de la Inflación de 2022 (IRA) de EE. UU., las cuales podrían requerir una integración más estrecha entre las fuentes de energía renovables y la planta.9Mientras tanto, la Directiva de Energía Renovable de la UE (RED III) exige que el hidrógeno cumpla con los combustibles renovables de origen no biológico (RFNBO), lo que introduce su propio conjunto de requisitos sobre la adicionalidad de la energía renovable y la adecuación de la energía renovable utilizada y la producción de hidrógeno.
Para que los megaproyectos obtengan luz verde para su desarrollo, los proyectos podrían diseñarse para garantizar los costos de producción más bajos posibles durante la vida útil de la planta, dentro de algunas de las limitaciones descritas anteriormente. Un gemelo digital puede ayudar a lograrlo, ya que puede evaluar cientos o miles de opciones y combinaciones de componentes para optimizar el diseño de la planta y aumentar la confianza de los inversores. La mayor parte de los costos operativos de la planta durante su vida útil se fijan durante el diseño, y un gemelo digital respalda la toma de decisiones en las primeras etapas del proceso, antes de que se construya la planta.
Cómo los gemelos digitales desbloquean valor
¿Qué es un gemelo digital?
A pesar de los desafíos, el impulso del megaproyecto de hidrógeno está ganando impulso a medida que los pioneros hacen la transición al diseño y la ingeniería anteriores a la FID. Los desarrolladores globales ahora están buscando formas de solidificar sus casos de negocios, y los gemelos digitales pueden desempeñar un papel importante en este sentido (consulte el recuadro «¿Qué es un gemelo digital?»).
Reducir los costos de producción
Aprovechando las técnicas de análisis probabilístico avanzado (AA) y de IA generativa (gen AI), los gemelos digitales pueden ayudar a aclarar la viabilidad del proyecto cuantificando el impacto de factores externos en el desempeño económico de un diseño de proyecto potencial durante su vida útil operativa. Al adoptar plenamente los gemelos digitales, los costos de producción (LCOx) podrían reducirse entre un 5 y un 15 por ciento (Gráfico 1).
Gráfico 1
Estudio de caso: Cómo una empresa energética global optimizó el diseño de su planta de amoníaco renovable
Algunos desarrolladores ya están controlando los costos de producción mediante el uso de un gemelo digital para cuantificar los riesgos y garantizar que las inversiones tengan la mayor probabilidad de generar los retornos deseados. Por ejemplo, una empresa energética mundial con una serie de megaproyectos de hidrógeno y amoníaco renovables pudo identificar un potencial de mejora del VPN de 500 millones de dólares (consulte el recuadro “Estudio de caso: Cómo una empresa energética mundial optimizó el diseño de su planta de amoníaco renovable”).
Optimización del diseño de la planta
El poder de un gemelo digital radica en su capacidad para evaluar rápidamente las complejidades de la planta, identificar configuraciones optimizadas y comparar alternativas frente a un conjunto de limitaciones (por ejemplo, requisitos reglamentarios para el hidrógeno verde). Puede investigar todas las posibles estrategias de diseño alternativas, como diferentes tamaños de almacenamiento, múltiples electrolizadores y sus rendimientos, y configuraciones de equilibrio de planta (BoP), y puede explorar un espacio de soluciones más amplio mediante el uso de optimización de IA para el modelado de procesos.
Por ejemplo, los gemelos digitales pueden simular y comparar el rendimiento de múltiples tipos de electrolizadores en diferentes condiciones, lo que aumentará la confianza en el diseño planificado de la planta. Para algunos proyectos, podría ser beneficioso «sobredimensionar» la capacidad del electrolizador, mientras que otros pueden requerir más flexibilidad para equilibrar la capacidad del electrolizador con la capacidad de almacenamiento.
Los gemelos digitales pueden mejorar el diseño donde los enfoques tradicionales a menudo no son suficientes y pueden ayudar a resolver compensaciones complejas inherentes al diseño e ingeniería de plantas eléctricas, como la firmeza energética, el factor de carga o la selección de subcomponentes. A continuación se proporcionan algunos ejemplos.
Firmeza energética: Los gemelos digitales pueden ayudar a resolver compensaciones complejas en la firmeza energética al comparar las fuentes de energía intermitentes de menor costo con la necesidad de almacenamiento de energía o reafirmación de la red. Esto puede lograr el equilibrio entre una producción altamente firme y un mayor costo nivelado de la electricidad (LCOE).
Factor de carga: los gemelos digitales pueden ayudar a los desarrolladores a comprender el impacto de la degradación de la pila de electrolizadores en el costo nivelado del hidrógeno (LCOH) mientras definen una estrategia operativa. Esto incluye definir el factor de carga de los diferentes módulos o conjuntos de la planta de electrólisis. Esto puede luego incorporarse directamente a las instalaciones operativas y a la estrategia de mantenimiento planificada.
Integración del diseño de procesos: cuando se opera un proceso industrial a gran escala (como la reducción directa de hierro, Fischer-Tropsch, Haber-Bosch o Sabatier), un alto tiempo de actividad y una operación continua del proceso son fundamentales para la estabilidad y eficiencia del reactor. Sin embargo, las energías renovables son inherentemente intermitentes. El mayor impulsor del LCOx de la planta es el diseño del sistema de extremo a extremo, de energía a moléculas, que equilibra el gasto de capital en fuentes de energía renovables, los almacenes intermedios y el tiempo de actividad del reactor. Los gemelos digitales pueden evaluar y optimizar rápidamente el tamaño potencial de todos los elementos del sistema, incluso teniendo en cuenta elementos probabilísticos, como patrones climáticos, fallas de equipos y programas de evacuación.
Selección de subcomponentes: La selección de la balanza de pagos es un factor importante en el gasto de capital y los gastos operativos (opex) del sistema. Los gemelos digitales pueden ayudar a los desarrolladores a elegir entre opciones de equipos y componentes. Por ejemplo, el modelado puede mostrar si es mejor para la economía de la planta buscar menos componentes y más grandes (como compresores o bombas) con puntos de falla concentrados o instalar muchos módulos de componentes más pequeños e incorporar redundancia adicional en el proceso.
Tamaño del almacenamiento del producto: El almacenamiento de hidrógeno es costoso y se pueden explorar diferentes opciones. Por ejemplo, un desarrollador puede invertir en una capacidad de almacenamiento de hidrógeno o amoníaco más pequeña con un gran riesgo de parada, o podría elegir un buffer de almacenamiento más grande y asumir el costo relacionado. Esto se puede modelar para integrarlo con cronogramas de compra y negociaciones contractuales.
Maximizar el valor de un gemelo digital
Los gemelos digitales también pueden ofrecer beneficios mucho más allá del diseño y desarrollo iniciales. Cuando se configuran correctamente durante el diseño de la planta, los gemelos digitales pueden formar la base de una variedad de casos de uso a lo largo del ciclo de vida de la planta.
Operaciones: El diseño y las operaciones de la planta se consideran y optimizan inicialmente junto con un gemelo digital, proporcionando mayor claridad de las necesidades de operación y mantenimiento de la planta para mejorar la planificación. Esta tecnología también puede proporcionar una mayor certeza de costos sobre los gastos operativos de la planta por adelantado.
Financiamiento e inversión: Tener un gemelo digital confiable y probado podría hacer que las decisiones de financiamiento y de los inversores sean menos riesgosas, creando una mejor posición para mejorar las tasas de financiamiento y negociar contratos de compra.
Entrega de proyectos en serie: tener un gemelo digital establecido y una capacidad integrada puede permitir un desarrollo más rápido y de menor costo de todos los proyectos futuros, y permitir a los desarrolladores probar rápidamente si los conceptos del proyecto son viables. Por ejemplo, al priorizar dos proyectos, se pueden modelar y evaluar virtualmente rápidamente. Los desarrolladores pueden reutilizar sus conceptos para todos los proyectos futuros y pueden decidir desde el principio del proceso qué proyectos impulsar y cuáles detener inmediatamente.
Finanzas y gestión: se puede crear un panel de control personalizado y personalizado para proporcionar información de fácil acceso para una variedad de partes interesadas de alto nivel, respaldando la negociación y las revisiones de las etapas del proyecto, así como la presentación de informes periódicos una vez que esté en funcionamiento.
Auditoría: Los gemelos digitales pueden incluso utilizarse como base para auditorías internas y externas, por ejemplo, contrastando los acontecimientos reales de una parada en frío inesperada de una planta con las respuestas del modelo. También pueden proporcionar una economía sólida y con visión de futuro para otras opciones operativas.
El hidrógeno renovable es un recurso muy necesario para ayudar al mundo a alcanzar sus objetivos de descarbonización. Con el avance hacia los megaproyectos de hidrógeno, es fundamental asegurarse de que las plantas estén diseñadas de la manera más económica para ayudar a asegurar las inversiones y alcanzar la FID. La tecnología de gemelos digitales no solo puede ayudar a reducir los costos de inversión iniciales, sino también impulsar la eficiencia durante la vida útil de la planta.
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SOBRE LOS AUTORES)
Nas Andriopoulos es consultor en la oficina de McKinsey en Londres; Dominik Don es socio asociado de la oficina de Munich; Joaquín Ubogui es consultor de la oficina de Buenos Aires; y Maurits Waardenburg es socio de la oficina de Nueva York.
Los autores desean agradecer a Bernd Heid, Alex Joseph, Dieter Kiewell, Simon Norambuena, Dara Olufon, Micah Smith, Fransje van der Marel y Markus Wilthaner por sus contribuciones a este artículo. Además, desean agradecer a Max Benham, Hollis Bond, Pedro Castillo y Michael Strobel de AspenTech por sus contribuciones.
