J. R. MORANTE I IREC-Cerca Institut de Recerca en Energia de Catalunya
HECTOR SANTCOVSKY I Sociòleg i Expert en polítiques de desenvolupament i sostenibilitat
La mobilitat és un dels sectors més productius, tant en la fabricació d'equips, com en el seu constant desenvolupament de noves tecnologies, donant lloc a importants canvis en les opcions de transport així com en la logística.
Abstract
A Catalunya el transport de mercaderies està a prop de les 50 tones per habitant i al voltant d'1,5 tones per cada 1000 euros del PIB. Més del 75% es duu a terme per carretera amb una flota de camions i furgonetes de 750.000 unitats, a part d’un parc de més de 170.000 vehicles pel transport de passatgers. Això fa que el sector de la logística i del transport sigui una part molt significativa del PIB català.
A diferència d’altres sectors econòmics, aquest es veu totalment afectat per la necessitat de “desfossilització”, donat que es basa essencialment en l’ús del dièsel en una quantitat que equival a més del 15% del total de l’energia consumida a Catalunya i unes emissions de diversos milions de tones de CO2 dels 40M de tones emeses per Catalunya. L’evolució en aquest sector està lligada a les infraestructures així com a les inversions, CAPEX, i als costos d’operació, OPEX.
En aquest article s'exposa l’estat actual de les tecnologies elèctriques en base a bateries o piles de combustible (hidrogen) i es presenta un breu anàlisi sobre els paràmetres i condicionants que contribueixen a determinar la paritat, €/Km, d’aquestes tecnologies amb relació al dièsel, al biometà o als combustibles sintètics.
Introducció
La mobilitat és un dels sectors més productius, tant en la fabricació d'equips, com en el seu constant desenvolupament de noves tecnologies, donant lloc a importants canvis en les opcions de transport així com en la logística. Segons CIMALSA, aquest sector representa el 14,4% del PIB total de Catalunya amb 62.000 milions d'euros el 2023. Aquestes dades són molt importants per tal de valorar els reptes que té el sector davant de la necessària desfossilització a dur a terme des d’ara fins al 2050.
El gran repte és identificar els vectors energètics “desfossilitzats” que podrien operar com a solucions. Quelcom més realista és que hagin de conviure diferents sistemes energètics adequats a cada necessitat de mobilitat i a cada tipologia de vehicle. Aquesta aparent “indefinició” respon a factors que estan relacionats amb diversos aspectes com la maduresa del sistema energètic, els recursos econòmics necessaris d’inversió pública i privada, ja sigui per a la fabricació del vehicle com per a les infraestructures necessàries que ho han d’acompanyar, i els elements que conformen el context de la producció com són les inversions necessàries per a la innovació tecnològica del vehicle o del sistema energètic de propulsió del vehicle.
És clar que uns dels principals criteris per definir quin serà el sistema òptim per a la transició energètica en matèria de mobilitat porta a un debat sobre "l'eficiència" dels sistemes energètics que operen en cadascuna de les tipologies de vehicles. En aquest marc, es produeix un primer gran interrogant que bascula entre la urgència d'aconseguir els objectius marcats en les diferents cimeres sobre la transició energètica i l’exigència d’obtenir-ne resultats òptims des del punt de vista de la seva practicitat, immediatesa i grau d’eficiència del sistema. En qualsevol cas ens referim a la segona condició no perquè la primera no sigui important sinó perquè exigiria algunes variables que avui dia en els escenaris de futur ja no són ni riscos, ni amenaces, ni dubtes, sinó incerteses. És a dir, aspectes difícils d'incloure en l’estudi, tal com son els derivats dels condicionants geopolítics.
Eficiència i estalvi en la mobilitat pesada
Malgrat totes aquestes consideracions, la prioritat en la transició energètica és “l’eficiència” i aquest paràmetre esdevé essencial per a valorar la situació del transport pesat. Aixi doncs, “l’eficiència” energètica global màxima, considerant de partida una font elèctrica renovable, s’obté en un motor elèctric alimentat per una bateria, BEV. En aquest cas, l’eficiència global supera el 80% mentre que si és alimentat des d'una pila de combustible, FCEV, tot just supera el 30% global (~ 65% considerant tant sols la pila de combustible), quedant lleugerament per sobre de l’eficiència d’aprofitament energètic directa en els motors de combustió interna, ICE, com el dièsel.
A part d’aquesta diferència en eficiència energètica, també s’han de tenir present les densitats energètiques, tant gravimètriques (taula 1) com volumètriques, d’aquestes tres solucions que condicionen el pes i el volum d’ocupació de la font energètica transportable i en conseqüència l’autonomia del vehicle. Totes aquestes característiques esdevenen molt crítiques pel transport pesat, (camions, trens, maquinària, carretons elevadors, grues...) amb requeriments de potència i autonomia molt més estrictes que pel transport lleuger urbà.
Tecnologia | Densitat energètica gravimètrica |
FCEV: Electricitat Hidrogen | 33.300Wh/Kg |
ICE: Gasolina (segons octanatge) | 12.200Wh/Kg |
BEV: Electricitat Bateries liti | <300 Wh/Kg |
Taula 1: densitats energètiques
Considerant, com exemple-guia, l’anàlisi d’un camió de gran tonatge amb un consum energètic optimitzat de 1,5 KWh/Km, per tenir una autonomia de 1000 Km segons les densitats energètiques i eficiències anteriors indicades, caldria disposar de les capacitats d’acumulació d’energia expressades en la taula 2 per cada una de les tecnologies.
Tecnologia | Capacitat emmagatzematge/pes segons eficiència i profunditat descàrrega bateria. 1000Km | Temps de recàrrega /Potència elèctrica per disposar de 1500KWh útils |
FCEV | 71Kg (hidrogen) | minuts |
ICE | 483 litres aprox. 416Kg (dièsel) | minuts |
BEV | 2,2MWh aprox. >7,5tones (aplicant regles DoD i SOC) | 20 minuts Potencia > 6,6MW 1hora Potencia > 2,2MW |
Taula 2: capacitats d’emmagatzematge d’energia i temps de recàrrega. Quantitats estimades dins de rangs d’aproximació sobre les tecnologies actuals.
La primera observació deduïble d’aquesta taula és que mentre és molt factible destinar un espai del vehicle per tenir el dipòsit d'hidrogen, aquest espai esdevé una mica més limitant pel dipòsit de casi mitja tona de carburant i esdevé un seriós problema, pràcticament excloent degut a la grandària d’aquests valors, per disposar d’espais per les bateries que requereixen un lloc adequadament condicionat i amb seguretat. En el cas d’un tren, la solució hauria de passar per un vagó de bateries.
A partir d’aquí, les següent qüestions fan referència als costos especialment relacionats amb les bateries i l'hidrogen en comparació als vehicles tractors i al preu del combustible dièsel. Per totes aquestes tecnologies hi ha diferència pel que fa referència al capex i al opex.
1. BEV (bateries): El cost de bateries es pot referenciar, actualment segons mercat, sobre 150 €/kWh, pel que una bateria per assegurar una autonomia de 1000 km tindria un cost per sobre dels 330.000 € amb una vida mitjana de 2000 cicles de càrregues ràpides, és a dir, 6 anys i optimitzant menys de 8 anys. D'aquí el capex per tot el cap tractor se situa a 450.000 si bé al cap de 6 o 8 anys caldrà substituir les bateries amb un considerable extra cost després de fer els 2000 cicles equivalents en distancia a 1.200.000 km o 1.500.000 km.
El cost d'operació és causat pel cost de la recàrrega elèctrica. Per un costat el preu de l'energia elèctrica verda segons disponibilitat d'energia renovable de quilòmetre zero o segons disponibilitat de PPA. Per un altre costat, el preu d'amortització del sistema de càrrega amb una potència de més de 6, 6 MW. Sense entrar en un desenvolupament d'un pla de negoci que depèn de moltes circumstàncies i paràmetres, sí que es pot dir que, en total, la recàrrega ràpida de la bateria per fer 1000 quilòmetres pot situar-se per sobre de 1500 €, 1,5 €/km. Cal donar una ullada als preus comercials oferts de recàrrega ràpida per moltes empreses amb potències de carregar molt menors pensades i adequades per vehicles lleugers, 100 kW. Una altra situació seria estimar càrregues més lentes amb carregadors de menys potència, 200 kW o probablement 350 kW, en un futur pròxim, pels que faria falta immobilitzar el vehicle per exemple durant la nit (>6 hores) si bé els costos disminuirien apreciablement. A aquest valor en primera aproximació caldria afegir-li 0,33 €/km per cobrir l'amortització.
Tots aquests números poden anar-se modificant a mesura que els avanços en el preu de les bateries poden contribuir a augmentar la densitat energètica, disminuir els costos de producció i augmentar el nombre de cicles en càrrega ràpida o ultraràpida. Ara per ara hi ha encara molt camí a recórrer per assolir la paritat amb el dièsel amb els paràmetres del transport aquí utilitzats 1000 km autonomia.
2. ICE-Dièsel: En aquest cas un cap tractor requereix un capex de 150.000€. Per la seva part, els costos d’operació han de comprendre el cost del combustible, 1,5€/litre, i els costos de les emissions de CO2 que segons els valors ETS es situarien sobre 0,1€/Km. En alguns països les taxes sobrepassen aquest valor fins a 0,2€/Km. De nou sense entrar en desenvolupar un pla de negoci, en total, la utilització del dièsel per 1000 quilòmetres té un cost d’uns 825€ (725€+100€), 0,825€/Km. La vida mitjana comença a caure a partir dels 1.200.000, entre 5 i 8 anys segons quilometratges anuals. A aquest valor cal afegir 0,125€/Km.
3. FCEV (hidrogen): Donat que no hi ha fabricació en sèrie de caps tractors i que es un mercat incipient, es pot estimar que el cost d’un cap tractor es pot estimar pràcticament quasi 4 vegades més que pel cas del dièsel, és a dir, un vehicle FCEV té un capex per sobre de 500.000€.
Aquí la situació crítica és el cost del quilo d'hidrogen. Pels productors d'hidrogen verd, el cost depèn dels costos operatius de les seves instal·lacions i de l’amortització de la inversió duta a terme. També cal considerar els costos de transport fins a una hidrogen-linera. Hi ha diverses maneres d’obtenir hidrogen verd, però la més freqüent i usual és partir d’electrolitzadors.
Així, doncs, els costos operatius son essencialment el consum d’electricitat verda i estan condicionats de nou a la disponibilitat d'energia renovable de quilòmetre zero o a la disponibilitat d'un contracte PPA de subministrament. Per la seva part, els costos d’amortització atribuïbles per quilo d’hidrogen depenen del costos de les instal·lacions que estan baixant ràpidament de 2000€/KW a menys de 500€/KW i de la producció anual entre la que repartir la recuperació de la inversió. Aquesta depèn bàsicament de dos conceptes relacionats íntimament amb la tecnologia i les característiques dels electrolitzadors. Per una banda, depèn de la densitat del corrent de treball de l’electrolitzador i per altra, de l’eficiència, típicament de l'ordre del 65%. És a dir, per números cal estimar 50KWh d’energia renovable elèctrica per obtenir 1Kg d’hidrogen.
A la figura 1 es mostra una simulació de la caiguda dels costos del quilo d’hidrogen segon el cost del MWh suposant un treball contínuo de l’electrolitzador. En la figura 2 es mostren els costos de la part corresponent a l’amortització segons els seus paràmetres (€/KW, eficiència, densitat del corrent) estimant plantes de producció amb capacitat superior amb escreix a diversos MW, preferiblement per sobre dels 10MW, per considerar mínima la repercussió dels costos del personal de la planta sobre el preu del quilo d’hidrogen, <0,1€/Kg. Usualment els costos d’operació son sobre el 75% i els costos d’amortització i gestió sobre el 25% del cost final del quilo d’hidrogen.
Figura 1: cost d’operació pel quilogram d’hidrogen verd obtingut per via electròlisi en funció de l’eficiència i el cost del MWh d’energia elèctrica (dades IREC)
Figura 2: Cost del quilo d’hidrogen atribuïble a l’amortització en funció del cost invertit per KW en les instal·lacions i de la densitat de corrent de treball de l’electrolitzador. (dades IREC)
Típicament, tal com indica la figura 3, els costos d’operació son responsables entre el 70 i el 80% dels costos total de quilogram d’hidrogen i fluctuen segons els costos de distribució.
Aquestes dades revelen que solament és factible disposar d’hidrogen barat si es disposa d’energia renovable prou barata, per sota dels actuals contractes PPA, què és factible d’obtenir dins d’un nou marc geopolític mundial lligat a les zones "òptimes" en producció d’energia fotovoltaica o eòlica com succeeix a Espanya amb relació a Europa.
En aquesta direcció, el departament d’energia dels EEUU va llançar el 7 de juny del 2021 un agressiu programa anomenat “1x1x1”, 1 quilo d’hidrogen a 1 dòlar en 1 dècada dins del seu programa “Energy Earth-shot”, com a guia i esforç col·lectiu on adreçar tant les necessitats de la indústria com del transport. És clar que Estats Units es pot permetre desenvolupar una política d'aquesta naturalesa, cosa que no és comuna a tots els països del món, tot i això, hi ha dubtes en com transportar energies renovables en determinats moments de l'any del sud al nord del país per poder satisfer tant la demanda d’electricitat com la d’hidrogen.
Per arribar de manera més fàcil a aquestes fites és millor haver desenvolupat abans les energies renovables de quilòmetre zero amb costos molt barats. No obstant això, és interessant fer el càlcul al revés. Quin hauria de ser el cost del quilogram d’hidrogen per tenir paritat amb el dièsel tenint present que la vida mitjana d’un vehicle a pila de combustible, segons els seus fabricants, duplica la vida mitjana d’un cap dièsel i en certa manera els estalvis que això implica juntament amb els estalvis en el cost de l’energia haurien de contribuir a amortitzar la diferencia en el preu del cap tractor? En aquest cas, el cost per quilòmetre per amortitzar se situa en una primera aproximació a 0,2-0,4€/Km en funció dels canvis de la bateria elèctrica que porten. Per tant, considerant els valors d’amortització i taxes de CO2 donats més amunt pel dièsel, es dedueix que el cost de l’energia per quilòmetre hauria d’estar per sota dels 0,525€/Km per ser paritari amb els costos del dièsel. Aquesta senzilla i simple aproximació, considerant els valors de la taula 2, ens diu que si hi ha un preu del quilo d’hidrogen per sota d’un límit màxim de 7,4€/kg de H2,(~ 7€/Kg) equivalent a dir que la part de cost d’electricitat seria de l’ordre 110€/MWh amb eficiències de més del 65% en el procés de electròlisis i amb productivitats treballant per sobre dels 2A/cm2, el cost global esdevé mes avantatjós per l’hidrogen. A data de 12 de març de 2024 la negociació de PPA a 10 anys es situa per sota de 50€/MWh confirmant que es factible obtenir preus < 7€.
A part d’aquestes opcions sempre resta oberta la porta d’importació de l’hidrogen procedent de les noves àrees geopolítiques d’alta i barata producció d’energia renovable que estimen preus molt competitius de producció i costos de transport per vaixell i/o “hidrogen-ductes“ molt per sota del 7,4€/Kg indicat com a frontera per tenir paritat amb el dièsel.
ICE-Biometà: En aquesta petit anàlisi de les perspectives, no s’ha considerat el biometà donat que no es pot pas considerar una alternativa “general” degut a les quantitats disponibles a partir de fonts biogèniques i la gran competitivitat dins del mercat entre les demandes per diferents usos. La producció de biometà és limitada i, per tant, és susceptible per flotes captives. Té com avantatges el baix cost de les inversions inicials per adquirir els caps tractors, 150.000, i el fet que és una tecnologia coneguda, menys del 28% d’eficiència, amb una vida mitjana equivalent a la de la tecnologia ICE amb dièsel. Com a inconvenient, cal indicar que, si bé no s’emet CO2 que comptabilitzi com emissió, continua emeten partícules NOX i CO encara que menys que en el cas del dièsel. El cost del combustible presenta fortes incerteses degut al naixent i creixent mercat de residus on s’està canviant de cobrar la planta de tractament per acceptar els residus a pagar per rebre els residus. No és una solució oberta encara que pot tenir opcions com a transició per les flotes captives, especialment les de transport públic. No obstant això, cal posar atenció en el cost. Per fer 1000Km, considerant l’eficiència d’un sistema de combustió intern, caldrà el subministrament de biometà l’equivalent a uns 4,7MWh. Per tant, tot depèn de si el cost de producció i distribució del biometà està per sota dels 20€/MWh.
Si hi ha aquestes perspectives, quin es el desllorigador que fa falta per endegar el desplegament del transport pesat amb hidrogen?
En el desplegament d’una nova tecnologia sempre és complex saber què és l’ou i què és la gallina. No hi ha infraestructura perquè no hi ha caps tractors consumidors i no hi ha caps tractors per falta de seguretat de subministrament. Cal un pla harmonitzat de desplegament des de les administracions que arregli l’actual manca de subsidis, ajuts, exempcions fiscals o crèdits per fer front essencialment als alts imports de compra dels caps tractors que faciliti i doni vies econòmiques per l’adquisició de caps tractors, que ajudi la indústria a desplegar la seva fabricació i que també doni seguretat a l’estabilitat del cost i a la fiscalitat de l’hidrogen dins d’uns límits així com que asseguri els impostos a les emissions dels GEH.
Per altra banda, també des de les administracions s’ha d’abordar i aclarir les actualitzacions de les línies d’impostos fiscals a mesura que les noves tecnologies substitueixin a la benzina i a les altres fonts fòssils per fer efectiva la desfossilització .
En resum, és factible assolir la paritat de costos, €/Km, entre el vehicle pesat a hidrogen i el vehicle dièsel, però el seu desplegament precisa de polítiques urgents que faciliten molt més elevades inversions inicials en “capex”. També caldria assegurar processos i controls per garantir dins d’un rang l’estabilitat de costos i fiscalitat de l’hidrogen.
La utilització de l’hidrogen en la indústria, que pot induir una sinergia positiva amb el desplegament de l’hidrogen per la mobilitat pesada, separant tots els processos a on l’hidrogen és matèria primera com succeeix a la indústria química i petroquímica, requereix una anàlisi a part, molt més fi, detallant les comparacions amb els processos d’electrificació utilitzant bombes de calor d’alta temperatura o forns d’arc elèctrics en lloc de simplement “cremar” hidrogen. Aquest darrer procés te un alt risc d’emetre considerables quantitats de NOx com a gas d’efecte hivernacle, GEH.
Per altra banda, en les utilitzacions industrial de l’hidrogen, la paritat de costos no es correspon amb la gasolina o el gasoil, molt més car a causa dels costos d'elaboració en una refineria, sinó que escau comparar amb el cost d’un MWh de gas metà. Aquest, a principis del 2024, ha retornat a preus per sota dels 30€/MWh, el que implica que, per producció de calories i considerant aquest cost del metà, la paritat se situaria en 1€/kg d'hidrogen.(30Kg de H2 ~ 1 MWh)
Si bé en tots els casos abans introduïts s'ha intentat descriure els costos i les eficiències associades al procés, hi ha tres elements fonamentals a esmentar que no poden ser oblidats en termes econòmics.
El primer referit a les inversions necessàries per a la maduració tecnològica tant de la pila de combustible com de la bateria de liti o un altre sistema de construcció de bateries.
El segon factor correspon a les inversions necessàries per fer arribar aquest vector energètic o energia segons el cas al punt de proveïment del vehicle. En el cas elèctric hi ha dos camins: portar-la d'on sigui o fer-la de proximitat . En el cas de l’hidrogen hi ha també producció de quilòmetre zero amb transport fins el seu subministrament o hi ha importació segons el mercat i la geopolítica.
El tercer element és el preu del propi vehicle que avui dia està absolutament allunyat dels costos que representen els seus models alternatius basats en combustible d’origen fòssil
Finalment, el que s’obre és un marc de molts interrogants i moltes incertituds respecte a com evolucionarà el sector del transport en relació amb els seus problemes energètics, però en qualsevol cas cal continuar treballant, experimentant i desenvolupant totes les alternatives possibles. L'única manera de baixar costos i fer més eficient i sostenible el sistema de transport de mercaderies i la logística és continuar en la via de la recerca, de la col·laboració i de suport a fabricants, transportistes i tots els stakeholders del sector sense deixar de demanar a les autoritats un pla harmonitzar pel desplegament de les tecnologies necessàries per a una mobilitat sostenible.
댓글