Análisis por expertos reales

En 2009, un estudio del Laboratorio Nacional de Idaho arrojó una estimación de que este tipo de reactor nuclear podría vender hidrógeno a $3,23/kg. También discutió la economía de producir gas de síntesis en lugar de hidrógeno y la gasificación asistida por energía nuclear.

Este estudio de MINES ParisTech de 2013 estimó el coste del syngas (hidrógeno y monóxido de carbono en la proporción correcta para producir metanol) de un reactor nuclear en 1,30 €.

Mis estimaciones

Estas estimaciones agitan a mano una gran cantidad de tecnología que aún no existe, pero la gente está trabajando activamente para construirla. Creo que estoy jugando limpio según las reglas de la ciencia ficción dura. ¡No base ninguna decisión de inversión en ellos!

Si pudiéramos construir los reactores nucleares tan económicamente como lo hace Corea del Sur en el mundo real, y no les diésemos otros subsidios, podríamos reducir el costo del hidrógeno en un galón de metanol entre 72 centavos y un dólar. El costo total de todas las materias primas, utilizando dióxido de carbono capturado en lugar de combustibles fósiles, podría ser de $ 1,14 a $ 1,41. Dado que el proceso no es perfectamente eficiente, en realidad podríamos terminar gastando entre $ 1,34 y $ 1,91.

Dado que un galón de gasolina tiene el doble de contenido energético que un galón de metanol, deberíamos duplicar esto: reemplazar un galón de gasolina con metanol consumiría gases cuya producción cuesta entre $ 2,67 y $ 3,83, a menos que se encuentre un proceso más eficiente. Pero, la pregunta especifica la producción de hidrógeno como un paso separado.

Una cantidad de hidrógeno equivalente a un galón de gasolina, si lo usara directamente en una celda de combustible en lugar de producir metanol a partir de él, costaría entre 1,88 y 2,66 dólares .

A modo de comparación, el precio de una cantidad equivalente de energía de metanol ha fluctuado en los últimos años de $ 1,08 a $ 3,00.

Se me ocurrió una estimación de costos más baja que el estudio financiado por el gobierno de EE. UU. principalmente porque no fabricaron reactores nucleares baratos, el 70 % del costo estaba pagando el costo de capital y asumieron una tasa de retorno del 10 %.

La conclusión aquí es que este proceso no sería comercialmente viable sin un subsidio, a menos que aumente el precio del gas natural. Sin embargo, no es un aumento de varias veces en el costo del combustible, sino uno modesto. La forma más plausible de cambiar eso sería descubrir un mejor catalizador para producir monóxido de carbono o metanol a partir de agua y dióxido de carbono.

Construyendo las plantas

El mejor escenario para la construcción de energía nuclear es Corea del Sur, el único país del mundo donde el costo de construir plantas nucleares está cayendo con el tiempo. (Sin embargo, incluso allí, su gobierno actual planea eliminar gradualmente la energía nuclear). Las plantas recientes allí cuestan 2,000,000 KRW/kW. Esto es equivalente a un costo de construcción “de la noche a la mañana” de $ 2,000/kW. La Asociación Nuclear Mundial, ciertamente no una fuente neutral, estima que, a una tasa de descuento del 3%, esto equivale a un costo nivelado de electricidad de $ 29/MWh. Si la tasa de descuento aumenta al 7%, es decir, los inversores necesitan que la planta se pague más rápido, eso aumenta a $ 40/MWh.(Tenga en cuenta que el rango alto de la estimación en la excelente respuesta de @kingledion se basó en un precio de electricidad de $ 80/MWh y un costo para la energía nuclear del doble, mientras que el límite inferior de ambas estimaciones es aproximadamente el mismo).

¿Se podría replicar el costo de Corea del Sur? Hasta cierto punto, tal vez. Una de las principales razones de los ahorros es que han construido el mismo diseño una y otra vez, y este esquema requiere muchos reactores estandarizados. Los reactores también podrían construirse donde la economía sea mejor y exportar el combustible a otros países.

Generación de hidrógeno

Sin embargo, el punto de usar energía nuclear para esto es que puede vencer a la tecnología de electrólisis de agua alcalina que asumió el Departamento de Energía de los EE. sugeriría la energía nuclear en Corea del Sur.

Lo que realmente requiere este plan es un reactor como el reactor de muy alta temperatura o el reactor rápido refrigerado por gas , que funcionan según el mismo principio, excepto que el primero utiliza el ciclo de combustible de uranio y el segundo un reactor reproductor rápido. Ambos son reactores integrales sellados que utilizan helio supercrítico como refrigerante y fluido de trabajo para impulsar las turbinas. Para esta aplicación, querrá hacer funcionar el reactor a la temperatura supercrítica del helio, 850 °C, y la reacción de hidrólisis con vapor a alta temperatura alrededor de 800 °C. El costo de la construcción podría reducirse aún más si alguna vez descubrimos cómo usar dióxido de carbono en lugar de helio.

El estado actual de la técnica en la producción de hidrógeno puede lograr una eficiencia energética de hasta un 50% (mediante electrólisis de vapor a alta temperatura u otros métodos como el proceso de azufre-yodo). En otras palabras, dado que la densidad de energía del hidrógeno es de 33 300 Wh/kg, un reactor térmico que utilice su calor de proceso más un voltaje de alrededor de 1,2 V podría alcanzar potencialmente un rendimiento de$0.5 × \left( \frac{3.330·10^{-2} \mathrm{MWh}}{\mathrm{kg}} \right)^{-1} = 15.02 \frac{\mathrm{kg}}{\mathrm{MWh}}$.

Si ingenuamente (disculpe, con optimismo) indicamos que se puede obtener energía de un GFR tan barato como Corea del Sur la obtiene de los reactores de tercera generación en el mundo real, es decir, $ 29-40 por MWh, ese costo se reduciría a $ 1,93–2,66 por kilogramo de hidrógeno. La mayor parte de esto puede ser energía térmica utilizada como calor de proceso sin pérdidas de conversión o transmisión. Probablemente no sea realista lograr eso, pero definitivamente es posible hacerlo mejor que $ 80, la base para la estimación de alto nivel en el informe del Departamento de Energía.

El informe del DoE asumió un costo de $ 3.00/kg.

Esto no incluye el costo del agua desmineralizada.

Sintetizar metanol a partir de hidrógeno y dióxido de carbono

Esta tecnología no requiere un reactor de alta temperatura y lo más probable es que funcione con electricidad limpia de la red. Ya está en uso en el mundo real, pero con dióxido de carbono capturado de fuentes como las plantas de carbón.

Cada galón (líquido estadounidense) de metanol contiene

$$\begin{align*} \frac{3.785·10^3 \mathrm{cm}^3}{\mathrm{gallon}} &× \frac{0.7920 \text{g CH₃OH}}{\mathrm{cm}^3} \\ &× \frac{1 \text{ mol CH₃OH}}{32.04 \text{g CH₃OH}} \\ = \frac{93.56 \text{ mol CH₃OH}}{\mathrm{gallon}} \end{align*}$$

La hidrogenación de dióxido de carbono para producir metanol requiere dos moles de H₂ y un mol de CO₂ por mol de CH₃OH. ( Si convierte el dióxido de carbono en monóxido de carbono ) .

En la práctica, la reacción sería más complicada: consumiría un 50 % más de hidrógeno (la reacción 3H₂ + CO₂ → CH₃OH + H₂O convierte el hidrógeno extra en agua, que al menos puede reciclarse de nuevo a hidrógeno) o reemplazaría parte de la generación de hidrógeno con un proceso que genera hidrógeno y monóxido de carbono a partir de agua y dióxido de carbono, cualquiera que sea más eficiente.

Dado que la masa molar de H₂ es 2,014 g/mol, si usamos 3 moles de hidrógeno gaseoso por galón de metanol, cada galón de metanol requiere 0,5654 kg de hidrógeno como entrada. Usando los números de la sección anterior, el hidrógeno utilizado para producir un galón de metanol costaría entre $ 1,09 y $ 1,50.

La masa molar de CO₂ es 44,0095 g/mol, multiplicada por 93,56 moles, por lo que necesitamos 4,118 kg de CO₂ para producir un galón de metanol. La idea es utilizar dióxido de carbono capturado, en lugar de combustibles fósiles, por ejemplo, de la incineración de biomasa o la captura directa de aire. La planta existente de Climeworks AG en Zúrich captura el dióxido de carbono del aire a un costo de $ 600/tonelada. Si la tecnología hipotética pudiera reducir el costo a $ 60 por tonelada, lo que muchas fuentes creen que es posible, el carbono y el oxígeno en un galón de metanol costarían 24,7 centavos. Una estimación más conservadora de $ 100/tonelada costaría 41,2 centavos.

Esto nos da, utilizando suposiciones sobre el costo que son optimistas pero algo plausibles, un costo de $ 1.34–1.91 para las materias primas. Dado que un galón de gasolina contiene tanta energía como dos galones de metanol, duplique esto para obtener una estimación de $ 2,67 a $3,83 por equivalente de un galón de gasolina. Esto es solo para producir las materias primas; también habría un costo para sintetizar el metanol, mezclarlo y distribuirlo.

subvenciones

Sin embargo, esto supone que los gobiernos del mundo no hacen nada para subsidiar los combustibles verdes o gravar las emisiones de dióxido de carbono. Si comienzan a tomarse el cambio climático y la independencia energética tan en serio que estarían dispuestos a revertir totalmente el curso de la energía nuclear, eso parece poco probable. Alguien tiene que hacer que los productores de energía paguen el costo externo de la contaminación que crean, o de lo contrario siempre será más barato usar el mismo reactor nuclear para producir metanol a partir de combustibles fósiles.

Si un gobierno estuviera dispuesto a simplemente absorber el costo de una planta de hidrógeno que podría producir megatones de energía doméstica limpia, de la misma manera que está dispuesto a asumir el costo de una guerra en el Medio Oriente, o subsidiarla como lo hace con el petróleo y los biocombustibles. , el costo marginal de producir hidrógeno caería drásticamente. Si el hidrógeno no tuviera que pagar el costo de capital del reactor, solo alcanzar el punto de equilibrio en el costo operativo, el costo marginal para producir hidrógeno sería minúsculo.

Aunque dijiste en un comentario que el metanol está destinado a usarse como combustible para el transporte, si se convirtiera en algo que no se queme, como olefinas o formaldehído, eliminaría y secuestraría grandes cantidades de carbono de la atmósfera.

Los reactores también producirían otros productos que generan ganancias, como la electricidad. O, por ejemplo, dado que la electrólisis del agua produce la mitad de moléculas de oxígeno caliente que de hidrógeno, podría reaccionar con fósforo para producir ácido fosfórico apto para uso alimentario.

Alternativas

Si ya tiene hidrógeno y dióxido de carbono capturado (de un incinerador o de cualquier otra fuente), puede producir metanol a temperaturas relativamente bajas. Una alternativa sería aumentar la cantidad de hidrógeno en un 50% y utilizar un catalizador como el Ni-Ga a 200°C . Otro es la coelectrólisis de hidrógeno y monóxido de carbono a partir de dióxido de carbono y agua. Otro es dividir el dióxido de carbono y el agua a través de un ciclo termoquímico.

Otra vía posible es convertir el dióxido de carbono en metano usando hidrógeno . Entonces podríamos usar el oxígeno que también obtuvimos de la electrólisis del agua para oxidar el metano a metanol , si alguien descubre un buen proceso para eso. (Aunque eso terminaría haciendo que el metanol a partir de gas natural fuera aún más barato).

Tanto la gasificación de biomasa como la pirólisis de biomasa se han propuesto como parte de un sistema con un reactor nuclear que genera electricidad, hidrógeno y oxígeno.

El costo de los insumos también podría reducirse si el dióxido de carbono capturado proviniera de emisiones que de otro modo habrían ingresado a la atmósfera, como en el incinerador de basura municipal en Oslo que captura su dióxido de carbono para uso de la industria petrolera.

$3-6 por galón de gasolina equivalente (gge)

En 2009, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables armó un panel para generar intervalos de confianza del 80% para los costos futuros de producción de hidrógeno. El informe está aquí . Este panel usó tecnología disponible en 2005, pero capitalizada con una infraestructura industrial completa, para hacer el mejor uso de la escala de producción (este es el 'modelo de producción central' discutido en el informe). El panel se centró en dos tecnologías: electrólisis de agua alcalina y electrólisis de membrana de electrolito polimérico .

Un kg de hidrógeno se denomina equivalente a un galón de gasolina, ya que tiene aproximadamente la misma cantidad de energía que un galón de gasolina.

El costo promedio dependía fuertemente del costo de la electricidad. El supuesto precio 'alto' de la electricidad fue de $ 80 por MWh, con lo cual los costos del hidrógeno son de $ 4,78 por gge. Sin embargo, el costo nivelado de la energía nuclear es actualmente de alrededor de $ 120 por MWh. Si introducimos este aumento en la energía eléctrica, obtenemos una suposición de más de $ 6 por gge en costos.

Los bajos costos de la electricidad a $0,03 por kWh, y todos los demás factores minimizados serían de alrededor de $ 1,70 por gge.