Un futuro verde gracias al hidrógeno

El hidrógeno es un combustible alternativo fundamental en el camino hacia la descarbonización. Los gobiernos de todo el mundo están respaldando la industria del hidrógeno renovable con importantes subvenciones para alcanzar los objetivos de producción neta cero. En EE. UU., la Ley de Reducción de la Inflación incluye incentivos con créditos fiscales de hasta 3 dólares por kilogramo para la producción de hidrógenoecológico. Se trata de una medida para acelerar la adopción del hidrógeno verde durante la próxima década, en comparación con el «hidrógeno gris», que se genera fundamentalmente a través del reformado de metano con vapor (SMR).

Aunque el hidrógeno puede usarse en la fabricación de fertilizantes para agricultura mediante la producción de amoníaco y la extracción de azufre en el refinado de petróleo, son sus capacidades únicas para transmitir energía lo que garantizan su valor para una energía verde. La producción de energías renovables, como la solar y la eólica, puede no ser constante, debido a la presencia intermitente de las fuentes de energía y a la falta de una infraestructura desarrollada para ellas. Estos factores pueden causar la inestabilidad de la red eléctrica. Con un contenido energético tres veces mayor que la gasolina, el hidrógeno se puede usar para almacenar energía de fuentes renovables fuera de la red para usarla cuando sea necesario.

Las empresas de toda la cadena de valor del hidrógeno están trabajando para convertir en realidad un futuro de hidrógeno verde. Así, en toda la cadena de valor del hidrógeno se están llevando a cabo o planeando proyectos a gran escala. Estos proyectos, que contribuirán a una infraestructura mayor de hidrógeno, incluyen electrolizadores para producir hidrógeno, puntos de repostaje para distribuirlo y celdas de combustible para convertirlo en electricidad. Una vez sentadas estas bases, la gente podrá usar el hidrógeno como combustible para grupos electrógenos fijos y para el transporte por medio de hidrógeno, así como para la calefacción y materias primas.

Aun así, crear un futuro donde se generalice el hidrógeno verde requiere una escalabilidad rápida y una correcta implementación. A medida que viaja a través de la cadena de valor, el hidrógeno se somete a presiones de hasta 15 000 libras de fuerza por pulgada cuadrada (psi) o a más de 1000 bar y al igual que muchos otros combustibles, puede ser explosivo si no se trata de forma adecuada. Para alcanzar un panorama que pueda cumplir con la demanda de forma eficaz y segura, es fundamental que las empresas identifiquen tecnologías que puedan controlar de forma fiable y eficiente el combustible de hidrógeno, desde su producción hasta su uso final. Esto requiere soluciones de alta presión en todo el ecosistema del hidrógeno.

Producción mediante electrólisis

El hidrógeno verde se produce mediante electrólisis alcalina o de membrana polimérica electrolítica (PEM), alimentada por energías renovables. En ambos procesos, un electrolizador utiliza una corriente eléctrica para separar las moléculas de agua en sus elementos básicos, oxígeno e hidrógeno. Una vez aislado, el hidrógeno puede almacenarse, transportarse y distribuirse.

Para que un electrolizador funcione con eficacia y seguridad, el caudal de los tres fluidos, agua, hidrógeno y oxígeno debe controlarse de forma precisa. Las válvulas fiables, los reguladores de contrapresión y un controlador lógico programable (PLC) inteligente pueden proporcionar un alto nivel de control de los medios, de modo que se evitarán fugas y se minimizará el tiempo y los costes de mantenimiento, al mismo tiempo que protegen la planta en general.

En un electrolizador, hay cuatro capas que funcionan en conjunto para controlar los medios de forma eficaz, fiable y segura. La primera capa es cualquier válvula que controle el caudal de medios (oxígeno, agua o hidrógeno) e incluye tanto los reguladores de contrapresión como las válvulas neumáticas de cierre. La segunda capa es la capa de actuación, que incluye islas de distribución neumática y electroválvulas piloto. Ambos componentes tienen la misma función, activar las válvulas de cierre neumáticas que manejan los medios del proceso. Estas son las válvulas que requieren protección IP66, mientras que las válvulas neumáticas no requieren esta clasificación. La tercera capa es el PLC y la cuarta es el control supervisor y adquisición de datos (SCADA).

El PLC tiene el algoritmo de control y ejecuta la lógica deseada enviando señales eléctricas a las válvulas de pilotaje para controlar los medios del proceso. Los PLC con certificación de seguridad garantizan que una planta se apague de forma segura y controlada en caso de que se produzca un suceso peligroso, como una fuga de gas o un incendio. Además, el sistema SCADA recopila todos los datos de la planta y proporciona pantallas de operador e ingeniería, tendencias, análisis, alarmas y notificaciones, de modo que proporciona la capacidad de controlar y supervisar el proceso de la planta a través de paneles de visualización o interfaz hombre-máquina (HMI).

Estas cuatro capas forman el ecosistema de control en una planta electrolizadora de hidrógeno.

Distribución a través de los puntos de repostaje de hidrógeno

En los puntos de repostaje de hidrógeno, este se almacena como gas comprimido o líquido en un tanque presurizado. Cuando un cliente activa el dispensador, el combustible se extrae del almacenamiento de alta presión y pasa por todo el sistema hasta el depósito del vehículo de menor presión. Durante el repostaje, la presión del hidrógeno aumentará lentamente a medida que aumente la presión en el depósito del vehículo hasta alcanzar su estado máximo de carga (SOC).

Para ayudar a los conductores a adoptar los vehículos eléctricos de pila de combustible y los vehículos de combustión de hidrógeno, es fundamental que los surtidores de hidrógeno funcionen cuando los conductores necesiten repostar y que los tiempos de repostaje sean comparables a los de la gasolina. Sin embargo, el combustible debe dispensarse en una cantidad y a un ritmo determinados para evitar que los depósitos de los vehículos se sobrecalienten o se sobrepresuricen. Muchos dispositivos y componentes trabajan conjuntamente para controlar el caudal de hidrógeno y contribuyen a garantizar un funcionamiento seguro, preciso y rápido cuando los operarios llegan al surtidor.

Un regulador equipado con un controlador neumático proporcional-integral-derivativo (PID) ajusta con precisión la presión del combustible de hidrógeno a medida que se introduce en el depósito del vehículo durante el proceso de repostaje. La tasa de aumento de la presión de suministro, denominada tasa de rampa de presión (PRR), depende del tipo de protocolo de repostaje utilizado por la estación. Por ejemplo, el protocolo de repostaje basado en la fórmula MC de la norma SAE J2601 ajusta la tasa de rampa de presión en función de las condiciones de vida del sistema, como la temperatura del depósito del vehículo, el depósito intermedio y el hidrógeno que fluye a través del surtidor.

Las válvulas de doble bloqueo y purga ofrecen dos capas de protección al aislar la presión del proceso durante los procesos rutinarios de mantenimiento de la instrumentación, así como una tecnología resistente de sellado que puede evitar fugas de combustible a la atmósfera. Estas son especialmente importantes por la naturaleza del hidrógeno. Si se produce una fuga de hidrógeno y este entra en contacto con un comburente y una fuente de ignición, puede entrar en combustión. La doble capa de protección de las válvulas de doble bloqueo y purga ayudan a garantizar que esto no suceda.

Un PLC contiene el algoritmo para controlar todo el proceso de la estación de servicio. Toma información sobre la estación de servicio, como el nivel de combustible del tanque, y ejecuta las órdenes necesarias para repostar hasta el nivel deseado que indique el usuario del vehículo. Puede gestionar operaciones de llenado simultáneas en un punto de repostaje, al tiempo que controla el suministro de hidrógeno desde el tanque de almacenamiento principal y se comunica con la sala de control principal a través de la nube o de una red conectada mediante cable. El PLC también tiene capacidad para gestionar los niveles de inventario, la absorción de hidrógeno del inventario, la información relacionada con la facturación, la generación de informes diarios y mucho más. Un PLC de seguridad garantiza que cualquier suceso peligroso en un punto de repostaje se resuelva de forma segura.

Conversión para aplicaciones finales de hidrógeno

Las pilas de combustible crean electricidad aprovechando la energía liberada cuando el hidrógeno reacciona electroquímicamente con el oxígeno. Se pueden usar como fuente de energía fija de reserva o para alimentar vehículos eléctricos de pila de combustible. En estos casos de uso, los tanques de almacenamiento de hidrógeno a alta presión liberan hidrógeno en el sistema de pilas de combustible a medida que se necesita energía. Los vehículos impulsados por hidrógeno pueden repostar en estaciones de servicio o llenar sus depósitos de almacenamiento e introducirlos posteriormente en sistemas de energía fijos.

Al diseñar un sistema de pilas de combustible, es importante maximizar el uso del combustible. Los tanques de almacenamiento de hidrógeno no pueden vaciarse por las limitaciones de la presión, por lo que es fundamental que el suministro de combustible a la pila de combustible sea eficaz y con pérdidas mínimas. El sistema debe ser capaz de funcionar de forma constante en una serie de modos de funcionamiento: aceleración, deceleración, parada y ralentí, que requieren todos ellos demandas variables del caudal de hidrógeno. Este funcionamiento estable del sistema se ve favorecido por un diseño que emplea un cierre positivo del combustible a alta presión y se consigue mediante el uso de un regulador de hidrógeno fiable.

Los reguladores de hidrógeno con un diseño de válvula atada de dos etapas pueden proporcionar un caudal constante de hidrógeno a la pila de combustible reduciendo al mismo tiempo al mínimo la posibilidad de fugas de combustible de hidrógeno, lo que permite generar electricidad de forma eficaz para alimentar vehículos o unidades de energía fijas. El suministro constante de combustible puede contribuir a prolongar la vida útil de las pilas de combustible, ya que garantiza que reciban una cantidad uniforme de hidrógeno mientras se utilizan. En el caso de los vehículos propulsado por hidrógeno, esto permite a sus conductores maximizar el uso del combustible y reducir la frecuencia de mantenimiento.

Cómo dar los próximos pasos

El futuro del hidrógeno verde depende del éxito de cada etapa de su ecosistema. Desde la producción hasta la distribución y la conversión, las soluciones de alta presión pueden controlar de forma segura, eficaz y eficiente el hidrógeno y otros medios a medida que el combustible avanza a lo largo de la cadena de valor. Con un alto nivel de control, los fabricantes de sistemas de pilas de combustible pueden confiar en instalar y ampliar infraestructuras críticas, y los usuarios finales pueden tener experiencias positivas a medida que adoptan las nuevas tecnologías del hidrógeno. Esta base tiene el potencial de acelerar el uso mundial de hidrógeno verde y el futuro transformador de la energía del hidrógeno.