- ¿Qué se entiende por almacenamiento criogénico de hidrógeno?
- ¿Cuáles son las diferentes tecnologías de almacenamiento de hidrógeno disponibles en el mercado?
- ¿Qué consideraciones de diseño son importantes para una solución de almacenamiento de hidrógeno líquido de última generación?
- ¿Cuáles son los componentes clave de un sistema de almacenamiento de hidrógeno líquido y qué función tienen dichos componentes?
- ¿Qué refrigerantes se utilizan para alcanzar temperaturas tan bajas del hidrógeno?
- ¿Cuáles son las principales áreas de aplicación del almacenamiento criogénico de hidrógeno?
- La siguiente tabla muestra las principales diferencias, pros y contras entre el almacenamiento de hidrógeno líquido y gaseoso
- Pros & contras de los tanques de almacenamiento de hidrógeno líquido
- Pros y contras de los tanques de almacenamiento de hidrógeno gaseoso
- ¿Cómo se transforma el hidrógeno líquido en hidrógeno gaseoso antes de su consumo en la pila de combustible?
- ¿Cuáles son los niveles de pureza del hidrógeno líquido?
- ¿Qué es el hidrógeno líquido verde?
- ¿Cuáles son los principales parámetros de trabajo del almacenamiento criogénico de hidrógeno?
- ¿Qué componentes se necesitan para que un sistema de hidrógeno criogénico sea seguro?
- ¿Cuáles son las normas/normas/certificaciones internacionales que debe cumplir una solución de almacenamiento de hidrógeno líquido?
- ¿Existen estaciones y boquillas de repostaje de hidrógeno líquido y cuáles son las consideraciones de seguridad?
- ¿Se puede utilizar el almacenamiento criogénico de hidrógeno para el transporte de hidrógeno?
- Depósitos criogénicos de hidrógeno para su uso en camiones de hidrógeno
- ¿Cuanta refrigeracion activa se necesita para almacenar hidrógeno líquido correctamente?
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¿Qué se entiende por almacenamiento criogénico de hidrógeno?
El almacenamiento criogénico de hidrógeno es un sistema para almacenar el hidrógeno en forma líquida mientras se alcanza una temperatura de aproximadamente -253°C a 1 atm de presión. La razón para almacenar el hidrógeno a temperatura criogénica es su densidad, que nos permite almacenar más energía en un volumen pequeño. Pero almacenar el hidrógeno a temperatura criogénica es siempre un reto debido a la fragilidad de los materiales a temperaturas tan bajas, así como a la fragilidad del hidrógeno. Algunos aceros inoxidables austeníticos especiales han demostrado una buena resistencia a la fragilización por hidrógeno a esas temperaturas, lo que ha reducido el problema de la fragilización. Otro reto para el almacenamiento criogénico de hidrógeno es el aislamiento necesario a esta temperatura. Por lo general, se utilizará el superaislamiento para el aislamiento, ya que proporciona menos evaporación. El superaislamiento no es más que un aislamiento multicapa (papel de aluminio + papel de fibra de vidrio) en presencia de un vacío inferior a 1 micra que detiene los tres modos de transferencia de calor (Conducción, Convección y Radiación) desde la temperatura ambiente hasta -253°C.
¿Cuáles son las diferentes tecnologías de almacenamiento de hidrógeno disponibles en el mercado?
Como sabemos, el hidrógeno tiene un poder calorífico muy alto (143 000 kJ/kg) y cero emisiones de carbono. El mundo está considerando su uso como combustible alternativo. Pero debido a su baja densidad y a que es altamente inflamable, el almacenamiento de energía del hidrógeno siempre es un desafío cuando se intenta obtener una mayor relación energía-volumen. Diferentes empresas han desarrollado diferentes tipos de tanques de hidrógeno y sistemas de almacenamiento para aumentar la relación energía-volumen.
Actualmente, el almacenamiento gaseoso de hidrógeno a alta presión se utiliza para vehículos comerciales de celdas de combustible. Los recipientes a presión de tipo IV y tipo V se utilizan para almacenar hidrógeno gaseoso a 35 MPa/70 MPa a temperatura ambiente.
Toyota, en cooperación con empresas asociadas seleccionadas, también ha desarrollado un recipiente para el almacenamiento de hidrógeno criocomprimido que permite el almacenamiento de hidrógeno a relaciones energía-volumen más altas a -40 °C y alta presión.
Diferentes empresas también han desarrollado tanques de almacenamiento de hidrógeno líquido para diferentes capacidades de almacenamiento a varias presiones. Esto es útil principalmente para sistemas de almacenamiento estático, pero con la ayuda de algunas tecnologías desarrolladas como el enfriamiento criogénico, algunas empresas han comenzado a fabricar tanques ISO para fines de transporte de hidrógeno líquido.
El sistema de almacenamiento de hidrógeno en estado sólido es otra opción para almacenar hidrógeno en polvo de hidruro metálico, pero no se ha adoptado ampliamente, principalmente debido a su ciclo de vida más corto.
¿Qué consideraciones de diseño son importantes para una solución de almacenamiento de hidrógeno líquido de última generación?
Para el diseño del tanque criogénico dentro de un sistema de almacenamiento de hidrógeno líquido, es necesario tener en cuenta varios factores y parámetros para lograr un nivel de seguridad máximo. Las consideraciones de diseño para un tanque criogénico de almacenamiento de hidrógeno líquido son las siguientes:
- Presión de diseño
- Presión máxima de trabajo permitida (MAWP)
- Presión de operación
- Orientación (vertical u horizontal)
- Código de diseño
- Diseño de cimientos
- Diseño del sistema de soporte
¿Cuáles son los componentes clave de un sistema de almacenamiento de hidrógeno líquido y qué función tienen dichos componentes?
Para almacenar hidrógeno en forma líquida en un recipiente de almacenamiento criogénico a 1 atm de presión y -253 °C se necesitan algunos componentes esenciales para eliminar las fugas de calor y para que el almacenamiento sea eficaz. Los diversos componentes del sistema de almacenamiento utilizados para llenar, almacenar y retirar combustible en un depósito de almacenamiento de hidrógeno son:
Los componentes del sistema de almacenamiento son los siguientes
- Recipiente interior
- Recipiente exterior
- Aislamiento
- Válvulas
- Unidad de generación de presión (PBU)
- Soporte
- VJP (tubería con camisa de vacío)
- Rompedor de vértices
- Criorrefrigerador
a) Recipiente interior
El recipiente interior tiene en su mayor parte forma cilíndrica y contiene el medio de funcionamiento, es decir, el hidrógeno combustible. El recipiente interior debe mantenerse a la temperatura criogénica necesaria para almacenar el líquido. El recipiente interior es el componente que está directamente en contacto con el combustible de hidrógeno. Por lo tanto, el material del recipiente interior se selecciona en función de las temperaturas criogénicas.
b) Recipiente exterior
El recipiente exterior actúa como una carcasa para el recipiente interior. El recipiente interior se monta dentro del recipiente exterior mediante el uso de placas de soporte. La función principal del recipiente exterior es mantener el vacío y proporcionar un buen aislamiento al recipiente interior reduciendo o eliminando las fugas de calor.
c) Válvulas
Las válvulas son componentes esenciales de los sistemas criogénicos de almacenamiento de hidrógeno para facilitar la transferencia del combustible de hidrógeno hacia y desde el depósito. Se utilizan diferentes válvulas en función de su aplicación. Estas válvulas criogénicas se utilizan para cumplir los requisitos de diseño:
- Válvulas de globo
- Válvulas desviadoras
- Válvulas de seguridad
- Válvulas de alivio de presión
d) Grupo de construcción a presión
El grupo de presión funciona como un intercambiador de calor. Durante la extracción del fluido se produce una caída de presión en el interior del recipiente. Cuando hay una caída de presión dentro del recipiente, la temperatura de saturación del fluido a la presión de funcionamiento se reduce, lo que resulta en la conversión de líquido a gas. Además, la caída de presión crea una reducción en el caudal másico de la extracción de líquido. El PBU (Pressure building unit) extrae algo de líquido de la línea de descarga del recipiente y convierte el líquido criogénico en el vapor criogénico requerido y lo recircula al recipiente para mantener la presión de funcionamiento requerida.
e) VJP (tubería encamisada al vacío)
A una temperatura criogénica de -253°C o 20K, el hidrógeno líquido se transfiere en líneas de transferencia aisladas. Si utilizamos tuberías normales, la transmisión de calor del ambiente al fluido es muy alta, provocando la ebullición del fluido. Las tuberías con camisa de vacío o las tuberías de transferencia aisladas al vacío se utilizan específicamente para resolver este problema.
¿Qué refrigerantes se utilizan para alcanzar temperaturas tan bajas del hidrógeno?
El hidrógeno tiene un punto de ebullición de -253°C a 1 bar. Para la refrigeración del hidrógeno, necesitamos líquidos o gases de bajo punto de ebullición para alcanzar esta baja temperatura del hidrógeno. Como no podemos alcanzar esa temperatura directamente, hay que pasar por varias etapas para lograr una temperatura tan baja del hidrógeno. El helio y el nitrógeno son los refrigerantes más utilizados para alcanzar temperaturas tan bajas. Otros refrigerantes, como las mezclas de nitrógeno, metano, etano, propano y n-butano, pueden utilizarse para alcanzar temperaturas tan bajas como 114 K.
¿Cuáles son las principales áreas de aplicación del almacenamiento criogénico de hidrógeno?
El almacenamiento criogénico de hidrógeno tiene un amplio campo de aplicaciones en el mundo actual. El hidrógeno criogénico se utiliza ampliamente para vuelos espaciales, mientras que el hidrógeno líquido se utiliza como combustible para aviones espaciales y FCEV (vehículos eléctricos de pila de combustible) como vehículos, autobuses, camiones, etc. Las principales aplicaciones de los sistemas de almacenamiento de hidrógeno criogénico son:
- Estaciones de repostaje
- Estaciones aeroespaciales
- Aplicaciones de automoción
La siguiente tabla muestra las principales diferencias, pros & contras entre el almacenamiento de hidrógeno líquido y gaseoso.
| Temas | Almacenamiento de hidrógeno líquido | Almacenamiento de hidrógeno gaseoso |
| Densidad | 70,899 kg/m3 a presión atm | 1,3164 kg/m3 a presión atm |
| Aislamiento | Requerido | No requerido |
| Coste | Caro | Menos |
| Presión | Menos incremento de presión | Más incremento de presión |
| Ebullición | Alto Boil-off | Sin ebullición |
Pros & contras de los tanques de almacenamiento de hidrógeno líquido
| Ventajas del almacenamiento de hidrógeno líquido | Desventajas del almacenamiento de hidrógeno líquido |
| Alto volumen y densidad | Requiere aislamiento |
| Menos presión | Más fugas |
| Menos peligro debido a la menor presión | Se requiere más equipo para mantener el almacenamiento de líquido |
Pros & contras de los tanques de almacenamiento de hidrógeno gaseoso
| Ventajas del almacenamiento de hidrógeno gaseoso | Desventajas del almacenamiento de hidrógeno en estado gaseoso |
| No es necesario el aislamiento | Más peligros debido a la alta presión |
| Menos costoso & listo para usar | Se requiere más espesor |
| Sin ebullición | Menos volumen y densidad |
¿Cómo se transforma el hidrógeno líquido en hidrógeno gaseoso antes de su consumo en la pila de combustible?
El hidrógeno se almacena en estado líquido mediante criocompresión para lograr una mayor capacidad de almacenamiento. Pero en algunas aplicaciones, como las pilas de combustible, el hidrógeno de entrada debe estar en forma gaseosa. Para convertir el hidrógeno líquido en hidrógeno gaseoso se utiliza un vaporizador criogénico. Los vaporizadores criogénicos son dispositivos de cambio de fase que convierten el hidrógeno líquido en hidrógeno gaseoso a la presión y temperatura deseadas.
¿Cuáles son los niveles de pureza del hidrógeno líquido?
El hidrógeno está disponible en muchas formas físicas y químicas, pero lo interesante es cómo se separa de las formas parentales. La separación del hidrógeno de la forma parental es la generación de hidrógeno. El nivel de pureza del hidrógeno se basa en los métodos de producción, es decir, los medios de producción de hidrógeno utilizados para la extracción de hidrógeno de sus formas parentales. En general, existen tres tipos o niveles de pureza de gas hidrógeno: hidrógeno puro, que tiene una pureza del 99,99%, hidrógeno altamente puro, que tiene un nivel de pureza del 99,999%, e hidrógeno ultrapuro, que tiene un nivel de pureza del 99,9999%.
¿Qué es el hidrógeno líquido verde?
El hidrógeno verde es el hidrógeno producido al dividir el agua por electrólisis. Las fuentes de energía incluyen la solar, la eólica y la hidroeléctrica. Este hidrógeno se conoce como hidrógeno verde. El hidrógeno líquido verde es el hidrógeno que se licúa utilizando energía de fuentes renovables. No se emiten emisiones de gases de efecto invernadero durante el proceso de almacenamiento de hidrógeno verde. Las mismas fuentes de energía renovable se utilizan durante todo el proceso en varias etapas, como el enfriamiento criogénico, el accionamiento del compresor de hidrógeno criogénico y otros procesos necesarios para generar hidrógeno criocomprimido verde.
¿Cuáles son los principales parámetros de funcionamiento del almacenamiento criogénico de hidrógeno?
Los parámetros de trabajo de un tanque de almacenamiento criogénico de hidrógeno se clasifican en:
a) Comportamiento del sistema operativo
- Llenado (llenado inferior y llenado superior)
- Indicador de nivel
- Línea de Trycock
b) Estado de la línea de retirada o condición de trabajo
- PBU (Unidad de generación de presión)
- Vaporizador
- Bomba criogénica
¿Qué componentes son necesarios para que un sistema de hidrógeno criogénico sea seguro?
Muchas aplicaciones existentes y emergentes del hidrógeno implican el uso del hidrógeno en forma gaseosa. Sin embargo, hay aplicaciones importantes que utilizan el hidrógeno en forma líquida. Todas las consideraciones de seguridad y los peligros relacionados con el hidrógeno gaseoso también se aplican al hidrógeno líquido debido a la facilidad con la que se evapora. Los componentes que se utilizan para que un sistema criogénico sea seguro son:
- Válvula de seguridad de recipiente
- Válvula de seguridad de línea
- Detector de llama
- Detector de humo
- Detector de fugas de hidrógeno
- Detector de fugas ultrasónico
- Ventilación
- Incendio/Explosión
- Chimenea de ventilación
- Sensores de hidrógeno
- Cercas
¿Cuáles son las normas/normas/certificaciones internacionales que debe cumplir una solución de almacenamiento de hidrógeno líquido?
Las normas y certificaciones internacionales para el sistema de almacenamiento de hidrógeno son
- Código de calderas y recipientes a presión ASME, sección VIII
- Especificaciones y reglamentaciones del Departamento de Transporte de los Estados Unidos (US DOT)
- NFPA (Asociación Nacional de Protección contra Incendios)
- Normas ISO
- CGA (Asociación de Gas Comprimido)
¿Existen estaciones y boquillas de repostaje de hidrógeno líquido y cuáles son las consideraciones de seguridad?
El hidrógeno se utiliza en aplicaciones de automoción para pilas de combustible. El hidrógeno se almacena en un tanque que se rellena en la estación de reabastecimiento de hidrógeno. Los dispensadores de hidrógeno se utilizan para suministrar el hidrógeno líquido a los tanques de almacenamiento de combustible. Hay muchas consideraciones de seguridad que deben tenerse en cuenta.
a) Consideraciones de seguridad para las estaciones de repostaje
- Seguridad contra incendios
- Seguridad contra fugas
- Seguridad en el almacenamiento
- Seguridad en la dosificación
b) Consideraciones de seguridad para la boquilla dispensadora
- Se requiere una interacción perfecta entre la boquilla del vehículo y la boquilla del surtidor
- Consideraciones sobre el desgaste (abrasión) de la boquilla
- Caídas de presión
- Escape de combustible en la salida de la boquilla
¿Se puede utilizar el almacenamiento criogénico de hidrógeno para su transporte?
El tanque de almacenamiento criogénico es una de las principales aplicaciones para el transporte de hidrógeno líquido. Comparado con el hidrógeno gaseoso, el hidrógeno líquido puede almacenarse con gran capacidad en el mismo volumen. El hidrógeno líquido puede albergar más capacidad. Para el transporte de hidrógeno, un tanque de almacenamiento criogénico es ampliamente utilizado para que más capacidad de hidrógeno puede ser transportado en menos espacio en comparación con los gases hydrogen.
Tanques de hidrógeno criogénico para su uso en camiones de hidrógeno
a) ¿Cuáles son las ventajas y qué retos quedan por superar?
Los camiones de hidrógeno son vehículos que utilizan hidrógeno como combustible. El camión tiene integrado un tanque de combustible de hidrógeno a bordo. Los motores que se utilizan en los camiones de hidrógeno funcionan con combustible de hidrógeno.
b) Los camiones de hidrógeno tienen muchas ventajas
- Cero emisiones de carbono
- Abundantemente disponible
- Rápido repostaje
c) Retos a superar
- Peso y volumen
- Eficiencia
- Durabilidad
- Tiempo de repostaje
- Coste
- Ciclo de vida y análisis de eficiencia
¿Cuánta refrigeración activa se necesita para almacenar correctamente el hidrógeno líquido?
a) ¿Es posible calcular la energía necesaria para mantener el hidrógeno en estado líquido?
Cualquier líquido o gas cambiará de fase utilizando el calor que se conoce como calor latente. La energía se puede calcular utilizando ecuaciones de transferencia de calor. Así que un cambio de fase de la sustancia se produciría debido al calor latente que está presente. En un tanque criogénico de almacenamiento de hidrógeno, es necesario eliminar el calor latente del interior del tanque para evitar el cambio de fase de líquido a gas. El calor latente se elimina mediante el enfriamiento activo, también conocido como enfriamiento criogénico, del hidrógeno líquido. Para que este enfriamiento activo del hidrógeno líquido elimine constantemente el calor latente de evaporación se utiliza un refrigerador criogénico que suministra la temperatura necesaria para evitar que se acumule el calor latente de vaporización. De este modo, el medio estará únicamente en estado líquido.
b) ¿Son las fugas de hidrógeno un problema en los sistemas criogénicos de almacenamiento de hidrógeno?
El hidrógeno líquido en un sistema criogénico de almacenamiento de hidrógeno absorbe calor del entorno. Debido a esta fuga de calor absorbido, el hidrógeno líquido se convierte en hidrógeno gaseoso. Hay que tener en cuenta que la licuefacción del hidrógeno es muy costosa, ya que el hidrógeno tiene una conductividad térmica superior a la de otros gases. Además, el aislamiento del sistema de almacenamiento criocomprimido se verá perjudicado si se produce una fuga de hidrógeno. El superaislamiento, por ejemplo, cuesta más y está construido con papel de fibra de vidrio y papel de aluminio. Mantener un sistema de almacenamiento criogénico de hidrógeno sin fugas es preferible o útil para prevenir este tipo de problemas. Si se produce una fuga de gas en un depósito de almacenamiento criogénico de hidrógeno, el hidrógeno líquido se convertirá en hidrógeno gaseoso debido a la evaporación. Esto reducirá la capacidad del depósito y también creará un riesgo de explosión. Por lo tanto, la detención de la fuga del tanque es de suma importancia.
Última actualización: 13.01.2023