- ¿Por qué es preferible el hidrógeno comprimido para el almacenamiento en comparación con el hidrógeno no comprimido?
- ¿Qué tipo de compresor es adecuado para la compresión de hidrógeno?
- ¿Cuál es la importancia de la compresión de H2 en las estaciones de abastecimiento de hidrógeno?
- ¿Cuáles son los desafíos y las precauciones que deben tenerse en cuenta al comprimir hidrógeno gaseoso?
- ¿Cuáles son los problemas comunes asociados al funcionamiento de los compresores de hidrógeno?
- ¿Cuáles son las recientes innovaciones en la tecnología de compresión de hidrógeno?
- Qué composición de material son preferibles para el sistema de compresión de H2
- ¿Qué factores influyen en la eficiencia de un sistema de compresión de hidrógeno?
- ¿Cuáles son las consideraciones de compatibilidad de materiales para la selección de materiales en entornos de hidrógeno a alta presión?
- ¿Qué tipo de filtro es adecuado antes de la compresión de H2 y cuál es el tamaño poroso del filtro?
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¿Por qué es preferible el hidrógeno comprimido para el almacenamiento en comparación con el hidrógeno sin comprimir?
La economía del hidrógeno es una parte fundamental de la tendencia hacia la descarbonización del sector energético. Se requieren grandes cambios en la infraestructura energética para satisfacer las necesidades de producción, transporte, almacenamiento y uso de una economía del hidrógeno que funciona. Esto incluye la necesidad de desarrollar compresores que sean diferentes de los tipos que se utilizan actualmente. Para que el hidrógeno sea un portador de energía viable, los compresores deben funcionar de manera eficiente y confiable. Lo más importante es que deben ser económicamente viables.
Como el hidrógeno tiene una densidad energética baja (0,089 kg/m3), 13 veces menor que la del aire y es difícil de almacenar en grandes cantidades, el hidrógeno debe comprimirse y almacenarse de la manera más económica. Para densificar este gas, hay que comprimirlo aplicando altos niveles de presión (entre 350 y 900 bares) para su almacenamiento. El volumen del hidrógeno es mucho mayor que el de otros hidrocarburos: casi cuatro veces más que el del gas natural. Para fines prácticos de manejo, el hidrógeno debe comprimirse antes de almacenarlo en los tanques.
En la búsqueda actual de fuentes de combustible alternativas a los tradicionalmente utilizados combustibles fósiles para su uso en movilidad, el hidrógeno se ha posicionado como un vector energético para contribuir a frenar el cambio climático. Su utilización, sin embargo, plantea algunos retos en términos de almacenamiento. El hidrógeno tiene una densidad muy baja (13 veces menor que la del aire) y ocupa un gran volumen a temperatura ambiente, lo que hace que su almacenamiento sea algo complicado. La forma más económica de densificarlo y almacenarlo es comprimiéndolo a una presión muy alta (entre 350 – 900 bares) antes de su uso.
¿Qué tipo de compresor es adecuado para la compresión de hidrógeno?
Los compresores alternativos y de diafragma (tipo de desplazamiento positivo) se utilizan principalmente para comprimir hidrógeno en la industria y con fines de transporte. Los compresores alternativos y de diafragma se utilizan actualmente en las estaciones madre de repostaje de hidrógeno para comprimir hidrógeno de electrolizadores (10s de bar) o remolques tubulares (250 – 500 bar), a presiones de repostaje de hasta 700 bar. El compresor iónico (IC90) utiliza un concepto de compresión en cinco etapas que cumple la última norma de repostaje SAE J2601 y permite el repostaje continuo, rápido y de alto rendimiento de vehículos de hidrógeno con unos costes de explotación considerablemente reducidos. Los compresores centrífugos suelen presentar ventajas mecánicas de diseño y eficiencia frente a los compresores de desplazamiento positivo en aplicaciones de gran caudal y presión de salida de 100 bares que se encuentran en las redes de transporte de gas. Los compresores centrífugos de hidrógeno están comparativamente menos maduros, ya que actualmente se está trabajando en el diseño y construcción de prototipos compatibles con aplicaciones de alto caudal.
La selección de compresores se basa en: -
- Volumen
- Caudal másico
- Presión y temperatura de entrada o aspiración
- Presión y temperatura de salida o descarga
- Gravedad específica del gas a comprimir.
Compresores alternativos: Caudales de bajos a moderados y relaciones de alta presión. Utilizados en plantas petroquímicas y refinerías de petróleo para comprimir el H2.
Compresor de diafragma: Caudales y relaciones de presión bajos y alta pureza y sistema de compresión de una sola etapa. Se utiliza en estaciones de servicio.
Compresores centrífugos: Caudales elevados y compresión moderada, los compresores centrífugos requerirán velocidades de la punta del impulsor en torno a 3 veces la velocidad superior para H2.
Compresor iónico: Es una solución de alto rendimiento que tiene un diseño homologado y es fácil de manejar. Permite repostar vehículos de hidrógeno de forma rápida, segura, altamente eficiente y económica a 35 o 70 MPa.
¿Cuál es la importancia de la compresión de H2 en las estaciones de servicio de hidrógeno?
En la actualidad, y en un futuro previsible, hay dos presiones principales que los vehículos utilizan para el almacenamiento: 350 bar y 700 bar. Las aplicaciones de repostaje a 700 bares requieren un surtidor de mayor presión, porque estos vehículos sólo disponen de un espacio finito para almacenar combustible; cuanto más gas se pueda poner en el sistema de almacenamiento a bordo de los vehículos, mayor autonomía tendrá el vehículo. La presión de 350 bares suele utilizarse para vehículos pesados como camiones y autobuses, y la de 700 bares para vehículos más ligeros.
El elemento de compresión de gas de una estación de repostaje es fundamental para permitir alcanzar las presiones de repostaje a esos niveles más altos. La forma más eficaz de suministrar hidrógeno a un vehículo es mediante un método llamado «en cascada», que permite que el gas fluya de una presión más alta a una más baja hasta que se iguala. La mejor forma de conseguirlo es tomar la presión del gas de entrada y comprimirla hasta una presión alta que se mantenga en el sistema de almacenamiento, que finalmente alimenta el surtidor al vehículo. Las estaciones de repostaje pueden almacenar gas a distintas presiones para permitir el uso más eficiente de este gas.
Dentro de una estación de repostaje de hidrógeno estándar, hay tres elementos clave: la compresión, seguida del almacenamiento y, por último, el dispensado. Disponer de la combinación adecuada de estos tres elementos es fundamental para la eficiencia de la estación. En la actualidad, una estación de hidrógeno media está diseñada para dispensar entre 400 y 500 kg al día. A medida que los camiones de hidrógeno entren en funcionamiento, esta cifra aumentará considerablemente. Podemos ver una tendencia en movimiento para las estaciones capaces de dispensar 1-2 toneladas al día. Para 2030, muchos creen que las estaciones situadas en los principales corredores de transporte que abastecen al sector de los vehículos pesados de mercancías dispensarán hasta 6 toneladas al día. El reto para la industria será desarrollar una tecnología de compresión que cumpla los requisitos de las grandes estaciones de servicio del futuro.
¿Cuáles son los retos y precauciones que deben tenerse en cuenta al comprimir hidrógeno gaseoso?
La compresión de hidrógeno presenta retos específicos.
- Uno de los problemas es la fragilización por hidrógeno, que puede penetrar en el material del compresor y debilitarlo, haciéndolo más propenso a agrietarse y fallar. Para solucionar este problema, se pueden utilizar materiales menos propensos a la fragilización y añadir revestimientos de acero inoxidable.
- Otro problema es el sellado del compresor, debido al pequeño tamaño de las moléculas de hidrógeno. Pueden escapar fácilmente a través de pequeñas rendijas. Para evitar fugas, es necesario diseñar juntas eficaces con materiales y técnicas especiales. Gestionar la fragilización del hidrógeno y los problemas de estanqueidad es importante para una compresión de hidrógeno segura y eficaz.
¿Cuáles son los problemas habituales asociados al funcionamiento de los compresores de hidrógeno?
Uno de los principales problemas de la compresión del hidrógeno es la importante penalización energética que conlleva. Comprimir hidrógeno a 35 MPa requiere 14,5 MJ por kg, mientras que comprimirlo a 70 MPa requiere 18 MJ por kg. Esto significa que alrededor del 15% de la energía del hidrógeno se gasta en la compresión cuando se almacena a 70 MPa. A pesar de ello, el hidrógeno comprimido sigue siendo la tecnología preferida para la industria química y la mayoría de los vehículos comerciales de pilas de combustible de hidrógeno, debido a sus buenas densidades energéticas en comparación con otros métodos de almacenamiento. El hidrógeno se comprime a presiones más altas (450 o 900 bares) que cualquier otro gas para conseguir una densidad adecuada para su almacenamiento. Además, como el hidrógeno es una molécula muy ligera, requiere más energía por kilogramo de gas para comprimirse en comparación con otros gases. Para comprimir el hidrógeno hasta 1.000 bares se necesitan unos 2,6 kWh/kg de gas para una compresión isotérmica ideal.
Los compresores se enfrentan a diversos problemas, como ruido y vibraciones, fluctuación de la presión, dificultades de arranque y parada por la presencia de líquido, y acumulación de sustancias extrañas que causan picaduras y abrasión. Estos problemas repercuten en la eficacia, fiabilidad y rendimiento del compresor. El compresor de hidrógeno requiere una gran precisión de fabricación y mantenimiento. Funciona gracias a la rápida rotación y movimiento alternativo del cigüeñal, que acciona las piezas de la cruceta y, en última instancia, comprime el hidrógeno. Sin embargo, estas piezas móviles son propensas a desgastarse con el tiempo, lo que puede afectar al rendimiento. Es necesario un mantenimiento regular para garantizar la seguridad y estabilidad del compresor.
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El inconveniente de los compresores mecánicos actuales, que utilizan diversas técnicas físicas, entre ellas el método del pistón, es su duración impredecible y su escasa eficiencia. Es necesario mejorarlos, ya que producen ruido y pueden contaminar el hidrógeno, por ejemplo mezclando los lubricantes utilizados en el proceso de compresión.
¿Cuáles son las innovaciones recientes en la tecnología de compresión de hidrógeno?
Un nuevo compresor de hidrógeno desarrollado en el Southwest Research Institute (SwRI) puede mejorar la eficiencia y fiabilidad de la compresión de hidrógeno utilizada en el repostaje de vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV). El compresor alternativo accionado por motor lineal (LMRC) desarrollado por el SwRI está diseñado para comprimir hidrógeno como fuente de combustible para los FCEV y otros vehículos impulsados por hidrógeno. A diferencia de la mayoría de los compresores de hidrógeno, el LMRC de SwRI’está herméticamente sellado y tiene un diseño de motor lineal que aumenta su eficiencia y fiabilidad. “El LMRC fue construido y diseñado para comprimir hidrógeno para repostar vehículos con pilas de combustible de hidrógeno”. “Para repostar vehículos de hidrógeno, el gas debe comprimirse primero a altas presiones. Así que nos propusimos diseñar un compresor más eficiente y a prueba de fugas. “Un reto clave para la compresión de hidrógeno es su pequeño tamaño de partícula, que aumenta la posibilidad de fugas cuando el gas fluye por el equipo. El LMRC supone una mejora con respecto a los compresores alternativos convencionales, ya que minimiza el número de piezas mecánicas, reduce las vías de fuga y se modulariza fácilmente para facilitar la instalación sobre el terreno. Como se ha mencionado anteriormente, la eficiencia isentrópica mejora con el diseño LMRC y las pérdidas mecánicas se reducen al disminuir los sistemas secundarios. El resultado es un aumento de la eficiencia global del sistema. Puede comprimir el gas desde 20 bar hasta 875 bar.
El Compresor Electroquímico de Hidrógeno (EHC) es un nuevo sistema que puede producir H2 purificado comprimido a partir de una mezcla compleja de gases, que no incluye piezas móviles ni pérdidas mecánicas y que funciona de forma isotérmica. El instituto alemán de investigación ZBT (Zentrum für BrennstoffzellenTechnik, GmbH) y el fabricante de equipos de gas Theisen están desarrollando y cualificando un nuevo sistema de compresor electroquímico para aumentar la eficiencia y reducir los costes de almacenamiento, transporte y suministro de hidrógeno. Un compresor electroquímico de hidrógeno (EHC) consta de una célula electroquímica con un ánodo de una pila de combustible PEM, un conjunto de electrodos de membrana (MEA) y un cátodo de un electrolizador PEM. La compresión se realiza mediante compresión isotérmica, lo que promete una mayor eficiencia. Al no tener piezas móviles, también se esperan menores costes de mantenimiento y una mayor disponibilidad, así como emisiones de ruido significativamente menores. En el marco de este proyecto, Theisen, con el apoyo de ZBT, desarrollará, construirá y pondrá en marcha un sistema de compresión basado en un contenedor con una capacidad de suministro de 10 kg/d de hidrógeno y presiones de salida realizables de hasta 400 bares, basado en la tecnología de células de HyET. Se está preparando la certificación del sistema
¿Qué composición de material es preferible para el sistema de compresión de H2?
Para bajas presiones <25Mpa el material que utilizamos en compresores de hidruro metálico son materiales de aleación de almacenamiento de hidrógeno de tierras raras tipo AB5 y para altas presiones <25Mpa- 80Mpa de salida de hidrógeno aleaciones de almacenamiento de hidrógeno de base de titanio tipo AB2. Para la compresión de hidrógeno, el material del compresor también debe resistir la fragilización por hidrógeno, o la entrada de hidrógeno en un componente. Esto puede reducir la ductilidad y la capacidad de carga del compresor, y provocar grietas y fallos frágiles catastróficos a tensiones inferiores al límite elástico de los materiales susceptibles. Por último, surgen dificultades en el sellado estático y dinámico debido al tamaño de las moléculas de gas. Las moléculas de hidrógeno son pequeñas y ligeras, lo que les permite escapar y filtrarse a través de huecos que la mayoría de los demás gases de proceso no pueden. El riesgo de fragilización por hidrógeno debe gestionarse restringiendo el límite elástico de los materiales utilizados y añadiendo revestimientos o recubrimientos de acero inoxidable.
¿Qué factores influyen en la eficiencia de un sistema de compresión de hidrógeno?
EFICIENCIA: la eficiencia de un compresor para hidrógeno se refiere a la cantidad de energía que se necesita para comprimir el gas hidrógeno. Es importante seleccionar un compresor de alta eficiencia que minimice el consumo de energía y los costes. La eficiencia de los compresores de hidrógeno suele medirse dividiendo la potencia de salida del compresor por la potencia de entrada del mismo. Esta relación se expresa en porcentaje, y un porcentaje más alto indica una mayor eficiencia. Hay varios factores que afectan a la eficiencia de un compresor de hidrógeno, como el diseño del compresor, las condiciones de funcionamiento y la calidad del hidrógeno gaseoso. Es importante considerar cuidadosamente estos factores cuando se selecciona y opera un compresor de hidrógeno para maximizar la eficiencia.
¿Cuáles son las consideraciones de compatibilidad de materiales para seleccionar materiales en entornos de hidrógeno a alta presión?
Las propiedades mecánicas de los materiales pueden verse afectadas por la exposición al hidrógeno. Factores como el tipo de material, las condiciones ambientales y la carga mecánica determinan el grado de deterioro. La selección y el diseño de los materiales deben tener en cuenta la disminución de las propiedades mecánicas debida a la exposición al hidrógeno. Los metales expuestos al hidrógeno pueden volverse quebradizos, lo que se traduce en una reducción de la resistencia, la ductilidad y la tenacidad, así como en una aceleración del crecimiento de grietas por fatiga. La mecánica de la fractura se utiliza habitualmente para analizar los componentes sometidos a presión con el fin de obtener una carga mecánica aceptable a pesar del deterioro inducido por el hidrógeno. Los materiales comúnmente utilizados en el servicio de gas hidrógeno son:
- Aceros inoxidables austeníticos,
- Aleaciones de aluminio,
- Aceros ferríticos de baja aleación,
- Aceros ferríticos C-Mn y
- Aleaciones de cobre.
Los materiales que suelen evitarse en el servicio de hidrógeno son:
- Aceros ferríticos de alta resistencia
- Aceros martensíticos de alta resistencia
- Fundiciones (incluidas las grises, maleables y dúctiles)
- Aleaciones de níquel.
- Aleaciones de titanio.
¿Qué tipo de filtro es adecuado antes de la compresión H2 y cuál es el tamaño poroso del filtro?
Los filtros de hidrógeno de alta presión ayudan a proteger el hidrógeno y los componentes de su sistema contra la contaminación que podría causar daños, prolongando la vida útil de su sistema. La producción de hidrógeno requiere que usted lo separe de las moléculas donde se produce.
- El filtro tipo T de la serie 51 de Chase Filters se puede encontrar en aluminio, acero inoxidable 303 y acero inoxidable 316. Tiene la capacidad de manejar caudales de hasta 50 GPM o 4000 SCFM, con presiones que pueden alcanzar hasta 6000 PSI. Este filtro ofrece una variedad de medios filtrantes, como celulosa, acero inoxidable, microvidrio y acero inoxidable sinterizado poroso. Con un rango de filtración de 1 a 1000 micrones, es un filtro increíblemente versátil adecuado para una amplia gama de aplicaciones. Los tamaños de puerto disponibles para este filtro varían de 1/4" a 1-1/2" NPT y de 1/2" a 1-1/2" FSAE.
- Los filtros ofrecen el filtro tipo T de la serie 52N, otra opción de filtración de hidrógeno. Está disponible en acero inoxidable 303, 316 y acero inoxidable 17-4 PH. Caudales de hasta 24 GPM o 11,5 m3/h. Al igual que la Serie 51, puede elegir entre varias clasificaciones de micrones. Varias clasificaciones de micrones que van de 1 a 150. También podemos seleccionar el medio filtrante como microvidrio, acero inoxidable sinterizado poroso, fieltro de fibra metálica o acero inoxidable típico para sus elementos. La Serie 52N es ideal para eliminar contaminantes del hidrógeno. Los tamaños de puerto varían de 1/4 "a 3/4" FNPT y de 1/4 "a 3/4" MP Port y HP Ports Tanto los filtros de la Serie 51 como los de la Serie 52N pueden eliminar contaminantes del hidrógeno y proteger sus elementos y extender la vida útil de su sistema.
