El hidrógeno: ¿Vital para la transición energética?
Se han establecido objetivos ambiciosos para combatir el cambio climático, con el acuerdo de varias organizaciones en la COP26 del año pasado, el objetivo es alinearse para alcanzar las emisiones netas cero a mediados de siglo1. La descarbonización es de gran importancia en las agendas y gran parte de la atención se centra en la transición energética y la captura y el almacenamiento de carbono (CAC).
Se están explorando nuevas formas de producir energía y el hidrógeno (H2) es uno de los métodos que más importancia ha ganado. El hidrógeno puro se obtiene mediante la división de moléculas, ya sea por reformado de vapor o por electrólisis2. Una vez producido, el H2 puede quemarse directamente o mezclarse con oxígeno para crear una pila de combustible, que es como una batería, y cuyo único residuo es el agua (H2O). Con un crecimiento del 28% en la demanda de hidrógeno en la última década, su popularidad está aumentando, en parte debido a que tiene una densidad energética excepcional (MJ/kg)3.
Pero, ¿está la industria energética preparada para esta transición energética? En este artículo analizaremos cómo debe prepararse el sector intermedio (midstream) para el hidrógeno.
- Tipos de hidrógeno
- Considerando la infraestructura de ductos de gas natural
- Cómo la simulación de ductos puede facilitar la transición energética
Tipos de hidrógeno
El hidrógeno es un gas invisible. Para describirlo, se utilizan diferentes mapas de color, lo que ayuda a distinguir los diferentes métodos de producción. Hasta ahora hay hidrógeno negro o marrón, gris, azul, turquesa, rosa, amarillo, verde y blanco.
El hidrógeno blanco es de origen natural, se encuentra en depósitos subterráneos y se crea a través del fracking. Actualmente no hay estrategias para explotar este hidrógeno4.
Figura 1: Tipos de hidrógeno y sus métodos de producción
Actualmente, alrededor del 95% de todo el hidrógeno se produce a partir del reformado al vapor del gas natural5. El principal problema del hidrógeno negro o marrón y del gris es que siguen emitiendo una gran cantidad de gases de efecto invernadero y el CAC no es parte del proceso para reducir estos gases. El hidrógeno negro o marrón utiliza combustibles fósiles como parte de su proceso de producción. Se utiliza carbón negro o lignito (carbón subbituminoso), y se emite dióxido de carbono (CO2) y monóxido de carbono (CO).
Por otro lado, a veces se menciona que el hidrógeno azul es neutro en carbono. La mayor parte de las emisiones capturadas a través del CAC no se dispersan en la atmósfera, a pesar de que el proceso puede utilizar combustibles fósiles como fuente de energía. Se argumenta que debería calificarse como "bajo en carbono", para una descripción más precisa, ya que entre el 10 y el 20% del carbono generado no puede ser capturado6.
El hidrógeno turquesa es relativamente nuevo. Se sitúa entre el hidrógeno azul y el verde y utiliza la pirólisis de metano como método de producción. Los resultados de este proceso son el hidrógeno y el carbono, pero a diferencia de la reformación con vapor, el carbono es sólido7. Esto significa que no se necesita el CAC y que el carbono sólido puede utilizarse en otras aplicaciones, como la mejora del suelo o la fabricación de productos como los neumáticos.
El hidrógeno producido por la energía nuclear, a menudo denominado rosa (o a veces púrpura o rojo), se genera mediante electrólisis. Las altísimas temperaturas de los reactores nucleares también podrían utilizarse en otras producciones de hidrógeno mediante la producción de vapor para una electrólisis más eficiente o para el reformado de metano a base de gas fósil4.
El hidrógeno que se produce utilizando fuentes de energía renovables es verde o amarillo. El hidrógeno amarillo es una expresión relativamente nueva para el hidrógeno producido mediante electrólisis utilizando energía solar. El H2 verde puede producirse mediante cualquier fuente de energía renovable.
Considerando la infraestructura de ductos de gas natural
Se habla mucho de reutilizar los gasoductos de gas natural para el hidrógeno como parte de la economía circular. Pero esta idea presenta algunas preocupaciones. La fragilidad del hidrógeno se produce cuando el metal se degrada. La tensión a la que se somete el gasoducto significa que es probable que se rompa o tenga fugas.
Un informe descubrió que el gas de hidrógeno era capaz de disociarse (separación de los átomos) en protones, haciendo que el ducto los absorba en su superficie8. Defectos como dislocaciones o grietas recientes cerca de la superficie interna de la tubería eran los culpables de esta disociación. Por lo tanto, es de gran importancia que la infraestructura tenga pocos o ningún defecto para transportar H2. El informe también concluyó que el análisis de la composición del acero tendría que refinarse más allá de lo que se usa en la actualidad, profundizando en la microestructura del acero. Limitar el análisis a la dureza del acero no es suficiente para reducir el riesgo de fragilidad8. También existe la preocupación de que el hidrógeno pueda impregnar el metal, filtrándose a través de la tubería. Además, la posibilidad de que se produzcan fugas por cualquier defecto en la pared de la tubería o en los accesorios es mucho mayor que con el gas natural. Su baja densidad significa que los átomos son difíciles de contener.
Una vez en el aire, el hidrógeno se vuelve inflamable. Siendo unas 57 veces más ligero que el vapor de gasolina y 14 veces más ligero que el aire, se dispersa muy rápidamente cuando se encuentra en un entorno abierto. La inflamabilidad del H2 oscila entre el 4% y el 75% en el aire, un rango más amplio en comparación con otros fules9. La llama del hidrógeno es casi invisible a la luz del día y apenas visible por la noche, por lo que es más difícil de detectar solamente por los sentidos humanos. Por lo tanto, la detección automática de fugas de hidrógeno y de su combustión es fundamental.
Figure 2: Llama de hidrógeno en el día y en la noche9
La necesidad de un sistema fiable de detección de fugas
Un sistema de detección de fugas en ductos (LDS) es una de suma importante para que el sector midstream se prepare para el hidrógeno. Los operadores de ductos necesitarán un sistema sensible y preciso para mitigar los riesgos de ruptura o una fuga.
Soluciones como Atmos Simulation (SIM) Suite pueden detectar y localizar fugas de forma eficaz. Este sistema utiliza el modelo hidráulico y un algoritmo de análisis estadístico para detectar fugas de forma fiable y localizarlas con precisión
En sectores como el hidrógeno, donde los operadores de ductos son relativamente inexpertos, es importante contar con un LDS confiable. Sistemas como Atmos SIM contribuyen a aumentar la confianza de los controladores y les permite tomar decisiones ante una sospecha de fuga.
Cómo la simulación de ductos puede facilitar la transición energética
Existen algunas incógnitas en torno a las iniciativas de descarbonización, como el cambio a la energía del hidrógeno. La simulación de ductos puede ser una herramienta útil para facilitar la transición del gas natural al hidrógeno. Respecto al debate sobre el uso de la infraestructura existente, los operadores de deben comprender plenamente las limitaciones de capacidad.
Los simuladores de ductos, como Atmos SIM, pueden utilizarse para modelar las mezclas de hidrógeno. Cuando se utiliza fuera de línea, la simulación puede ayudar a las empresas de ductos a entender si es necesario reforzar la red.
Se pueden mencionar tres consideraciones fundamentales para entender cómo la red hará frente a la futura demanda y cómo el H2 afectará a la capacidad de la red. Son las siguientes:
- Ubicación del suministro
- Topología de la red
- Presiones requeridas por la demanda
Para responder a las preguntas relacionadas con estas consideraciones básicas, se construye un caso base para el 100% de gas natural utilizando la cantidad máxima diaria (MDQ por sus siglas en inglés) actual en todas las demandas. Los resultados muestran una demanda total de 345 Tj/d (Terajoule por día).
Figura 3: Un caso utilizando la cantidad máxima diaria (MDQ)
El MDQ es un punto inicial para el análisis. La demanda total se incrementa cada 24 horas, dividida según el estado inicial. Atmos SIM facilita esta tarea con los grupos de demanda. Una vez que se viola la restricción de presión mínima, la demanda se reduce para mantener la presión. El punto en que esto ocurre se considera como capacidad máxima.
La figura 3 expone que la capacidad máxima se reduce a medida que aumenta la concentración de hidrógeno, calculando las capacidades como:
- 100 gas natural 900 Tj/día
- 10% de hidrógeno 850 Tj/día
- 25% de hidrógeno 750 Tj/día
- 50% de hidrógeno 700 Tj/día
Figura 4: Capacidad máxima de la mezcla de hidrógeno calculada por Atmos SIM (rojo 0%, verde 10%, azul 25% y naranja 50%)
Preparando el sector midstream para
La transición al hidrógeno presenta algunos retos e incógnitas importantes para los operadores de ductos. Hay dudas sobre cómo afectará el H2 a la infraestructura, siendo la fragilidad del hidrógeno un área clave de preocupación. Esto significa que un LDS fiable y preciso será crucial para el midstream. Los "LDS" ayudan a mitigar los riesgos que suponen las rupturas y las, ya que se pueden detectar y localiza con precisión. Por lo que los operadores de ductos pueden enviar a los ingenieros al lugar lo antes posible para aislar la fuga.
Las herramientas de simulación de ductos también pueden ayudar a reducir las áreas de incertidumbre. Ayudan a los operadores de ductos a entender cómo se comportará su infraestructura con diferentes mezclas de hidrógeno. Este proceso se facilita y automatiza en Atmos SIM Offline.
Reference
1https://ukcop26.org/cop26-goals/
2https://www.youtube.com/watch?v=fkX-H24Chfw
3https://www.woodmac.com/market-insights/topics/hydrogen-guide/
4https://www.nationalgrid.com/stories/energy-explained/hydrogen-colour-spectrum
5https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-fuel-basics
6https://www.weforum.org/agenda/2021/07/clean-energy-green-hydrogen/
7https://fsr.eui.eu/between-green-and-blue-a-debate-on-turquoise-hydrogen/
8https://www.advisian.com/en/global-perspectives/in-the-pipeline--an-analysis-of-hydrogen-embrittlement-in-australias-pipeline-networks
9https://h2tools.org/bestpractices/hydrogen-compared-other-fuels