Producción de hidrógeno verde: requisitos de los compresores

Introducción al hidrógeno verde

El hidrógeno verde es el hidrógeno producido mediante electrólisis con fuentes de energía renovables, como el viento, el sol e incluso la energía hidroeléctrica. El proceso divide el agua en sus elementos constituyentes, hidrógeno y oxígeno, y produce hidrógeno gaseoso que se quema como combustible. A diferencia de la mayoría de los métodos de producción de hidrógeno, que dependen de alguna manera de la combustión de materiales que emiten dióxido de carbono, la producción de hidrógeno verde no genera esas emisiones. Por eso, el hidrógeno verde es una fuente de combustible importante en la transición hacia una energía más limpia. Puede utilizarse como combustible para el transporte, como fuente de energía térmica para procesos industriales en fábricas o como solución sostenible para generar electricidad y aprovechar mejor las energías renovables.

¿Qué es el hidrógeno verde?

El llamado hidrógeno verde se produce mediante un proceso denominado electrólisis, que utiliza electricidad para dividir el agua (H₂O) en sus dos elementos básicos: hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂). Para que el hidrógeno sea verde, la electricidad usada en la electrólisis debe provenir de fuentes limpias o renovables, como la energía eólica, solar o hidroeléctrica. Para mejorar la eficiencia y ampliar la capacidad, suelen emplearse tecnologías avanzadas como la membrana de intercambio de protones (PEM) y la electrólisis alcalina. Estas tecnologías permiten producir hidrógeno sin emisiones, y generan únicamente vapor de agua y oxígeno como productos finales.

Los avances recientes en el diseño de electrolizadores y la generación de energía renovable han mejorado considerablemente la competitividad económica del hidrógeno verde y ampliado su disponibilidad para aplicaciones comerciales. En el marco de una alianza mundial cada vez más amplia para alcanzar la neutralidad de carbono, países y sectores industriales han invertido considerablemente en infraestructura para el hidrógeno verde, incluidas instalaciones de producción y redes de distribución destinadas a facilitar su adopción en distintos sectores.

La importancia de la economía del hidrógeno

La transición hacia un futuro sostenible y con bajas emisiones de carbono estará marcada por la innovación tecnológica, especialmente en el sector energético. El hidrógeno es una de las posibles soluciones para reducir las emisiones de carbono en todo el mundo, en particular en sectores difíciles de descarbonizar, como la manufactura, el transporte de carga de larga distancia y la aviación. Esto se debe a que el hidrógeno no produce emisiones cuando la energía se almacena y comprime en celdas o en una cámara de combustión. Puede contribuir a enfrentar el cambio climático y satisfacer las necesidades energéticas en todo el mundo.

En los últimos años ha quedado claro que la industria mundial del hidrógeno no solo crecerá, sino que se estima que superará los $300 mil millones para 2050. Este crecimiento se debe al desarrollo de plantas de producción de hidrógeno más viables y a la reducción de los sistemas menos eficaces, como los electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM). Los electrolizadores fueron uno de los primeros factores que se identificaron entre las muchas razones que explican esta evolución. Además, en las regiones con mayor consumo de energía, como Estados Unidos, Japón y la Unión Europea, las economías del hidrógeno reciben apoyo de programas sobre tecnologías e infraestructura para este gas. Estos programas suelen ir más allá de los principios y estrategias ampliamente adoptados para acelerar su implementación.

Además, el hidrógeno molecular ya se utiliza en otros ámbitos, como los vehículos eléctricos de celda de combustible (FCEV) y la producción de amoníaco, lo que demuestra que su papel es cada vez más amplio. El hidrógeno no se limita a un solo sector, sino que actúa como catalizador o herramienta para generar, almacenar y suministrar energía. Por lo tanto, su uso sin emisiones es un aspecto ambiental importante, pero también lo es su potencial como solución energética para la economía mundial.

Panorama de la cadena de valor del hidrógeno

La cadena de valor del hidrógeno abarca las distintas etapas de producción, almacenamiento, suministro y uso en diversos sectores. Entre los métodos posibles de producción se encuentran la electrólisis con electricidad, el reformado de metano con vapor —incluido el reformado de metano con vapor (SMR) y compensación de carbono— y, más recientemente, la división del agua mediante procesos microbianos y termoquímicos. Actualmente, la electrólisis recibe especial atención debido al auge del hidrógeno verde, que se produce sin liberar carbono a la atmósfera, un requisito fundamental para alcanzar los objetivos climáticos mundiales.

Las soluciones de almacenamiento de hidrógeno incluyen varios métodos, como la compresión, la licuefacción y los portadores químicos, por ejemplo, el amoníaco o los hidruros metálicos. Cada método tiene ventajas particulares según las necesidades de transporte y uso. La infraestructura de distribución, que incluye tuberías, contenedores de alta presión y transporte marítimo de hidrógeno líquido o en un portador, está mejorando considerablemente para responder al rápido crecimiento de la economía del hidrógeno.

En pocas palabras, la expansión del uso del hidrógeno abarca las celdas de combustible para el transporte, las aplicaciones industriales y el almacenamiento de energía a gran escala. Esta tendencia se aplica ampliamente en sectores como la siderurgia, la aviación y la industria marítima, y demuestra que el hidrógeno puede ayudar a reducir las emisiones que la sociedad tiene dificultades para eliminar. Se espera que el mercado del hidrógeno experimente una fuerte expansión durante el período previsto para las ventas, impulsada por nuevos requisitos tecnológicos generales y por incentivos asequibles para la adopción del hidrógeno, lo que lo convertirá en un pilar de la transición mundial hacia un sistema energético sostenible.

Tecnología de compresión en la producción de hidrógeno

Los compresores de hidrógeno son elementos fundamentales en la producción, ya que permiten transportar y almacenar el gas al elevar su presión hasta los niveles requeridos. Esto es especialmente importante en distintos métodos de producción, como la electrólisis del agua y el reformado de gas natural con vapor, porque el hidrógeno debe comprimirse antes de enviarlo a otra etapa o inyectarlo en agua con un alto nivel de pureza. Los compresores modernos afrontan y superan los desafíos que plantean el bajo peso molecular y la alta difusividad del hidrógeno, lo que mejora la seguridad y la eficiencia del sistema. Por este motivo, para mantener la pureza del hidrógeno y reducir el riesgo de contaminación cruzada, suelen utilizarse compresores de pistón libres de aceite y compresores de diafragma, junto con otras tecnologías, como materiales avanzados de alta resistencia al hidrógeno y reguladores de retroalimentación.

Tipos de compresores utilizados en sistemas de hidrógeno

Función de los compresores de hidrógeno en el proceso de producción

Los sistemas de bombeo de hidrógeno son esenciales para almacenar, producir, distribuir, utilizar y transportar este elemento en los sectores energético e industrial. Son indispensables para elevar la presión del hidrógeno y acondicionarlo para distintos medios de transporte de gas o para su uso en componentes de almacenamiento. En instalaciones donde se produce hidrógeno, como canales de vapor o plantas de electrólisis, se necesitan compresores de gas para garantizar que el hidrógeno producido alcance la presión requerida para las etapas posteriores, como la purificación, la licuefacción o el suministro a través de sistemas de abastecimiento habituales.

A medida que las tecnologías de compresión de hidrógeno avanzan gracias a nuevos materiales y técnicas en las ciencias y la ingeniería del hidrógeno, el diseño de los compresores debe tener en cuenta las características particulares de este gas, como su bajo peso molecular y su alta permeabilidad. Esto exige, entre otros aspectos, sistemas de sellado robustos, materiales resistentes a la fragilización por hidrógeno e ingeniería de precisión para resolver los problemas de sellado y funcionamiento. Además, el crecimiento de las fuentes de energía alternativas con «características sostenibles», como la producción de hidrógeno, probablemente acelerará el desarrollo de compresores energéticamente eficientes y con bajos costos de servicio técnico, incluidos los que utilizan tecnologías electroquímicas y de líquido iónico.

La captura avanzada de carbono se ha aplicado de muchas maneras y ha ayudado, entre otras cosas, a reducir las emisiones de plantas que antes no participaban en medidas de reducción. En el futuro, es probable que se extienda la captura de carbono a pequeña escala en la industria, debido a las regulaciones de emisiones más estrictas que establezcan los gobiernos o los programas regionales para reducirlas.

Compresores alternativos frente a otras tecnologías

Requisitos técnicos de los compresores de hidrógeno

Soluciones de compresión para proyectos de hidrógeno

La compresión de hidrógeno debe ser eficiente en los sistemas de producción, almacenamiento y transporte, en instalaciones industriales y en otras fuentes de energía alternativas destinadas a abastecer los mercados de energía renovable. Los compresores de hidrógeno actuales incorporan tecnologías más avanzadas, como sistemas rotativos, alternativos y de líquido iónico, para comprimir el gas a alta presión y mantener su pureza. La relación de compresión, el caudal, el ahorro de energía y la resistencia a las propiedades particulares del hidrógeno, como su bajo peso molecular y su alta tasa de difusión, son algunos de los aspectos más importantes al elegir un equipo de compresión.

El hidrógeno puede provocar la degradación de los materiales y la pérdida de tenacidad de los metales, un efecto que ciertos sistemas arquitectónicos pueden intensificar. El uso de materiales modernos y avanzados, diversos recubrimientos anticorrosivos y prácticas de mantenimiento predictivo permite abordar estos riesgos. Además, en un escenario de hidrógeno verde, los compresores de gas deben soportar condiciones de operación variables y funcionar con distintas presiones con carga y sin carga para adaptarse a las fluctuaciones de los sistemas de energía renovable.

Integración con sistemas de compresión

La incorporación de conceptos de compresión de gas en el diseño de estaciones de abastecimiento de hidrógeno exige nuevas tecnologías, porque las convencionales no pueden satisfacer las enormes exigencias del procesamiento de combustible de hidrógeno. Los sistemas de compresión actuales utilizan compresores centrífugos adiabáticos o de pistón, desarrollados específicamente para el hidrógeno debido a su bajo peso molecular y pequeño tamaño atómico. También se llevan a cabo amplias investigaciones para desarrollar sistemas de tuberías de alta presión necesarios en estas instalaciones, que tengan un rendimiento igual de adecuado.

Muchos sistemas buscan lograr un rendimiento óptimo mediante el monitoreo en tiempo real y el mantenimiento predictivo, con ayuda del análisis de datos y los sensores de la Internet de las cosas (IoT). En las instalaciones, los operadores pueden necesitar conocer la temperatura, la presión o el consumo de energía de la planta. Estos datos pueden ayudar a comprobar si las actividades realizadas están funcionando o requieren ajustes para operar correctamente, reducir costos y evitar el desgaste del equipo.

Al combinar estas posibilidades avanzadas con fuentes de energía renovables y limpias, como la solar y la eólica, una instalación puede funcionar sin mayores inconvenientes aunque el aporte de energía varíe con el tiempo, algo que tradicionalmente ha dificultado la compresión de hidrógeno. La incorporación de nuevas soluciones innovadoras en el mercado de la energía del hidrógeno permite reconocer los esfuerzos para abordar otros aspectos del problema del carbono, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y desarrollar las energías renovables.

Optimización de la eficiencia y el rendimiento

Se prevé que el sector comercial del hidrógeno verde crezca de forma exponencial en los próximos años. En este contexto, la mayoría de los actores de la industria ha pasado por alto la necesidad de brindar asistencia rápida y oportuna, o resolver problemas relacionados con el funcionamiento correcto de los compresores. Aunque un sistema bien mantenido y equipado ofrece un rendimiento que cumple de manera consistente con los requisitos, se advierte a las nuevas empresas que no confíen en ello como garantía de éxito. Estas nuevas tecnologías permiten aplicar estrategias más viables de optimización y gestión para operar con éxito las instalaciones de producción de hidrógeno y ampliarlas a una escala determinada.

Estrategias para mejorar la compresión de hidrógeno

Para mejorar la eficiencia y la durabilidad de la compresión de hidrógeno, es fundamental utilizar materiales de última generación en los compresores. Actualmente se emplean aceros inoxidables, polímeros reforzados con fibra de carbono y plásticos de alta resistencia al desgaste por su capacidad para soportar altas presiones y medios agresivos que contienen hidrógeno. Por ello, los materiales con baja permeabilidad al hidrógeno pueden reducir los daños que este causa mediante transformaciones de fase que deterioran la resistencia de los componentes. El uso de estos nuevos materiales en el diseño de las unidades de compresión permite aprovechar mejor el equipo, que funciona de manera constante incluso en condiciones desfavorables. Además, reduce la frecuencia de los servicios de mantenimiento.

Para alcanzar presiones de hidrógeno más altas, es necesario utilizar de manera eficiente la compresión de hidrógeno en varias etapas. Esta técnica divide el proceso de aumento de presión en varias etapas, durante las cuales la presión se eleva y se disipa el calor generado por el funcionamiento del compresor. El uso de intercambiadores de calor en cada etapa también permite resolver el problema de la gestión térmica y hace que el sistema sea aún más eficiente. Además, estos sistemas reducen la tensión sobre cada componente y, por lo tanto, aumentan la durabilidad de muchas piezas. La aplicación de tecnologías que permiten al usuario comprender mejor y gestionar el diseño de compresión con sistemas múltiples y sensores de alta sensibilidad aborda los problemas de control.

Monitoreo y análisis del rendimiento del compresor

El monitoreo y análisis eficaces del rendimiento del compresor dependen de las innovaciones tecnológicas actuales, incluidos los avances en tecnologías analíticas. Los sensores instalados en el compresor registran parámetros importantes, como presión, temperatura, vibraciones y caudal. Al recopilar datos en tiempo real y calcular estos parámetros de operación, también es posible detectar deficiencias de eficiencia o problemas, como posibles fallas. Los análisis emplean algoritmos para aprovechar los datos y examinar patrones y tendencias de comportamiento. Las actividades normales de una unidad de compresión provocan un desgaste gradual; el consumo de energía eléctrica disminuye durante las horas pico, lo que reduce el tiempo de inactividad y facilita la integración de los compresores en el proceso de producción de hidrógeno.

Enfoques innovadores para mejorar la eficiencia

Desde el punto de vista estratégico, adquirir una combinación de sustancias tecnológicas estonias o tejidos altamente mejorados, como estructuras y composiciones, constituye una solución integral para mejorar el rendimiento. Como estos materiales tienen una mejor conductividad térmica, coeficientes de fricción más bajos y mayor capacidad de carga en condiciones de operación, mejoran automáticamente la eficiencia de las operaciones. Por ejemplo, muchos compuestos avanzados de matriz cerámica con protección térmica ya están disponibles en el mercado e incorporan tecnología de ahorro de energía, en particular para reducir la energía de penetración debida al calentamiento. Además, para mitigar el desgaste se recurre cada vez más a recubrimientos con propiedades antiincrustantes y capacidades de sellado integradas que, de hecho, prolongan la vida útil y permiten que la unidad esté lista para operar.

Además, el aprendizaje automático también ha alcanzado un nivel superior gracias al uso de tecnologías recientes, como el análisis predictivo. Estos sistemas recopilan datos durante todo el día sobre determinados factores y los analizan, lo que permite pronosticar fallas y planificar eficazmente el mantenimiento. Los protocolos basados en eventos, el análisis de regresión y la detección de anomalías contrarrestan las desviaciones del comportamiento normal mediante medidas correctivas que eliminan posibles interrupciones operativas durante las horas de servicio de mayor demanda. Los modelos predictivos para la gestión energética también facilitan el cambio hacia un uso optimizado de la energía mediante un enfoque proactivo y ajustes en línea de la producción del sistema para satisfacer la demanda en tiempo real. De este modo, se ahorra energía y, lo más importante, no se sacrifica la integridad del sistema.

Consideraciones de seguridad en la compresión de hidrógeno

La presurización del hidrógeno licuado para su envasado y transporte implica riesgos considerables. Esto se debe a las características particulares del hidrógeno: es ligero, muy difusivo e inflamable. Por ello, se debe prestar mucha atención a la selección de materiales, ya que el hidrógeno puede ser absorbido por los metales y provocar fragilización por hidrógeno, lo que puede causar fallas por encima de los límites de diseño. Se deben incorporar al diseño del sistema medidas de seguridad ante fallas, como dispositivos de alivio de presión y equipos de detección de fugas que permitan identificar anomalías y responder a ellas lo antes posible.

Identificación de riesgos en los sistemas de compresión de hidrógeno

Los sistemas de compresión de hidrógeno presentan varios riesgos durante su uso habitual, principalmente debido a que el hidrógeno se encuentra en estado gaseoso. El principal riesgo es su inflamabilidad y su amplio rango de inflamabilidad (4-75% del volumen de aire), que aumenta el riesgo para la seguridad física debido a la posibilidad de ignición accidental por fugas de hidrógeno. También preocupan las microfugas, ya que puede ocurrir un accidente durante el uso del sistema: el hidrógeno es muchas veces más letal que la mayoría de los gases y puede atravesar un material impermeable de sellado.

También preocupan los efectos del bajo peso molecular y la alta difusividad del hidrógeno, que han provocado fragilización por hidrógeno y pérdida de tenacidad del material debido al aumento de la fatiga. Estos problemas se intensifican a altas presiones, cuando el gas hidrógeno interactúa con los metales y las aleaciones y se forman microfisuras en ellos, lo que aumenta la resistencia de los elementos metálicos. La búsqueda de materiales con propiedades que los protejan de estos efectos permite cumplir con las obligaciones de seguridad.

Otro peligro operativo surge del marcado aumento de temperatura causado por cambios bruscos de presión en el compresor. Las sobretensiones excesivas, sin las precauciones adecuadas, pueden generar calor excesivo y provocar una posible falla del sistema. Por eso es indispensable implementar soluciones más avanzadas en el diseño industrial, la supervisión, la detección de fugas y otros aspectos, ya que en cualquier industria el riesgo de fallas siempre es alto y el incumplimiento es inaceptable.

Buenas prácticas para una operación segura

Fuentes de referencia

Preguntas frecuentes (FAQ)