Compresor de hidrógeno para integración con electrolizadores

Comprender los compresores de hidrógeno

En términos operativos, un compresor de hidrógeno es una máquina que facilita el almacenamiento, transporte o consumo de hidrógeno al aumentar la presión del gas. La compresión de hidrógeno consiste en elevar su presión de baja a alta mediante equipos mecánicos como compresores de pistón, de diafragma o centrífugos. Estos compresores de desplazamiento volumétrico están diseñados para adaptarse a la compresibilidad del hidrógeno y evitar, en la medida de lo posible, que el gas escape. Su diseño busca reducir los riesgos asociados con las moléculas pequeñas y muy móviles del hidrógeno, y garantizar que prácticamente no haya fugas. Además, estos compresores se fabrican con materiales avanzados y sellos adecuados para soportar presiones elevadas; por eso, en los sistemas destinados a usuarios comunitarios suelen ser estructuras críticas que requieren espacio.

¿Qué es un compresor de hidrógeno?

Un compresor de hidrógeno es un dispositivo mecánico diseñado para comprimir hidrógeno gaseoso y aumentar su presión y velocidad para distintos usos industriales, de transporte y almacenamiento. Estos sistemas son un componente clave de la economía del hidrógeno, ya que permiten actividades como el funcionamiento de celdas de combustible, la operación de estaciones de recarga de hidrógeno y el almacenamiento del hidrógeno como gas comprimido o en forma líquida para transportarlo a otro lugar.

En particular, los compresores de hidrógeno más recientes incorporan soluciones tecnológicas avanzadas. Utilizan tecnología de sellado de precisión, soportan altas temperaturas y presiones, y emplean métodos de enfriamiento activos y eficientes para afrontar los grandes retos que plantea el hidrógeno: es un gas liviano y de baja permeabilidad. El funcionamiento de estos compresores facilita el mantenimiento y la manipulación del hidrógeno, cuyas características implican riesgos, especialmente en aplicaciones energéticas y de almacenamiento de energía a alta presión.

Principios de la compresión de hidrógeno

En esencia, la compresión de hidrógeno busca reducir el volumen que ocupa para aumentar su presión, determinada por sus propiedades termodinámicas. Por ser una molécula tan pequeña y liviana, el hidrógeno presenta ciertas dificultades durante la compresión: tiende a desplazarse por la superficie del recipiente, el gas ofrece muy poca resistencia interna y puede escapar a través de las paredes. En términos generales, los equipos para este propósito se clasifican en compresores de desplazamiento positivo, como los compresores alternativos y de diafragma, o compresores dinámicos, como los centrífugos. Cada tipo de compresor se diseña para cumplir con las condiciones requeridas en cuanto a la presión que puede soportar el sistema, el consumo de energía y, en ocasiones, la variación del caudal.

Los avances en los materiales para compresores de hidrógeno han mejorado su vida útil y rendimiento general. El progreso en este campo se refleja en la introducción de nuevas aleaciones y recubrimientos que reducen la fricción y evitan la contaminación. Cabe destacar que el hidrógeno puede penetrar muchos materiales. Sin embargo, las tecnologías de sellado especializadas permiten utilizar los equipos a presiones superiores a 700 bar, una práctica habitual en los sistemas de almacenamiento y recarga de hidrógeno. Estos sistemas de control también permiten gestionar con mayor precisión el funcionamiento de los mecanismos de compresión, reducir la demanda de voltamperios y aumentar los márgenes de seguridad, de acuerdo con las normas aplicables a las aplicaciones de portadores de energía.

Diferentes tipos de compresores de hidrógeno

Importancia de la compresión de hidrógeno en los sistemas de electrólisis

En los sistemas de electrólisis, la compresión de hidrógeno es una función clave para que la tecnología sea eficaz. Un electrolizador es un equipo diseñado para producir gases, en particular hidrógeno y oxígeno, al dividir las moléculas de agua en sus elementos mediante electricidad. Sin embargo, para algunas aplicaciones, como el almacenamiento en tanques de alta presión o el uso de hidrógeno en tuberías, el hidrógeno generado a baja presión puede resultar poco útil. La compresión aumenta su presión y permite almacenarlo de forma compacta y rentable. Otra ventaja es que permite alcanzar la presión necesaria para utilizar hidrógeno en distintas aplicaciones industriales y energéticas, como las celdas de combustible. Estos otros sistemas tienen límites o requisitos de presión, por lo que es prudente comprimir el gas hasta alcanzar el límite de presión.

Función de los compresores en la producción de hidrógeno

Los compresores cumplen una función importante en la producción y el transporte eficientes de hidrógeno. Se utilizan en distintas etapas del proceso, que varía según el método de producción, como la electrólisis o el reformado de metano con vapor (SMR). Por ejemplo, un electrolizador produce hidrógeno a baja presión, por lo que probablemente se necesite un compresor para elevarla y permitir otros usos, como el almacenamiento, el transporte o la generación de energía eléctrica en celdas de combustible. Los compresores más recientes, como los de diafragma y de pistón, son adecuados para trabajar con hidrógeno, dado que este gas tiene baja densidad y no contamina cuando se filtra.

Además, los avances recientes en el almacenamiento de hidrógeno han facilitado su implementación al reducir los tiempos de inactividad relacionados con el consumo de energía y el deterioro de los materiales. Los compresores de alta eficiencia, junto con sistemas de sellado diseñados especialmente y materiales avanzados, permiten reducir el consumo de energía y el desgaste resultante. Las mediciones de presión que abarcan toda la gama de especificaciones industriales minimizan los obstáculos al almacenamiento y transporte de hidrógeno comprimido derivados de las preocupaciones de salud y seguridad propias de instalaciones como las estaciones de recarga de hidrógeno y las redes de distribución industrial. El futuro de la tecnología de compresión depende de la expansión del uso de la energía del hidrógeno en el proceso de descarbonización.

Procesos de purificación y su impacto

Dado que se busca utilizar el hidrógeno en estado puro como fuente de energía, algunas aplicaciones muy exigentes, como la generación de energía en celdas de combustible, requieren hidrógeno de alta pureza. Estas aplicaciones no convencionales exigen distintas técnicas de purificación, como la adsorción por cambio de presión (PSA), la separación por membrana y la destilación criogénica, para eliminar impurezas nocivas como dióxido de carbono, metano, nitrógeno y vapor de agua. En la PSA, por ejemplo, ciertos materiales adsorbentes se utilizan a alta presión para aislar las impurezas de forma selectiva y alcanzar niveles de pureza de hasta 99.999%.

Los procesos anteriores son muy importantes y ofrecen beneficios considerables tanto para la naturaleza como para el bolsillo de las personas. Las tecnologías de purificación del hidrógeno permiten cumplir los requisitos ambientales y, en última instancia, superar estas limitaciones; además, mejoran la documentación económica del uso de las plantas de producción de hidrógeno. Las empresas que adoptan estas tecnologías cumplen los requisitos sobre el contenido mínimo de impurezas nocivas que establecen normas como ISO 14687. El cumplimiento de estas normas es fundamental para usar con eficiencia las celdas de combustible en las que el hidrógeno funciona como portador de energía.

Soluciones de almacenamiento a alta presión

Los sistemas de almacenamiento a alta presión tienen un impacto importante en el uso seguro y eficiente de celdas de combustible de hidrógeno en distintos ámbitos, como el transporte terrestre y algunas industrias. Están diseñados e instalados para mantener presiones que normalmente varían entre 350-700 bar. Esta configuración permite alcanzar una densidad energética de almacenamiento relativamente alta y aprovechar al máximo el espacio disponible en un área compacta. Para fabricar tanques de alta presión se utilizan materiales compuestos, como los reforzados con fibra de carbono, que ofrecen poco peso y resistencia al daño en condiciones de operación exigentes.

El aumento de la investigación y el desarrollo ha dado lugar a tecnologías de almacenamiento a alta presión de vanguardia, cuyo objetivo es mejorar el rendimiento y la seguridad a precios accesibles, y cumplir normas como ISO/TS 15869, entre otras. Estos avances incluyen diversos materiales para construir tanques multicapa que actúan como barrera frente a la permeación de hidrógeno. El diseño optimizado también ayuda a evitar la pérdida de resistencia durante el método de escaneo. Además de los sistemas de cierre que se utilizan para mitigar las fugas del sistema, la integración de sistemas inteligentes de monitoreo permite medir la presión y la temperatura con precisión y en tiempo real.

Avances tecnológicos en compresores de hidrógeno

Los informes sobre las mejoras en los compresores de hidrógeno se han centrado en el ahorro de energía. Actualmente, los compresores utilizan la compresión isotérmica, una tecnología mejorada que ahorra mucha energía. Además, el uso de aleaciones avanzadas de alta resistencia y recubrimientos de bajo desgaste ha aumentado la durabilidad de los compresores. Como resultado, los costos a lo largo de un período determinado se reducen considerablemente.

La seguridad sigue siendo una de las principales preocupaciones en torno a la tecnología de compresión de hidrógeno. La incorporación de sistemas de seguridad redundantes, como protecciones contra la sobrepresión, evita las sobrecargas y detiene la unidad cuando se acerca a niveles críticos. La presencia de un detector de hidrógeno o la falta de cualquiera de sus funciones impide el uso de gases a alta presión.

Innovaciones en el diseño de compresores

Diseñar compresores para que funcionen correctamente implica mejorar su eficiencia, confiabilidad y compatibilidad ambiental, y adaptarlos a las necesidades energéticas actuales. Por varias razones, quizá no sea confiable utilizar de inmediato la fricción magnética o eliminarla mediante cojinetes magnéticos. Con esta disposición de servicio es posible reducir el tiempo de inactividad, los costos operativos y la complejidad del mantenimiento. En particular, está aumentando considerablemente el uso de materiales compuestos avanzados en lugar de componentes metálicos tradicionales. Estos materiales ofrecen una mayor relación entre resistencia y peso, además de una mejor resistencia a la temperatura y a los productos químicos, lo que hace que los compresores sean más duraderos y eficientes desde el punto de vista energético.

Mejoras en la eficiencia y la confiabilidad

Los avances en la tecnología de materiales han producido mejoras notables en el rendimiento y la confiabilidad de los sistemas de compresión de hidrógeno. En particular, el uso de aleaciones y materiales compuestos de alta resistencia ha permitido fabricar componentes con una resistencia a la tracción sobresaliente y mayor resistencia a la corrosión y al calor que los materiales anteriores. Estos materiales soportan las presiones y temperaturas extremas del hidrógeno agrietado, lo que reduce la fatiga y prolonga la vida útil de las piezas principales.

También cabe mencionar los recubrimientos refractarios eficaces y otros equipos instalados para minimizar la pérdida de energía en condiciones extremas. Los métodos revolucionarios para crear nuevos metales y aceros mejorados han transformado los procesos de fabricación en distintos sectores de producción. Estos métodos también reducen la necesidad de mantenimiento frecuente y garantizan el funcionamiento continuo de las instalaciones, incluso en las condiciones ambientales más extremas, lo que hace que las operaciones sean rentables.

Rentabilidad de las soluciones de compresión

Para aumentar la productividad y la rentabilidad, los compresores alcanzan el rendimiento de vanguardia mencionado gracias a mejoras en la facilidad de instalación, la vida útil y la adaptabilidad a distintas condiciones. Otra tecnología de compresión, las unidades accionadas por variador de frecuencia, permite ajustar con precisión la potencia consumida a la que realmente necesita el sistema, lo que reduce las pérdidas de energía y los costos operativos asociados. Por ejemplo, se ha establecido que los compresores VSD consumen alrededor de 35% menos energía que los compresores de velocidad fija, por lo que resultan muy pertinentes para las industrias interesadas en la sostenibilidad.

Además, las mejores tecnologías de mantenimiento y los sistemas de monitoreo que predicen problemas contribuyen al aprovechamiento de los equipos y prolongan su vida operativa. A partir de datos de rendimiento en tiempo real, los modelos de aprendizaje automático pueden predecir posibles fallas con anticipación y permitir la renovación o el mantenimiento preventivo, lo que genera aún más ahorros. Las mejoras moderadas en la seguridad operativa permiten que una planta industrial funcione de manera eficiente.

Por último, los materiales livianos y resistentes a la corrosión han surgido como una solución que ofrece mayor soporte frente al deterioro por fatiga, mejora el rendimiento y ayuda a reducir los costos. En conjunto, estos avances tecnológicos ofrecen una capacidad de producción muy dinámica, con las máximas ventajas a muy bajo costo y en muy poco tiempo, sin comprometer los intereses ambientales y económicos.

Aplicaciones de la compresión de hidrógeno en distintos sectores

Sector del transporte y soluciones de movilidad

La mayor demanda de fuentes de energía más limpias y el creciente interés en el almacenamiento y la distribución de energía con hidrógeno líquido impulsan este cambio en el sector del transporte. Sin embargo, muchas de estas ventajas se aplican a los vehículos eléctricos con celdas de combustible (FCEV), cuya adopción por parte de los consumidores está creciendo en los sectores automotriz, de carga y de transporte público. Los principales fabricantes de automóviles están desarrollando cada vez más vehículos propulsados por hidrógeno. Por ejemplo, hay vehículos eléctricos en los que se ha instalado de forma práctica un motor de combustión interna, a decenas de millas del alcance de los pasajeros.

Entre los usos de los vehículos propulsados por hidrógeno para recorrer largas distancias se encuentran autobuses, camiones, trenes e incluso barcos, aunque estos últimos son poco comunes. El uso de vehículos de servicio pesado, como los camiones de hidrógeno, para el transporte de larga distancia también puede reducir considerablemente la dependencia de los combustibles fósiles. Se han identificado estratégicamente ubicaciones para estaciones de recarga de hidrógeno en todo el mundo, algunas de ellas en países líderes como Japón, Alemania y Estados Unidos. Los buques y las aeronaves también han adoptado sistemas de generación de energía basados en hidrógeno para minimizar las emisiones de CO2 de los motores y cumplir las leyes y regulaciones ambientales.

Aplicaciones de almacenamiento de energía

El hidrógeno es esencial para el éxito de los sistemas de almacenamiento de energía gracias a su alta densidad energética y sus múltiples usos. Por eso, se desarrollan distintos métodos de almacenamiento de hidrógeno para aplicaciones específicas, como el almacenamiento de gas a presión, el de líquido criogénico y el uso de materiales sólidos, como los hidruros metálicos. Uno de los usos más importantes es como vector de energía renovable, ya que permite aprovechar la energía variable del sol y el viento. El hidrógeno se produce durante el día, cuando las plantas solares y eólicas generan electricidad, y luego se utiliza para almacenar esa energía renovable.

Esto indica que la capacidad de almacenamiento de hidrógeno verde está aumentando rápidamente, impulsada por un mayor gasto y diversas políticas que apoyan la reducción de las emisiones relacionadas con el carbono. Además, se espera que la conectividad del almacenamiento aumente aún más con la adopción de nuevas tecnologías, que a su vez ayudarían a reducir los costos y mejorar la eficiencia del hidrógeno, haciéndolo más adecuado como alternativa para el suministro de energía a granel. La incorporación del hidrógeno en los sistemas energéticos puede mejorar la flexibilidad operativa sin comprometer otros objetivos ambientales.

Casos de uso del hidrógeno en la fabricación industrial

En el sector industrial, el hidrógeno cumple una función importante como precursor en la transformación sostenible y eficaz de la manufactura. Un ejemplo es su uso en la fabricación de acero, donde actúa como agente reductor en reemplazo del coque o el carbón y reduce significativamente las emisiones de dióxido de carbono. Además, el hidrógeno es parte integral de la síntesis de amoníaco para fertilizantes agrícolas y diversas industrias químicas. La introducción de dispositivos de electrólisis más eficientes hace más viable la producción ecológica de hidrógeno verde para usarlo como combustible en las industrias. La información indica que el uso de hidrógeno gaseoso está aumentando a nivel mundial entre los fabricantes, que buscan descarbonizar ciertos sectores difíciles de descarbonizar para alcanzar los objetivos de cero emisiones. Como resultado, algunas regiones cuentan con más recursos de energía limpia y podrían necesitar energía limpia adicional en forma de portadores de energía pura para abastecer a más industrias del sector de energía limpia.

Tendencias actuales del mercado y perspectivas futuras

El mercado mundial del transporte de hidrógeno es próspero, gracias a las grandes inversiones en fuentes de energía renovable y al interés por lograr operaciones industriales limpias. En todas estas iniciativas, se busca principalmente el hidrógeno sin vida (verde), ya que se produce mediante electrólisis conectada a fuentes renovables, lo que también podría permitir que no genere emisiones. Al mismo tiempo, las autoridades de lugares como la Unión Europea y Asia-Pacífico han implementado políticas perjudiciales, como tarifas de alimentación, créditos fiscales y directivas, y quienes defienden este tipo de energía verde han generado controversias en el pasado.

Se prevé que el mercado crezca en el futuro cercano, a medida que las innovaciones tecnológicas sigan reduciendo los costos de producción y aumente la capacidad de las plantas de hidrógeno. Los análisis de mercado apuntan a una mayor demanda de infraestructura, incluidos ductos y instalaciones de almacenamiento de hidrógeno, así como estaciones de recarga, que serán necesarias para un uso eficaz. Además, los esfuerzos relacionados con la economía del hidrógeno se centran en el transporte, la manufactura y la aviación, ya que se espera que estos sectores adopten un enfoque más respetuoso con el medio ambiente.

Demanda de tecnologías de hidrógeno en el mercado

La demanda de tecnologías de hidrógeno aumenta a un ritmo significativo debido al fuerte impulso mundial para alcanzar la descarbonización y pasar a un consumo de energía limpia. Diversos informes industriales prevén que, durante la próxima década, el mercado del hidrógeno crecerá y alcanzará un valor de cientos de miles de millones de dólares. Las políticas de los países buscan fomentar el uso del hidrógeno para que sustituya a las fuentes de energía actuales. Los sectores público y privado prestan cada vez más atención al hidrógeno e invierten más en este sector, lo que impulsa el rápido desarrollo y uso de tecnologías y sistemas de hidrógeno.

En algunas áreas existe una marcada preferencia por las celdas de combustible de hidrógeno, incluso en sectores específicos como el transporte pesado de carga y el transporte público, que enfrentan problemas de emisiones y necesitan cubrir largas distancias, debido a su capacidad de operar sin emisiones. En las fábricas, existe una tendencia a usar hidrógeno en lugar de piedras; ahora le toca al procesamiento del hierro en la industria metalúrgica, para ahorrar carbón durante la producción de mineral de hierro y acero.

Otro motivo que impulsa esta demanda es la creciente preocupación por el medio ambiente y el papel que desempeñan las fuentes de energía limpia en este ámbito. Esto genera una mayor demanda del llamado hidrógeno verde, que también se produce a partir de fuentes de energía renovable, en particular la eólica y la solar. También es adecuado para países que buscan reducir las emisiones netas de gases de carbono. La energía de la red y el almacenamiento de hidrógeno para respaldar el suministro eléctrico durante los cortes han recibido cierto apoyo en el desarrollo de este concepto.

Predicciones de expertos e innovaciones en el horizonte

Los especialistas pronostican que las mejoras en las técnicas de producción de hidrógeno, es decir, el hidrógeno producido mediante electrólisis con electricidad renovable, reducirán los costos durante los próximos diez años. Es probable que esta reducción aumente considerablemente el uso de productos y servicios industriales y domésticos. Por otra parte, los avances en los sistemas de transporte por ductos y de transporte de hidrógeno, incluidos los portadores de hidrógeno orgánico líquido (LOHC) y los tanques criogénicos avanzados, probablemente harán que estos sistemas sean menos engorrosos y se adapten mejor al aumento de la demanda.

Otro desarrollo que también merece atención es el de las celdas de combustible de hidrógeno, que evolucionan con rapidez y cada día ofrecen mayor eficiencia energética y calidad. Ya pueden considerarse el medio de transporte preferido para largas distancias o actividades industriales pesadas. También se prevé una red de exportación e importación de hidrógeno, con instalaciones de producción a partir de fuentes renovables especialmente en Oriente Medio y algunas zonas de Australia, donde el hidrógeno será «verde» en la medida de lo posible.

Al mismo tiempo, investigaciones recientes han demostrado que es viable mezclar hidrógeno con gas natural incluso en los sistemas de transporte de gas existentes para crear plantas híbridas. Se espera que esto maximice la eficiencia organizacional y, a la vez, reduzca el uso de combustibles fósiles. Estas proyecciones destacan la importancia del hidrógeno en la matriz energética, que atraviesa una revolución y dedica una gran cantidad de energía al surgimiento de fuentes de energía verde.

Fuentes de referencia

Preguntas frecuentes (FAQ)