El desafiament de l'hidrogen: solucions de mesura per a una revolució energètica

L'hidrogen és un element central de la transició energètica i ofereix un únic potencial per descarbonitzar la indústria i transformar el nostre consum energètic. Tot i això, aquest gas, que sol considerar-se un dels pilars del futur energètic, planteja importants desafiaments tècnics, sobretot en termes d'emmagatzematge, transport i mesurament. En aquest article, abordo els principals problemes associats a l'hidrogen i el mostreig per què els sensors de KELLER estan dissenyats per satisfer les necessitats.

Què és exactament l'hidrògen?

L'hidrogen, el primer element de la taula periòdica, es representa amb el símbol “H”. És l'element més abundant a l'univers, ja que al voltant del 75% de la matèria visible està formada per hidrogen. En condicions normals, l'hidrogen és un gas incolor i vàter, unes 14 vegades més lleuger que l'aire. La seva densitat energètica de 120-140 MJ/kg és notablement alta, cosa que converteix aquest element en un prometedor portador denergia.

Es fa una distinció entre dues maneres: l'àtom d'hidrogen individual (H) i l'hidrogen molecular (H₂).

 

H = Un sol àtom d'hidrogen
Un àtom d'hidrogen està format per un protó i un electró. Un sol àtom d'hidrogen és molt reactiu i poques vegades es troba a la natura. L'element es combina ràpidament amb altres àtoms per aconseguir una configuració estable.

H2 = Hidrogen molecular (també anomenat dihidrogen)
Dos àtoms d'hidrogen junts formen una molècula (H2). L'hidrogen es troba amb més freqüència a la natura en aquesta forma gasosa.
 

L'hidrògen com a combustible

L'hidrogen es considera un combustible respectuós amb el medi ambient, ja que no allibera gasos d'escapament nocius com CO₂, òxids de nitrogen o partícules en suspensió, sinó que només genera aigua, cosa que suposa un avantatge considerable davant dels combustibles fòssils.

L'hidrogen també té alguns desavantatges. Com que aquest element rares vegades es troba en estat pur a la natura, normalment cal produir-lo primer, cosa que requereix una gran quantitat d'energia i augmenta els costos. L'anomenat «hidrogen verd» és especialment car, ja que s'obté exclusivament de fonts d'energia renovables, com ara la solar i l'eòlica. Altres tipus d'hidrogen, com el blau i el gris, es produeixen a partir de combustibles fòssils, cosa que redueix l'avantatge mediambiental.

 

Emmagatzematge i transport de l'hidrògen

L'emmagatzematge i el transport d'hidrogen és un procés complex i planteja reptes particulars. Com que el gas hidrogen és volàtil i altament inflamable, s'ha d'emmagatzemar i transportar a pressions molt altes oa temperatures extremadament baixes. Això compensa la baixa densitat energètica per volum. Aquestes condicions imposen altes exigències quant a seguretat i equipament tècnic dels sistemes demmagatzematge.
 

Comparació del consum d'hidrogen i la capacitat dels bidons

Un automòbil lleuger necessita uns 7 kg d'hidrogen per recórrer una distància de 700 quilòmetres. Per exemple, una ampolla de llimonada amb una capacitat de 750 ml pot contenir menys de 70 mil·ligrams d'hidrogen a pressió atmosfèrica.

Diversos mètodes d'emmagatzematge d'hidrogen permeten satisfer les necessitats dels nostres clients:

• Hidrogen gasós: L'hidrogen es pot emmagatzemar en forma gasosa en tancs especials mitjançant compressió a alta pressió de fins a 700 o fins i tot 950 bars. No obstant això, aquest tipus demmagatzematge requereix tancs especialment robustos i costosos.
  
  Els tancs d'hidrogen gasós es presenten en diferents tipus, que van des de models metàl·lics pesants (Tipus I) fins a compostos ultralleugers (Tipus IV). Les relacions gravimètriques varien des de l'1-2% per a tancs metàl·lics fins al 5-10% per a compostos d'alta pressió, que són ideals per a vehicles. Els tancs de tipus V, encara en desenvolupament, prometen un rendiment encara millor.
  
  Aquest hidrogen comprimit també es pot transportar a través de canonades per abastir grans consumidors dhidrogen i estacions de servei.
   
• Hidrogen líquid: Un mètode alternatiu és la liqüefacció de l'hidrogen. Això requereix temperatures extremadament baixes al voltant de -252 °C, cosa que requereix un alt consum d'energia. A més, el transport en camions cisterna o tancs criogènics requereix un aïllament tèrmic extrem i una infraestructura especial. Consum d'hidrogen i capacitat del tambor.
   
• Mètodes alternatius: Una altra possibilitat és combinar l´hidrogen amb altres elements. D'aquesta manera es creen els anomenats “productes” que són més fàcils de transportar. Actualment s'estan fent investigacions intensives sobre la metanització de l'hidrogen, en què l'hidrogen es converteix en metà. Per això es poden utilitzar les infraestructures de gas natural existents. També s'estan investigant altres productes com el metanol (CH30H) i l'amoníac (NH3) per al transport d'hidrogen o energia. Els projectes amb amoníac respectuós amb el medi ambient, per exemple, són una àrea clau per a aplicacions en la producció industrial i el transport.

L'emmagatzematge d'hidrogen sòlid, basat en materials com a hidrurs metàl·lics o compostos innovadors com a hidrurs complexos i materials nanoporosos, ofereix una solució compacta i segura per a la mobilitat ultralleugera o aplicacions marítimes, inclosos vaixells i submarins. Aquestes tecnologies permeten lemmagatzematge dhidrogen dalta densitat sense una compressió extrema.

El mercat de lemmagatzematge dhidrogen gasós, líquid o geològic està en auge. Les innovacions s'adrecen a les indústries de conversió d'energia per al transport d'hidrogen per canonades o vaixells cisterna, ja sigui per carretera o per mar.
 

Transmissors de pressió i els desafiaments de la mesura de l'hidrogen

La mesura precísa i fiable de l'hidrogen és crucial per a les aplicacions industrials. En mesurar la pressió de l'element, s'imposen requisits especials als instruments de mesura. Gràcies a la tecnologia avançada, els nostres sensors poden superar els desafiaments únics d'aquest gas:
 

Fragilitzación per hidrògen

En el fenomen de la fragilització per hidrogen, l'hidrogen penetra a l'estructura del metall i modifica les seves propietats. Els canvis es poden fer visibles a través de petites esquerdes i fins i tot poden provocar fractures i fallades del material.

Per contrarestar aquest efecte, utilitzem materials menys susceptibles a la fragilització per hidrogen, com ara l'aliatge d'acer inoxidable (AISI 316L/1.4435) amb un contingut de níquel del 14%.
 

Permeació

Procés de Permeació: l'hidrogen penetra mitjançant una capa de material.

La permeació descriu el procés pel qual l'hidrogen penetra mitjançant una capa d'un material. L'hidrogen normalment es presenta en forma molecular lligada com a H2 (hidrogen pur) o H2O (lligat amb oxigen com a aigua) i només en rares ocasions com un sol àtom d'hidrogen (H). Durant l'electròlisi o el xoc tèrmic (terme del glossari o enllaç a Wikipedia), les molècules d'hidrogen (H2) poden separar-se i esdevenir àtoms d'hidrogen (H). A causa de la lleugeresa, els àtoms d'hidrogen individuals (H) poden penetrar una xarxa metàl·lica i obrir-se camí cap a la membrana metàl·lica. Aquest procés es pot dividir en els tres passos següents:

1. L'hidrogen és absorbit pel material.
2. L'hidrogen penetra al material per difusió (els àtoms de H penetren a l'acer i s'uneixen directament a les molècules d'H2 després de la penetració).
3. L'hidrogen s'escapa de l'altra banda del material.

La durada daquest procés sanomena taxa de permeació. Per reduir la permeació de l'hidrogen, les membranes es recobreixen amb una capa protectora d'or. L'or té una taxa de permeació més petita que l'acer. Això vol dir que l'or actua com una barrera i perllonga el temps de difusió moltes vegades.
 

Fuga

La combinació d'hidrogen i oxigen a l'aire pot crear una barreja altament explosiva. Segons el principi del triangle del foc, que defineix tres elements essencials de la combustió, és crucial evitar que l'hidrogen (el combustible) s'escapi.

El disseny totalment soldat sense juntes internes i les connexions de procés amb segellat metàl·lic minimitzen el risc de fuites. Creiem que les juntes de elastòmer plantegen un risc significatiu de fuites i, per tant, estan excloses del disseny.
 

Certificació ATEX i intrínsecament segur

Per a una protecció addicional en condicions extremes, els nostres transmissors de pressió compten amb certificació ATEX. La sèrie KELLER, marcada amb la característica d'identificació addicional H2, també està disponible a la versió intrínsecament segura, marcada amb Ei. Això vol dir que els sensors es poden utilitzar en atmosferes potencialment explosives.
 

Els nostres sensors per a aplicacions d'hidrògen

Transmissors sèries 23SY-H2

Transmissors sèries 23SX-H2 i 33SX-H2

Manòmetre digital registrador LEO Record H2
 

La nostra gamma de productes per a aplicacions d'hidrogen segueix creixent amb productes que compleixen els exigents estàndards de seguretat i rendiment. Les solucions cobreixen diferents necessitats a tota la cadena de subministrament d'hidrogen, ja sigui per a refinació, producció d'amoníac ecològic, metal·lúrgia, emmagatzematge, transport o electròlisi.

La nostra pàgina d'aplicacions d'hidrogen ofereix una descripció general de tot el que tenim per oferir per a aplicacions d'H2: https://www.catsensors.com/ca/catsensors/catnews/hidrogen-combustible-del-futur-solucions-keller

L'hidrogen es considera un combustible respectuós amb el medi ambient, ja que quan es fa servir per generar energia no s'alliberen gasos d'escapament nocius com ara CO₂, òxids de nitrogen o partícules fines.

 

Cyril Lintanff
Especialista en mercats d'hidrògen