El desafío del hidrógeno: soluciones de medición para una revolución energética

El hidrógeno es un elemento central de la transición energética y ofrece un potencial único para descarbonizar la industria y transformar nuestro consumo energético. Sin embargo, este gas, que suele considerarse uno de los pilares del futuro energético, plantea importantes desafíos técnicos, sobre todo en términos de almacenamiento, transporte y medición. En este artículo, abordo los principales problemas asociados al hidrógeno y muestro por qué los sensores de KELLER están diseñados para satisfacer las necesidades.

¿Qué es exactamente el hidrógeno?

El hidrógeno, el primer elemento de la tabla periódica, se representa con el símbolo «H». Es el elemento más abundante en el universo, ya que alrededor del 75 % de la materia visible está formada por hidrógeno. En condiciones normales, el hidrógeno es un gas incoloro e inodoro, unas 14 veces más ligero que el aire. Su densidad energética de 120-140 MJ/kg es notablemente alta, lo que convierte a este elemento en un prometedor portador de energía.

Se hace una distinción entre dos formas: el átomo de hidrógeno individual (H) y el hidrógeno molecular (H₂).

 

H = Un solo átomo de hidrógeno
Un átomo de hidrógeno está formado por un protón y un electrón. Un solo átomo de hidrógeno es muy reactivo y rara vez se encuentra en la naturaleza. El elemento se combina rápidamente con otros átomos para lograr una configuración estable.

H2 = Hidrógeno molecular (también llamado dihidrógeno)
Dos átomos de hidrógeno juntos forman una molécula (H2). El hidrógeno se encuentra con mayor frecuencia en la naturaleza en esta forma gaseosa.
 

El hidrógeno como combustible

El hidrógeno se considera un combustible respetuoso con el medio ambiente, ya que no libera gases de escape nocivos como CO₂, óxidos de nitrógeno o partículas en suspensión, sino que solo genera agua, lo que supone una ventaja considerable frente a los combustibles fósiles.

El hidrógeno también tiene algunas desventajas. Como este elemento rara vez se encuentra en estado puro en la naturaleza, normalmente hay que producirlo primero, lo que requiere una gran cantidad de energía y aumenta los costes. El llamado «hidrógeno verde» es especialmente caro, ya que se obtiene exclusivamente de fuentes de energía renovables, como la solar y la eólica. Otros tipos de hidrógeno, como el «azul» y el «gris», se producen a partir de combustibles fósiles, lo que reduce la ventaja medioambiental.

 

Almacenamiento y transporte de hidrógeno

El almacenamiento y transporte de hidrógeno es un proceso complejo y plantea desafíos particulares. Como el gas hidrógeno es volátil y altamente inflamable, debe almacenarse y transportarse a presiones muy altas o a temperaturas extremadamente bajas. Esto compensa la baja densidad energética por volumen. Estas condiciones imponen altas exigencias en cuanto a seguridad y equipamiento técnico de los sistemas de almacenamiento.

 

Comparación del consumo de hidrógeno y la capacidad de los bidones

Un automóvil ligero necesita alrededor de 7 kg de hidrógeno para recorrer una distancia de 700 kilómetros. Por ejemplo, una botella de limonada con una capacidad de 750 ml puede contener menos de 70 miligramos de hidrógeno a presión atmosférica.

Diversos métodos de almacenamiento de hidrógeno permiten satisfacer las necesidades de nuestros clientes:

• Hidrógeno gaseoso: El hidrógeno se puede almacenar en forma gaseosa en tanques especiales mediante compresión a alta presión de hasta 700 o incluso 950 bares. Sin embargo, este tipo de almacenamiento requiere tanques especialmente robustos y costosos.
  
  Los tanques de hidrógeno gaseoso se presentan en diferentes tipos, que van desde modelos metálicos pesados ​​(Tipo I) hasta compuestos ultraligeros (Tipo IV). Las relaciones gravimétricas varían desde el 1-2% para tanques metálicos hasta el 5-10% para compuestos de alta presión, que son ideales para vehículos. Los tanques de tipo V, aún en desarrollo, prometen un rendimiento aún mejor.
  
  Este hidrógeno comprimido también se puede transportar a través de tuberías para abastecer a grandes consumidores de hidrógeno y estaciones de servicio.
   
• Hidrógeno líquido: Un método alternativo es la licuefacción del hidrógeno. Esto requiere temperaturas extremadamente bajas de alrededor de -252 °C, lo que requiere un alto consumo de energía. Además, el transporte en camiones cisterna o tanques criogénicos requiere un aislamiento térmico extremo y una infraestructura especial. Consumo de hidrógeno y capacidad del tambor

• Métodos alternativos: Otra posibilidad es combinar el hidrógeno con otros elementos. De esta forma se crean los denominados «productos» que son más fáciles de transportar. Actualmente se están realizando investigaciones intensivas sobre la metanización del hidrógeno, en la que el hidrógeno se convierte en metano. Para ello se pueden utilizar las infraestructuras de gas natural existentes. También se están investigando otros productos como el metanol (CH30H) y el amoniaco (NH3) para el transporte de hidrógeno o energía. Los proyectos con amoniaco respetuoso con el medio ambiente, por ejemplo, son un área clave para aplicaciones en la producción industrial y el transporte.
  
  El almacenamiento de hidrógeno sólido, basado en materiales como hidruros metálicos o compuestos innovadores como hidruros complejos y materiales nanoporosos, ofrece una solución compacta y segura para la movilidad ultraligera o aplicaciones marítimas, incluidos barcos y submarinos. Estas tecnologías permiten el almacenamiento de hidrógeno de alta densidad sin una compresión extrema.
  
  El mercado del almacenamiento de hidrógeno gaseoso, líquido o geológico está en auge. Las innovaciones están dirigidas a las industrias de conversión de energía para el transporte de hidrógeno por tuberías o buques cisterna, ya sea por carretera o por mar.
   

Transmisores de presión y los desafíos de la medición del hidrógeno

La medición precisa y fiable del hidrógeno es crucial para las aplicaciones industriales. Al medir la presión del elemento, se imponen requisitos especiales a los instrumentos de medición. Gracias a su tecnología avanzada, nuestros sensores pueden superar los desafíos únicos de este gas:
 

Fragilización por hidrógeno

En el fenómeno de la fragilización por hidrógeno, el hidrógeno penetra en la estructura del metal y modifica sus propiedades. Los cambios pueden hacerse visibles a través de pequeñas grietas e incluso pueden provocar fracturas y fallos del material.

Para contrarrestar este efecto, utilizamos materiales menos susceptibles a la fragilización por hidrógeno, como por ejemplo la aleación de acero inoxidable (AISI 316L / 1.4435) con un contenido de níquel del 14 %.
 

Permeación

Proceso de Permeación: el hidrógeno penetra a través de una capa de material.

La permeación describe el proceso por el cual el hidrógeno penetra a través de una capa de un material. El hidrógeno normalmente se presenta en forma molecular ligada como H2 (hidrógeno puro) o H2O (ligado con oxígeno como agua) y solo en raras ocasiones como un solo átomo de hidrógeno (H). Durante la electrólisis o el choque térmico (término del glosario o enlace a Wikipedia), las moléculas de hidrógeno (H2) pueden separarse y convertirse en átomos de hidrógeno (H). Debido a su ligereza, los átomos de hidrógeno individuales (H) pueden penetrar una red metálica y abrirse camino hacia la membrana metálica. Este proceso se puede dividir en los siguientes tres pasos:

1. El hidrógeno es absorbido por el material.
2. El hidrógeno penetra en el material por difusión (los átomos de H penetran en el acero y se unen directamente a las moléculas de H2 después de la penetración).
3. El hidrógeno escapa por el otro lado del material.

La duración de este proceso se denomina tasa de permeación. Para reducir la permeación del hidrógeno, las membranas se recubren con una capa protectora de oro. El oro tiene una tasa de permeación menor que el acero. Esto significa que el oro actúa como una barrera y prolonga el tiempo de difusión muchas veces.

 

Fuga

La combinación de hidrógeno y oxígeno en el aire puede crear una mezcla altamente explosiva. Según el principio del triángulo del fuego, que define tres elementos esenciales de la combustión, es crucial evitar que el hidrógeno (el combustible) se escape.

El diseño totalmente soldado sin juntas internas y las conexiones de proceso con sellado metálico minimizan el riesgo de fugas. Creemos que las juntas de elastómero plantean un riesgo significativo de fugas y, por lo tanto, están excluidas del diseño.
 

Certificación ATEX e intrínsecamente seguro

Para una protección adicional en condiciones extremas, nuestros transmisores de presión cuentan con certificación ATEX. La serie KELLER, marcada con la característica de identificación adicional «H2», también está disponible en la versión intrínsecamente segura, marcada con «Ei». Esto significa que los sensores se pueden utilizar en atmósferas potencialmente explosivas.
 

Nuestros sensores para aplicaciones de hidrógeno

Transmisores series 23SY-H2

Transmisores series 23SX-H2 y 33SX-H2

Manómetro digital registrador LEO Record H2
 

Nuestra gama de productos para aplicaciones de hidrógeno sigue creciendo con productos que cumplen con los exigentes estándares de seguridad y rendimiento. Las soluciones cubren diferentes necesidades en toda la cadena de suministro de hidrógeno, ya sea para refinación, producción de amoníaco ecológico, metalurgia, almacenamiento, transporte o electrólisis.

Nuestra página de aplicaciones de hidrógeno ofrece una descripción general de todo lo que tenemos para ofrecer para aplicaciones de H2: https://www.catsensors.com/es/catsensors/catnews/hidrogeno-combustible-del-futuro-soluciones-keller
 

El hidrógeno se considera un combustible respetuoso con el medio ambiente, ya que cuando se utiliza para generar energía no se liberan gases de escape nocivos como CO₂, óxidos de nitrógeno o partículas finas.

 

Cyril Lintanff
Especialista en mercados de hidrógeno