> Grupo de apoyo: Laboratorio Energético del Hidrógeno |
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1.
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Existen
distintos métodos para el trasporte y almacenamiento de hidrógeno, las
posibilidades dependen de la aplicación para la que se destina el hidrógeno
y de la complejidad de ejecución. Los sistemas de almacenamiento y transporte de hidrógeno pueden ser clasificados en función de su estado gaseoso, líquido o sólido. Para llegar a emplear sistemas de distribución a gran escala la tecnología de tuberías subterráneas debe estar bien desarrollada y los costes económicos deben ser favorables de manera que sea más barato distribuir la energía bajo tierra que como electricidad mediante cables aéreos. Las opciones principales para el almacenamiento y transporte en cantidades apreciables son los gases comprimidos, los líquidos criogénicos y los hidruros metálicos, cada sistema tiene sus pros y sus contras en función de la aplicación deseada. |
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2. |
Dado
que los sistemas y métodos de producción generan hidrógeno gaseoso en
lugar de líquido o almacenado mediante combinación química y que el
hidrógeno se emplea en su forma gaseosa, parece ventajoso almacenar y
transportar el hidrógeno en dicho estado. La comparación frente a otros combustibles indica que el almacenamiento del hidrógeno gaseoso en recipientes a presión no es competitivo. Esto es debido a la baja densidad del hidrógeno gaseoso y al alto coste de los recipientes a presión. El almacenamiento de hidrógeno gaseoso comprimido es voluminoso y/o pesado y el coste por unidad de energía es alto. Almacenamiento gaseoso en tanques metálicos Para aplicaciones especiales se fabrican tanques con aceros bajos al carbón, normalmente tipo 4130 mediante una técnica que proporciona tubos no soldados muy resistentes. |
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3. |
El
creciente interés en el uso del hidrógeno como vector energético ha
dado lugar a numerosos estudios acerca de la viabilidad del transporte
de hidrógeno mediante tuberías. Se compara entonces las tuberías de
hidrógeno con las tuberías de gas natural existentes. La estructura de
los sistemas de hidrógeno es similar a la del gas natural con algunos
cambios en ciertos parámetros como el diámetro, el nivel de presión y
las distancias entre las estaciones de compresión debido a las
propiedades físico químicas del hidrógeno gaseoso. Compresores para tuberías de hidrógeno Dentro del mundo del hidrógeno la compresión es un aspecto que no se conoce lo suficiente. En este momento, en la industria del gas natural, se emplean dos tipos de compresores para incrementar la presión en los sistemas de tuberías. Dichos tipos son: de pistón o compresores alternativos y los turbocompresores radiales o compresores centrífugos. Debido
a las diferencias entre las propiedades del gas natural y del hidrógeno
se producen problemas en ambos tipos de compresor si se utiliza el mismo
equipo con ambos gases. Razón por la cual habría que modificar su diseño
para que pudieran operar con el hidrógeno. Sin embargo el principal
problema no está en el diseño sino en las necesidades de capacidad,
presiones operativas, relación de compresión y diferencias de presión. |
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4.
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Introducción a los procesos de criogenización La
criogenización esta íntimamente relacionada con las propiedades y usos
de los materiales a temperaturas extremadamente bajas en las etapas de
producción, almacenamiento y operación de los fluidos criogénicos. Un
gas es considerado criogénico si puede cambiar a estado líquido al
reducir su temperatura a un valor muy bajo. Normalmente los fluidos criogénicos
son gases a temperatura y presión ambiente. La
consecución de temperaturas tan bajas se logra mediante recipientes de
almacenamiento aislados por vacío llamados Dewar o bien mediante tanques
de doble capa que contienen otro fluido criogénico intermedio como puede
ser el nitrógeno líquido. Propiedades del hidrógeno líquido relativas al almacenaje y manipulación El hidrógeno líquido es transparente, incoloro, inodoro e insípido. Las propiedades más importantes desde el punto de vista del almacenamiento y manipulación son su baja temperatura de ebullición, baja densidad y alta volatilidad. El
hidrógeno muestra un fenómeno de conversión orto-para. Este fenómeno
se produce porque el hidrógeno tiene dos disposiciones posibles: la
paralela (orto-hidrógeno) y la antiparalela (para-hidrógeno). Está última
configuración tiene el menor nivel de energía sin embargo la configuración
orto tiene el triple de niveles de energía disponibles. De manera que a
elevada temperatura (temperatura ambiente y superiores) el hidrógeno en
equilibrio está formado por un 75% en forma orto y un 25% en forma para.
A temperatura de 20.3 K estos porcentajes varían hasta alcanzar un 99.7
en forma para. Si el hidrógeno se licua sin la presencia de un
catalizador que acelere la conversión de hidrógeno orto a para el
producto resultante tiene básicamente la misma composición que tendría
a temperatura ambiente (hidrógeno “normal”). La energía teórica
para la licuefacción del hidrógeno es de 11.8 MJ/kg aunque si la
conversión transcurre durante la licuefacción la energía necesaria se
eleva hasta 14.1 MJ/kg. A
pesar de estas y otras dificultades la tecnología para el manejo y
almacenamiento de hidrógeno líquido se ha desarrollado de forma exitosa. Almacenamiento criogénico Una vez que el hidrógeno ha sido licuado y purificado se necesita de un sistema que permita su trasiego y almacenaje. Los objetivos principales de estos sistemas están orientados a minimizar las pérdidas de fluido criogénico y a mantener las velocidades de transferencia dentro de unos parámetros de seguridad, fiabilidad y costes. Sistemas de aislamiento El avance experimentado en el desarrollo de materiales y técnicas para el aislamiento ha sido formidable. Existen múltiples sistemas para el aislamiento, la mayoría de ellos empleados en el almacenamiento: vacío con “escudo” de nitrógeno líquido, vacío+espumas, vacío+perlita y vacío+multicapas, “superaislamiento”. La elección de uno u otro para una aplicación en particular depende de factores como el coste, la rugosidad, el peso, el volumen y la fiabilidad. La propiedad más importante de los aislamientos es su conductividad térmica. Para una pérdida de calor dada el espesor de los aislamientos puede variar mucho en función del tipo escogido. Depósitos Dewar Los recipientes a presión de hidrógeno líquido se construyen en una gran variedad de tamaños desde frascos de laboratorio de un litro hasta Dewars de 3 millones de litros en las aplicaciones aeroespaciales. El funcionamiento de estos depósitos de almacenamiento varía y depende principalmente del tipo de aislamiento empleado, del tamaño y forma del depósito y del soporte estructural del mismo. Almacenamiento a gran escala La situación se divide según el esquema siguiente: |
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5. |
El transporte de hidrógeno líquido está bien establecido y se realiza a través de transporte rodado, ferrocarril y transporte marítimo. El transporte por carretera se realiza en depósitos Dewar de 48000 l y 52000 l montados en camiones. Hay camiones especiales que son capaces de transportar depósitos de 80000 l. Todos estos depósitos están equipados con aislamiento multicapa con pérdidas por ebullición del 0.25% por día. Las cisternas de ferrocarril para el transporte de hidrógeno líquido son depósitos Dewar horizontales de forma cilíndrica con una capacidad de 10000 l sin embargo algunas cisternas especiales alcanzan la capacidad de 120000 l. Las cisternas utilizadas en los buques de carga también son Dewar. Estos depósitos tienen una capacidad de 1 millón de litros. Un ejemplo de este tipo de servicio es el que se realiza entre Luisiana y el Kennedy Space Center en Florida. El hidrógeno se transporta en forma líquida por una cuestión económica. Un camión cisterna transporta en hidrógeno líquido el equivalente de 15 a 30 camiones de hidrógeno gaseoso a presión. Posteriormente el hidrógeno se convierte a gas ya en la planta donde vaya a ser utilizado, la capacidad típica de estos convertidores es de hasta 3000 m3/h. Situación
actual de los sistemas de transferencia El transporte de hidrógeno licuado se realiza por cualquiera de estos dos métodos.
El diseño de tuberías para la transferencia de hidrógeno es de vital importancia especialmente cuando se requiere de altas eficiencias a largas distancias. Las tuberías de transferencia para fluidos criogénicos suelen ser de tres tipos:
El aire líquido, el oxígeno, el nitrógeno se transfieren a través de tuberías no asiladas en tramos de pequeña longitud. Este tipo de tuberías tienen la ventaja de su bajo coste, bajo mantenimiento, facilidad de diseño y adaptabilidad sobre el terreno. Las desventajas se centran fundamentalmente en su alta conductividad. A pesar de ello Richard realizó un estudio para determinar la fuga energética y la caída de presión para este tipo de tuberías si se emplearan con hidrógeno líquido. El estudio concluye que es posible emplear este tipo de tuberías siempre y cuando el periodo de uso sea corto o si las instalaciones son de carácter temporal o experimental. Los sistemas con aislamiento son más utilizados. En el caso del oxígeno líquido o nitrógeno se emplean lana de vidrio, espuma de poliuretano o espuma de polimetano. Además es necesario colocar una barrera de vapor en la cara exterior del aislamiento como protección frente al vapor de agua. El aire puede condensar dentro del aislamiento con lo cual aumenta el riesgo de explosión razón por la cual no se emplean los aislamientos porosos con el hidrógeno líquido. La forma más usual de aislamiento es emplear vacío rodeando a modo de camisa la tubería de trasferencia. Los tamaños varían desde ¼ a 20 pulgadas de diámetro, las presiones van desde unos pocos kilopascales a 20 bares y las longitudes van desde unos pocos metros a un par de kilómetros. Los materiales empleados en la construcción de los sistemas de transferencia criogénicos deben ser compatibles con las necesidades operativas. Si el material se va a utilizar estructuralmente es importante que mantenga la ductilidad a la temperatura de funcionamiento. Por tanto la posibilidad de fragilización es una característica importante. Cuando el problema viene dado por la transmisión de calor se deben utilizar materiales de baja conductividad. También se deben considerar todos aquellos procedimientos auxiliares que contribuyan a la seguridad y eficiencia del sistema. El purgado antes y después del funcionamiento elimina problemas de contaminación que podrían desembocar en mezcla explosivas. Por tanto las tuberías de transferencia deben disponer de instrumentación adecuada de temperatura y presión |
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6. |
Ventajas de los hidruros metálicos Como se ha introducido en puntos anteriores el almacenamiento de hidrógeno gaseoso comprimido necesita de altas presiones en los depósitos de confinamiento mientras que el almacenamiento líquido necesita de depósitos criogénicos. Ambos sistemas presentan dificultades, el almacenamiento gaseoso es muy voluminoso y el almacenamiento líquido es poco práctico en aplicaciones no industriales además de caro. En esta coyuntura aparece el almacenaje por hidruros metálicos que soslaya algunos de los inconvenientes anteriores y presenta un modo compacto, intermedio en peso, para el almacenamiento. Teoría de los hidruros metálicos Los hidruros metálicos se dividen en tres categorías generales en función del tipo de enlace: iónicos, metálicos y covalentes. Los
distintos grupos de hidruros candidatos al almacenamiento de hidrógeno se
denominan como AB, AB5 y A2B. Cada grupo tiene
características especiales. Los AB son los de menor coste, los A2B
son más ligeros y los AB5 muestra poca histéresis, tolerancia
a las impurezas y fácil hidrogenación además tanto los AB como los AB5
tienen presiones de equilibrio de unos pocos bares hasta 100 ºC. El almacenamiento se produce del siguiente modo. Al principio el metal está libre de hidrógeno. A una temperatura dada el hidrógeno se disuelve en la fase metálica aumentando la presión. Al aumentar la temperatura llega un momento en el que la fase alfa se convierte en la fase hidruro. Conforme aumenta la presión los incrementos en el contenido de hidrógeno son cada vez menores hasta que el material puede considerarse cargado. En la descarga la presión disminuye de manera que debe suministrarse calor si se quieren mantener condiciones isotermas de reversibilidad. Sin embargo, aun en el mejor de los casos, se produce un efecto de histéresis. |
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Problemas técnicos del almacenamiento de hidruros Los
problemas encontrados hasta el momento están relacionados con la
transferencia de calor, el deterioro del lecho metálico, la seguridad, la
fragilización, la baja densidad de almacenamiento, la baja densidad de
energía y la necesidad de desarrollar compresores de hidrógeno fiables. La
velocidad en el proceso de carga y descarga del hidrógeno depende del
coeficiente de transmisión de calor en el lecho metálico y de las
presiones y temperaturas de almacenamiento. Sin embargo no se trata de un
aspecto que no pueda ser superado con eficacia. La emisión y absorción de calor asociada a los procesos de hidrogenación y deshidrogenación parece causar el descascarillado de los hidruros metálicos debido al cambio de volumen. Con el tiempo esta tendencia disminuye el tamaño de grano del lecho metálico lo que supone una limitación en el proceso. |
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