Instrumentación para la industria del hidrógeno

El debate público sobre la movilidad del hidrógeno suele girar en torno a los sistemas de propulsión disponibles. Sin embargo, para que el hidrógeno se establezca como combustible alternativo, se necesita algo más que una atractiva gama de vehículos. Es necesario contar con una amplia red de estaciones de suministro. El desarrollo de una infraestructura adecuada generará una importante demanda de tecnología de medición, sobre todo para garantizar la seguridad del proceso de reaprovisionamiento. Los fabricantes tendrán que hacer frente a algunos retos muy específicos en este ámbito.

Paralelamente a la ampliación de la red de HRS, también será vital intensificar la producción de hidrógeno “verde”, es decir, la producción de H2 por electrólisis utilizando energías renovables. Se considera que éste es el único método verdaderamente neutro desde el punto de vista climático. Según la empresa energética EnBW, actualmente hay 40 plantas en Alemania que producen hidrógeno “verde”. Estos electrolizadores están idealmente situados en las proximidades de grandes parques eólicos o solares.

Su producto llega a las estaciones de servicio en camiones cisterna, compuestos por un grupo de siete depósitos tubulares en acero. En el futuro, estos depósitos dejarán paso progresivamente a los de fibra de carbono de tipo IV, diseñados para una presión de depósito más elevada 500 bares en lugar de 200 y con un peso muerto menor, lo que permite una mayor carga útil. Esto representa un paso importante en los esfuerzos por aumentar la capacidad de almacenamiento de los HRS a más de una tonelada de combustible a medio plazo. El depósito de los automóviles de pasajeros contiene entre 4 y 5 kg de hidrógeno, frente a los 40 kg de los camiones, y es probable que esta cifra aumente en el futuro.

Imagen de aplicación.

El panorama cambiante de las normas dificulta a los fabricantes de la tecnología de medición que se utiliza para supervisar y controlar el proceso de repostaje hacerse una idea clara de las directrices que deben definirse para sus productos de H2. Esto se aplica tanto a las nuevas soluciones como a las modificaciones de los productos existentes. Se pueden encontrar especificaciones fiables para las estaciones de repostaje de hidrógeno, por ejemplo, en la serie de normas ISO 19880.

Independientemente de los requisitos específicos de las estaciones de repostaje, las propiedades físicas y químicas del hidrógeno plantean por sí solas exigencias sustanciales a la tecnología de medición, que no pueden satisfacerse con equipos estándar:

• El hidrógeno es altamente inflamable, por lo que los equipos suelen tener que cumplir requisitos de protección contra explosiones en aplicaciones estacionarias. Debido al pequeño tamaño de sus partículas, el H2 penetra en los materiales y forma una mezcla explosiva en el aire en concentraciones tan bajas como el cuatro por ciento. Por ello, a la hora de adaptar los procesos de los instrumentos se suelen utilizar conexiones soldadas o con juntas metálicas.
• Las moléculas de H2, extremadamente pequeñas, también penetran en las estructuras metálicas, donde pueden provocar la fragilización del material y convertirse en un riesgo para la seguridad. Es por ello que se prefieren los aceros austeníticos como el 316L para los instrumentos de medición en aplicaciones de H2.
• Además, el hidrógeno puede perjudicar la estabilidad a largo plazo de la señal de medición de un sensor. Si se adhiere a la resistencia y/o penetra en estructuras sensibles del instrumento de medición electrónico, esto puede provocar en última instancia una desviación de la señal y, por tanto, errores de medición. Una posible contramedida es utilizar capas separadoras para evitar la penetración del hidrógeno. El oro es uno de los materiales más apropiados para este tipo de aplicación.

Sensor de presión  IS-3

Más allá de estos requisitos de aplicación general para las aplicaciones de H2, también existen retos específicos que deben abordarse en relación con las estaciones de repostaje de hidrógeno. Debido al diseño de estas estaciones y al propio proceso de repostaje, la tecnología de medición y control debe ser capaz de soportar presiones de hasta 900 bares y temperaturas de -40 °C a +85 °C.

Actualmente, el hidrógeno se suministra en los camiones a una presión de 200 bares y, a continuación, se comprime a 900 bares en depósitos de alta presión mediante compresores. Esto ocurre en varias etapas. La compresión corresponde a la presión de 700 bares en el depósito de un coche particular. En la actualidad, los camiones tienen una presión en el depósito de 350 bares, aunque en el futuro también se aumentará a 700 bares para lograr una mayor autonomía. La presión y el caudal necesarios en cada caso se controlan mediante la comunicación entre los sistemas de sensores de la bomba de combustible, denominada surtidor, y el depósito del vehículo.

Los clientes desean que el proceso de repostaje se complete en el menor tiempo posible. La presión y la temperatura desempeñan un papel importante: cuanto mayor sea la diferencia de presión entre la estación de repostaje y el vehículo, más rápido fluirá el hidrógeno. Evidentemente, no debe superarse la presión especificada en el depósito del vehículo.

El perfil de temperatura en la línea de repostaje hace que el factor tiempo también sea relevante: el hidrógeno se calienta cuando se expande. Por ello, el gas se enfría previamente a -40 °C mediante un intercambiador de calor, para poder mantener posteriormente una temperatura inferior a 85 °C. Esto es necesario porque los depósitos de los vehículos sólo están previstos para este valor. Cuanto más se acerque la temperatura a 85 °C, más debe ralentizarse y regularse el proceso de repostaje por medio de la refrigeración.

Dada la situación potencialmente crítica, la línea de repostaje de una estación de H2 está equipada con instrumentación compleja, que incluye sensores de presión, temperatura y caudal, así como válvulas de cierre y ventilación. Los caudalímetros Coriolis son especialmente adecuados para controlar el caudal debido a las altas presiones que se producen.

Los puntos de medición de temperatura y presión son cruciales para la seguridad operativa. Las sondas deben trabajar con tiempos de respuesta cortos y ser resistente a la presión: la necesidad de una respuesta rápida hace que no sea buena idea utilizar una vaina. Así, la punta de la sonda debe ser capaz de soportar presiones de hasta 875 bares sin protección. Al mismo tiempo, debe tener un diseño compacto para evitar el contacto con en el medio. Una conexión roscada cónica, por ejemplo, proporciona al termómetro la resistencia necesaria y mantiene el punto de medición sellado de forma fiable.

Los sensores de presión instalados en el sistema de tanques suelen tener una presión nominal de 1.000 bar o 1050 bar. Este valor se basa en la presión nominal del depósito del vehículo -700 bares en el caso de los automóviles de pasajeros- más un factor de seguridad relacionado con la temperatura. Los sensores también deben funcionar según las especificaciones en el rango de temperaturas típico de HRS, de -40 °C a +85 °C. Por último, pero no por ello menos importante, la tarea en cuestión requiere dispositivos con protección contra explosiones, o incluso certificación SIL en determinados puntos de medición del sistema.

Hidrógeno.

Perspectivas:

La puesta en marcha de una amplia red de estaciones de servicio abre nuevas oportunidades para los fabricantes de tecnología de medición dentro del prometedor segmento de la movilidad del hidrógeno. Tanto las propias estaciones de repostaje de hidrógeno como los electrolizadores, que son esenciales para la producción de hidrógeno ecológico sin efectos sobre el clima, deben construirse en grandes cantidades y, al mismo tiempo, ser más eficientes. Incluso podría tener más sentido desde el punto de vista económico que los grandes sistemas de abastecimiento de hidrógeno produjeran su propio hidrógeno utilizando electricidad verde, por ejemplo en las estaciones de servicio. Del mismo modo, a medida que se construyan y amplíen los conductos exclusivos para el hidrógeno, las estaciones de servicio podrían conectarse directamente a la red de suministro en el futuro.

Será mucho más fácil satisfacer las necesidades de las infraestructras en materia de instrumentación una vez que las iniciativas de normalización en curso hayan concluido. Paralelamente, la industria del hidrógeno se esfuerza por reducir los costes de construcción y explotación de las estaciones de servicio mediante la normalización, el abaratamiento de los componentes y la optimización de los procesos, con el fin de que el repostaje de H2 resulte también atractivo desde el punto de vista del precio. Los requisitos adicionales que deberá cumplir la tecnología de medición y control abrirán camino a una mayor eficiencia.