Turbinas de Gas con Blending de Hidrógeno

INTRODUCCIÓN

En el contexto del cambio climático y la necesidad urgente de sostenibilidad, la transición energética emerge como un proceso clave a nivel global. Este proceso tiene como pilares fundamentales la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, el aumento de la eficiencia energética y el impulso hacia fuentes de energía más limpias y renovables.

Dentro de este paradigma, el hidrógeno emerge como un elemento vital. Encontrado en la naturaleza en diversos estados (gas, líquido, sólido), el hidrógeno destaca por ser un combustible limpio y eficiente. Al no generar emisiones de gases de efecto invernadero, se posiciona como un candidato ideal para liderar la transición hacia un sistema energético más sostenible y respetuoso con el medio ambiente.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE

El hidrógeno, como potencial fuente de energía en la transición hacia una economía más sostenible, presenta varias ventajas significativas:

  • Sostenibilidad Ambiental: Al no emitir gases de efecto invernadero, el hidrógeno se destaca como una solución eficaz para mitigar el impacto ambiental de las actividades humanas.
  • Alta Eficiencia Energética: Gracias a su elevado poder calorífico por unidad de masa, el hidrógeno es capaz de producir una considerable cantidad de energía.
  • Abundancia: Siendo el combustible más abundante en la Tierra, el hidrógeno ofrece una fuente prácticamente inagotable de energía.
  • Versatilidad de Aplicaciones: Su capacidad para ser utilizado en diversos contextos, desde la generación de electricidad hasta el sector del transporte, lo hace muy versátil.

Sin embargo, existen ciertas desventajas en el uso del hidrógeno como combustible que necesitan ser abordadas para su adopción masiva:

  • Costo Económico: Actualmente, el hidrógeno es más costoso en comparación con los combustibles fósiles tradicionales. La complejidad inherente a su producción, especialmente bajo procesos de baja emisión, implica un mayor consumo energético. No obstante, se anticipa una reducción en el costo a medida que avance la tecnología de producción y se logren economías de escala en el sector de energías limpias.
  • Desafíos en la Producción: Dependiendo del método empleado, la producción de hidrógeno puede resultar en la emisión de gases de efecto invernadero. Por ejemplo, el reformado de gas natural, el método más común, libera dióxido de carbono. Aunque alternativas como la electrólisis no emiten estos gases, su costo sigue siendo significativamente más elevado.
  • Retos en Almacenamiento y Transporte: Dada su ligereza, el hidrógeno presenta desafíos en su almacenamiento y transporte. Aunque comúnmente se almacena en estado gaseoso en tanques de alta presión, este método conlleva sus propias complejidades. El almacenamiento en estado líquido es otra opción, pero en estado líquido, el hidrógeno requiere refrigeración a temperaturas extremadamente bajas, mientras que su almacenamiento sólido implica compresión a altas presiones.
  • Baja Densidad Energética: Comparado con otros combustibles fósiles, el hidrógeno posee menor densidad energética por unidad de volumen, lo que implica la necesidad de mayor volumen para producir la misma cantidad de energía.
  • Obtención de Hidrógeno Puro: A pesar de ser el combustible más abundante, el hidrógeno raramente se encuentra en estado puro, siendo necesario recurrir a procesos de obtención específicos y no espontáneos.
  • Consideraciones de Seguridad: Dada su naturaleza inflamable y explosiva, el manejo del hidrógeno exige medidas de seguridad rigurosas y bien definidas.
  • Poca Maduración en Regulación: No existe claridad en la regulación sobre la producción, transporte, almacenamiento y uso del hidrógeno, obstaculizando políticas públicas y privadas para su implementación masiva.

USOS DEL HIDRÓGENO

El interés global en el hidrógeno está en ascenso, impulsado por inversiones crecientes en investigación y desarrollo. A medida que disminuyen los costos y se superan los retos técnicos, el hidrógeno promete ser cada vez más competitivo, posicionándose como un pilar fundamental en el futuro de la energía.

El hidrógeno tiene el potencial de jugar un papel clave en un abanico de aplicaciones energéticas, incluyendo:

  • Generación de Electricidad: El hidrógeno puede ser empleado en turbinas de gas y celdas de combustible para producir electricidad. Mientras que las turbinas de gas de hidrógeno representan una tecnología consolidada y eficiente para la generación eléctrica limpia, las celdas de combustible de hidrógeno emergen como una alternativa con potencial para superar en eficiencia a las turbinas de gas.
  • Transporte: El hidrógeno sirve como combustible para vehículos eléctricos de pila de combustible. Estos vehículos, al no emitir gases de efecto invernadero, ofrecen una solución más ecológica en comparación con los vehículos de gasolina o diésel, y se presentan como una opción frente a los vehículos eléctricos tradicionales, cuyas baterías, limitadas por la disponibilidad de minerales y la necesidad de reemplazo periódico, representan un desafío.
  • Aplicaciones Industriales: En el ámbito industrial, el hidrógeno se puede utilizar en numerosos procesos, como la producción de acero y la fabricación de químicos. Su uso como combustible para la generación de energía térmica contribuye significativamente a la reducción de las emisiones derivadas del uso de combustibles fósiles.

BLENDING DEL HIDRÓGENO

El “blending” (mezcla) de hidrógeno con gas, a menudo se refiere a la práctica de mezclar hidrógeno (H2) con gases fósiles como el gas natural (metano, CH4) con el propósito de generar energía o calor. Esta mezcla se utiliza comúnmente en aplicaciones industriales y energéticas, y puede tener varios objetivos, que incluyen:

  • Reducción de emisiones de carbono: La mezcla de hidrógeno con gas natural puede reducir las emisiones de dióxido de carbono (CO2) al proporcionar una fuente de energía más limpia en comparación con los combustibles fósiles puros. El hidrógeno no produce CO2 cuando se quema, y al combinarlo con gases fósiles, se disminuye la cantidad de CO2 liberada durante la combustión.
Fig. 1: Intensidad de carbono vs contenido de hidrógeno en el blending.
  • Aumento de la eficiencia: La adición de hidrógeno a los combustibles fósiles puede mejorar la eficiencia de la combustión. El hidrógeno tiene un alto poder calorífico y, al mezclarlo con gas natural, puede aumentar el contenido energético de la mezcla, lo que puede conducir a una mayor eficiencia en la generación de energía.
  • Flexibilidad en el suministro de energía: El uso de hidrógeno mezclado con gases fósiles puede brindar flexibilidad en la generación de energía, ya que se puede ajustar la proporción de hidrógeno según las necesidades. Esto permite una transición más suave hacia fuentes de energía más limpias a medida que se desarrollan tecnologías de hidrógeno más avanzadas.
  • Infraestructura existente: El uso de hidrógeno mezclado con gas natural permite aprovechar infraestructura existente utilizada para generación de energía (eléctrica y térmica) y transporte de gas, lo que apoya a disminuir las inversiones iniciales necesarias para la implementación masiva del hidrógeno como combustible de la transición energética.

Es importante destacar que el término «blending» puede referirse a diferentes proporciones de hidrógeno en la mezcla, desde pequeñas cantidades de H2 (por ejemplo, 5% de hidrógeno) hasta mezclas de hidrógeno más significativas. Cuanto mayor sea la proporción de hidrógeno en la mezcla, menor será el impacto ambiental en términos de emisiones de CO2.

PROPIEDADES DEL HIDRÓGENO Y DEL GAS NATURAL

Para realizar el blending del hidrógeno con gas natural, primero es necesario conocer las propiedades físicas y químicas de cada componente, detallada en la siguiente tabla:

Tabla 1: Comparativa de propiedades del Gas Natural vs Hidrógeno.

ANÁLISIS DEL BLENDING PARA TURBINAS DE GAS

  • Tamaño de molécula: El hidrógeno es una molécula más pequeña y puede ser susceptible a fugas cuando se utiliza en sistemas destinados al gas natural, como tuberías y accesorios. Adicionalmente, es necesario un sistema de detección de fugas o de ventilación, debido a que una fuga de hidrógeno es más difícil de detectar que de gas natural.
  • Densidad energética: La densidad energética del gas natural es 3.5 veces mayor que la densidad energética del hidrógeno (MJ/m3). Esto significa que se necesita un mayor volumen de hidrógeno para proveer la misma cantidad de energía que del gas natural a temperatura y presión estándar. Para la infraestructura existente, el sistema de suministro de combustible, incluyendo las tuberías, tendría que modificarse dependiendo de la cantidad de hidrógeno que se pretenda mezclar con el gas natural.
  • Temperatura de ignición: El hidrógeno combustiona a una temperatura más alta que el gas natural (585 °C vs 540 °C). Esto afectaría las partes que conforman el sistema de combustión de la turbina de gas y el sistema de escape de la turbina. También es posible que sea necesario modificar los sistemas de recuperación de calor para aceptar gases de escape a mayores temperaturas. Una temperatura más alta para el proceso de combustión significa que es probable que también aumenten los óxidos de nitrógeno (NOx). La siguiente figura muestra datos de pruebas de laboratorio iniciales de General Electric sobre las emisiones de NOx resultantes de diferentes niveles de mezclas de hidrógeno hasta un 50 % en volumen
Fig.2: Ensayos de incremento proporcional emisiones de NOx a mayor porcentaje de mezcla de H2.
  • Volatilidad: El hidrógeno también es más volátil en comparación con el gas natural y tiene una velocidad de llama más de 6 veces mayor. Esto puede dar lugar a complejidades en la combustión, como la posibilidad de retroceso de llama y retención de la llama. El retroceso de la llama puede ocurrir cuando la llama regresa hacia la fuente de combustible y la llama se mantiene cuando la llama se une a la fuente de suministro de combustible. Tanto el retroceso como la retención de la llama pueden causar daños importantes a los componentes de la turbina. Para mitigar estos problemas, sería necesario modificar la secuencia de arranque y apagado, además de complementar los sistemas de control de las turbinas de gas.

CONSIDERACIONES PARA ADECUACIÓN DE PLANTAS DE GENERACIÓN AL BLENDING

Para que las turbinas de generación eléctrica a gas natural, que actualmente tienen una capacidad limitada para mezclar hidrógeno, puedan incorporar este componente, se requiere una serie de adecuaciones y la inclusión de nuevos equipos. Entre las principales consideraciones para el blending de hidrógeno con gas natural en turbinas de gas, se encuentran:

  • Adecuación de la Sección de Combustión: Ajustar esta área de la turbina para manejar las propiedades únicas del hidrógeno como combustible.
  • Redimensionamiento de las Tuberías de Suministro de Combustible: Modificar el tamaño de las tuberías para acomodar los requerimientos de flujo del hidrógeno.
  • Adecuación de las Juntas de las Tuberías: Reforzar o reemplazar las juntas, incluyendo la soldadura, para evitar fugas y garantizar la seguridad.
  • Adecuación del Skid de Descarga y Mezcla de Hidrógeno: Implementar sistemas eficientes para la mezcla y manejo del hidrógeno.
  • Actualizaciones del Sistema de Control: Mejorar los sistemas de control para gestionar de manera eficiente la mezcla de hidrógeno y gas natural.
  • Modificaciones o Actualizaciones en el Sistema de Monitoreo Continuo de Emisiones (CEMS): Ajustar este sistema para monitorear con precisión las emisiones resultantes del uso de hidrógeno.
  • Instalación de Sensores de Seguridad y Detectores de Fugas: Añadir estos dispositivos esenciales para asegurar la operación segura de la planta con hidrógeno.
Fig. 3: Impacto del blending de hidrógeno en los sistemas de combustión de turbinas de gas DLE.

ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS PARA INTRODUCCIÓN DEL BLENDING DE H2 EN TURBINAS DE GAS

  • Blending de Hidrógeno en Redes de Gas Natural: Esta técnica implica inyectar hidrógeno en la red de gas natural existente, afectando a consumidores de diversos sectores (industrial, comercial y doméstico) que deberán operar con equipos aptos para gas natural mezclado con hidrógeno. Este enfoque plantea desafíos significativos, incluyendo la necesidad de inversiones para adaptar los equipos existentes. El porcentaje de hidrógeno en la mezcla puede variar en función de factores como la pureza del hidrógeno, la frecuencia de inyección, la complejidad de la red de distribución y la proximidad del consumidor al punto de inyección. Para grandes consumidores de gas, se sugiere la posibilidad de operar con concentraciones más altas de hidrógeno, lo cual podría requerir la construcción de tuberías específicas para el transporte de hidrógeno puro. Sin embargo, es improbable que las tuberías de gas natural existentes soporten más del 25% de hidrógeno en volumen, debido a posibles fugas y corrosión. Este enfoque también demandaría una revisión regulatoria en las especificaciones de calidad de las tuberías para el transporte de mezclas de gas natural e hidrógeno.
  • Peak-Shaving con Hidrógeno: Esta estrategia implica el uso de energía eléctrica de fuentes renovables durante períodos de baja demanda y alta oferta para almacenar energía en forma de hidrógeno. Posteriormente, en momentos de alta demanda, el hidrógeno almacenado se convierte nuevamente en energía eléctrica a través de turbinas de gas, asegurando así un suministro continuo de energía limpia.
  • Operación con Puro Hidrógeno: Esta alternativa contempla la creación de instalaciones dedicadas exclusivamente a la producción de hidrógeno para alimentar plantas de energía de carga base o flexible, así como instalaciones de ciclo combinado. Esta modalidad permitiría que la generación de energía a través de turbinas de gas alimentadas únicamente con hidrógeno cubra las necesidades eléctricas en redes con baja penetración de energías renovables o en ausencia de otras fuentes de electricidad libres de emisiones de carbono.

CONCLUSIÓN

Aunque el uso de hidrógeno en turbinas de gas implica desafíos técnicos, económicos y regulatorios comparado con el uso exclusivo de gas natural, el cual ya se encuentra totalmente madurado, la incorporación de hidrógeno en la mezcla combustible es un paso significativo hacia la reducción de emisiones de carbono y disminuir nuestra dependencia de combustibles fósiles aprovechando la infraestructura energética existente y aportando a mitigar los impactos económicos futuros asociados al cambio climático y contaminación ambiental.

Fuentes