Foto cortesía de EnergyAustralia
Bobby Noble y Neva Espinoza, Instituto de Investigación de Energía Eléctrica
Introducción
El sistema de energía actual incluye tres subsistemas principales: (A) fuentes de energía (petróleo, solar, etc.), (B) infraestructura y portadores para mover estas fuentes de energía y (C) consumidores de energía .
Este artículo considera los problemas asociados con el hidrógeno como vector de energía. Actualmente, el sistema energético está dominado por dos sistemas portadores multimillonarios en gran parte independientes: la electricidad y los combustibles de hidrocarburos. Actualmente, en los EE. UU., aproximadamente el 40 % de la energía se transporta a través de la electricidad y el 60 % a través de los combustibles. Los combustibles son portadores de energía de base química con altas densidades de energía que hacen posible el transporte a larga distancia. Hoy en día se basan casi por completo en combustibles fósiles, como el gas natural o el petróleo crudo. Estos sistemas aprovechan millones de millas de tuberías, una importante base de fabricación petroquímica y sirven a una red de usuarios global, incluidos vehículos, procesos industriales y calefacción de edificios.
Si bien quedan muchas preguntas sobre los roles relativos de los portadores de energía eléctrica y química en una economía descarbonizada, dos cosas parecen claras: (1) el uso de combustibles fósiles como fuentes y portadores de energía disminuirá, aunque probablemente no a cero, y (2) el uso crecerá el número de portadores de energía química manufacturados, como el hidrógeno que se produce utilizando energía renovable. Estos se utilizarán tanto para mover la energía de las fuentes al usuario como para almacenar energía.
Hay tres cuestiones clave en torno al hidrógeno como vector de energía: (1) generación de hidrógeno, (2) logística, manejo y movimiento de hidrógeno, como a través de tuberías, y (3) utilización de hidrógeno por una variedad de "conversión de energía". dispositivo es decir, dispositivos que generan electricidad (p. ej., celdas de combustible o centrales eléctricas de turbinas de gas), o se utilizan para calentar agua o espacios de construcción.
El enfoque principal de este artículo es abordar el problema (3): identificar las oportunidades y los desafíos asociados con la utilización de hidrógeno en dispositivos de conversión de energía. Por ejemplo, una oportunidad clave para el hidrógeno es almacenarlo y luego quemarlo en turbinas de gas durante los momentos de máxima demanda. Esto tiene los beneficios de reutilizar la tecnología existente (plantas de gas e infraestructura de gas natural) para el almacenamiento de energía basado en la combustión sin emisiones de carbono. Aquí abordamos las siguientes preguntas:
- ¿Es viable el hidrógeno como combustible? ¿Se puede usar hidrógeno en dispositivos reacondicionados o en sistemas nuevos?
- De ser así, ¿cuáles son las limitaciones o problemas que deben comprender los responsables de la formulación de políticas, los usuarios y el público?
¿Se puede usar hidrógeno en dispositivos de conversión de energía?
La respuesta a esta pregunta es rotundamente sí. No existe una razón fundamental por la que el hidrógeno no pueda quemarse en turbinas de gas, calentadores, calderas u otras aplicaciones energéticas, como la generación de electricidad. Se puede usar en una mezcla con gas natural o como hidrógeno puro.
De hecho, hoy en día el hidrógeno se utiliza como fuente de combustible dominante para una serie de plantas generadoras de energía, como la central eléctrica de hidrógeno Fusina en Italia (100 % hidrógeno), una planta petroquímica en Daesan, Corea del Sur (95 % hidrógeno), una siderúrgica en Wuhan, China (60 % de hidrógeno) y varias instalaciones planificadas que se convertirán al 100 % de hidrógeno, como la planta Magnum en Vattenfall, Países Bajos, y la planta de la Agencia de Energía Intermountain en Utah. Ha volado en aviones especialmente diseñados por Martin, Tupelov, Boeing y Skyleader, y los fabricantes de aviones han prometido futuros aviones de hidrógeno como el Airbus ZEROe.
¿Cuáles son las limitaciones asociadas con la utilización de hidrógeno en los sistemas existentes?
Si bien la combustión de hidrógeno ofrece una vía prometedora de almacenamiento y conversión de energía, no es un combustible de introducción para gran parte de los dispositivos de conversión de energía alimentados con gas natural de la actualidad. En otras palabras, se necesitan modificaciones en los sistemas de manejo de combustible, válvulas y tuberías, y hardware de la cámara de combustión. Estas modificaciones son necesarias para abordar varios problemas que preocupan a las partes interesadas, incluidas las emisiones de contaminantes, la operabilidad y el costo. Estos temas son altamente interdependientes.
Abordaremos primero las emisiones contaminantes. Además de las preocupaciones sobre las emisiones de CO 2 asociadas con el cambio climático, la combustión puede generar otros contaminantes, incluso combustibles sin CO 2 como el hidrógeno. Los contaminantes más comúnmente asociados con la combustión de combustibles fósiles son partículas (por ejemplo, hollín), monóxido de carbono y NOx.
La combustión de hidrógeno no emite partículas ni emisiones de monóxido de carbono, ya que no contiene átomos de carbono, otro beneficio importante de este como combustible. Sin embargo, la combustión de hidrógeno puede generar emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx). En esencia, el NOx se genera cuando el aire se calienta a altas temperaturas y el N 2 y el O 2 en el aire comienzan a reaccionar entre sí. El NO x es un contaminante de criterio regulado debido a su potencial para causar efectos adversos en la salud respiratoria y porque contribuye a la lluvia ácida.
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En situaciones donde las emisiones de NOx no son una preocupación, hay muchas opciones disponibles para usar hidrógeno y mezclas de hidrógeno, incluida la capacidad de usar hardware de combustión heredado para una variedad de niveles de mezcla de hidrógeno y gas natural. En otras palabras, los desafíos clave asociados con el uso de hidrógeno se encuentran en los sistemas de combustión de bajo NOx . Los llamados "combustores de difusión" son una tecnología más antigua que conduce a altos niveles de contaminantes NOx. Estos sistemas requieren inyección de agua o vapor para cumplir con las regulaciones de NOx en los permisos de aire modernos, lo que puede resultar poco atractivo debido al costo y la complejidad de los sistemas de gestión del agua. Estos sistemas necesitan grandes volúmenes de agua limpia y desmineralizada, lo que introduce consideraciones ambientales adicionales. En muchos lugares, como el desierto, los sistemas de inyección de agua no son prácticos. No obstante, las cámaras de combustión por difusión tienen una buena flexibilidad de combustible. Muchos de estos sistemas funcionan hoy en día con combustibles con un contenido de hidrógeno muy alto, combustibles que se producen naturalmente como subproductos de procesos industriales en acerías y plantas petroquímicas. Muchos de estos combustores de difusión son 100 % compatibles con hidrógeno (consulte los ejemplos de sitios específicos anteriores), pero su implementación se limita a ubicaciones y economías donde la inyección de agua/vapor es viable para el control de NOx.
Los llamados "combustores premezclados y magros" son sistemas inherentemente bajos en NOx y pueden producir emisiones compatibles sin ninguna inyección de agua o vapor porque evitan las regiones de alta temperatura que producen NOx. Esto se ilustra en la Figura 1, que muestra las diferencias de los combustores premezclados pobres en relación con los combustores no premezclados. Por lo tanto, los sistemas de mezcla pobre y premezclada dominan las nuevas instalaciones de plantas de energía eléctrica y son la tecnología predominante en la flota de generación de energía. Sin embargo, los sistemas heredados no tienen la flexibilidad operativa o la flexibilidad de combustible de las cámaras de combustión por difusión.
Figura 1. Comparación de cámaras de combustión no premezcladas y de mezcla pobre premezclada
Teniendo en cuenta estos puntos, a continuación profundizaremos un poco más en los detalles sobre la operabilidad y las emisiones en los combustores premezclados y pobres, y cuáles son las preocupaciones y dónde surgen los problemas. La operabilidad se refiere a la capacidad de operar la planta de manera confiable sin que se apague, se dañe o tenga un rendimiento inaceptable. El hidrógeno afecta la operabilidad de varias maneras.
- Flashback: esta es la preocupación más grave en torno a los altos niveles de H2 en los sistemas diseñados para gas natural, ya que la llama puede propagarse aguas arriba y dañar el hardware de manera catastrófica. La velocidad de la llama del hidrógeno es un orden de magnitud mayor que la del gas natural. Por lo tanto, el retroceso es el problema dominante para las cámaras de combustión premezcladas pobres modernas con combustible de hidrógeno.
- Soplar: si alguna vez has intentado encender un fósforo afuera cuando hace viento, sabrás qué es esto. De manera similar, las cámaras de combustión tienen velocidades de flujo que pueden superar las 100 MPH, por lo que evitar que la llama vuele corriente abajo y salga del sistema es un gran desafío. Debido a que el hidrógeno se propaga tan rápido, los desafíos de escape se alivian con hidrógeno. Sin embargo, este problema se agrava para las cámaras de combustión flexibles de combustible, que deben evitar la explosión con combustible de gas natural de combustión más lenta y, al mismo tiempo, evitar el retroceso con combustible con alto contenido de hidrógeno. Por estas razones, la capacidad de hidrógeno más alta comercializada para cualquier motor de estructura con combustión premezclada pobre es 50 % de hidrógeno por volumen, y mucho menor para la mayoría de los sistemas.
- Inestabilidades de la combustión: los sistemas modernos de bajo NOx son propensos a una variedad de oscilaciones dañinas y se dedica una gran cantidad de esfuerzo a los sistemas modernos para desarrollar diseños que eviten estos problemas en las condiciones operativas de interés. Sin embargo, el aspecto que debe tener este diseño cambia con la composición del combustible o la temperatura ambiente. Por lo tanto, en los casos en que la composición del combustible puede variar ampliamente, se vuelve imposible desarrollar un diseño estático que sea estable en todas las condiciones y para todos los combustibles potenciales. Esto tiene el impacto práctico de restringir la operación de ciertos regímenes operativos, dependiendo de la composición del combustible. Por ejemplo, es posible que una planta no pueda operar a la potencia máxima para ciertos rangos de composición de combustible.
Finalmente, profundicemos un poco más en las emisiones de NOx. Primero, debemos corregir algunos errores comunes que existen. Dado que las emisiones de NOx aumentan exponencialmente con la temperatura, y debido a que el hidrógeno puede quemarse a mayor temperatura, a veces se dice que la combustión del hidrógeno producirá más NOx. Sin embargo, este punto debe contextualizarse en cuanto a si el diseño de la cámara de combustión es una combustión de llama de difusión o una cámara de combustión pobre premezclada. Es cierto para los combustores de llama de difusión, que son dispositivos inherentemente altos en NOx. No es necesariamente cierto para los sistemas premezclados de bajo NOx. Esto se debe a que las emisiones de NOx son una función de la temperatura en estos sistemas y muchos sistemas de energía funcionan a una temperatura o ajustes de potencia fijos. Para reiterar: los sistemas alimentados con hidrógeno premezclado se pueden diseñar para emisiones de NOx cercanas a cero.
A continuación, es importante comprender la conexión entre la eficiencia del motor y sus emisiones de NOx. Una regla general aproximada es que las máquinas de mayor eficiencia funcionan a temperaturas más altas y, por lo tanto, emiten mayores emisiones de NOx. Como referencia, las regulaciones actuales de la EPA sobre NOx para turbinas de gas son 30 ppm, mientras que en ciertas áreas, como California, con problemas de calidad del aire, pueden ser tan bajas como 3 ppm. Los dispositivos de mayor eficiencia térmica del planeta, las turbinas de gas de ciclo combinado, ahora están diseñados para operar con emisiones de NOx entre 2 y 25 ppm. Cuando se opera con varias mezclas de H 2 , dado que están diseñadas para operar a una temperatura fija, la adición de hidrógeno no tiene por qué afectar negativamente las emisiones de NOx para diseños premezclados de bajo NOx.
Sin embargo, el H 2 también tiene efectos adicionales sobre las emisiones de NOx en sistemas premezclados con bajo contenido de NOx asociados con diferencias sutiles en la forma en que se quema, lo que hace que genere incrementos en trazas de NOx. Para motores grandes de alta eficiencia, estos efectos son muy pequeños. Sin embargo, para motores más pequeños, como una microturbina que podría emitir de 1 a 3 ppm, el efecto podría ser notable; por ejemplo, un nivel de emisión de 1 ppm podría convertirse en 2 ppm.
Para resumir, para los sistemas de combustión pobre y premezclada, el aumento de los niveles de hidrógeno puede causar pequeños aumentos absolutos en los niveles de NO, que podrían ser grandes cambios absolutos (p. ej., en el ejemplo anterior se duplicaron las emisiones de NOx de 1 a 2 ppm). Sin embargo, para máquinas más grandes y de alta eficiencia, los efectos del hidrógeno pueden ser mínimos.
Un punto final: los coeficientes de transferencia de calor de los productos de combustión alimentados con hidrógeno son más altos que los del gas natural. Debido a que la temperatura máxima en una turbina de gas se controla mediante la transferencia de calor a la turbina giratoria, esto podría requerir una reducción en la temperatura de entrada de la turbina a medida que aumentan los niveles de hidrógeno. Si bien los combustibles con alto contenido de hidrógeno en realidad pueden beneficiar la eficiencia del ciclo, esto puede contrarrestarse mediante la reducción de la eficiencia a partir de una reducción de la temperatura de entrada de la turbina. La Figura 2 ilustra esta compensación.
Figura 2. Eficiencia del ciclo simple en función del contenido de hidrógeno del combustible y la temperatura de cocción. El cálculo se basa en una turbina de clase F con una mezcla de combustible metano/hidrógeno. Como referencia, la temperatura máxima de encendido con combustible 100 % metano proporciona una eficiencia aproximada del 38,3 %. Ese valor se indica como una isolínea negra.
Necesidades futuras clave
Para resumir, este documento ha demostrado, en primer lugar, que el hidrógeno es ciertamente un combustible aceptable y muy limpio. En segundo lugar, ha demostrado que se puede utilizar a niveles bajos en los sistemas de campo existentes, y actualmente existen en el campo algunas turbinas de gas de bajo NOx que pueden operar con niveles de H2 de hasta el 50 %, con combustión conjunta de gas natural. Además, se han desarrollado sistemas para operar con hidrógeno puro. El desafío de desarrollo clave para el futuro son los sistemas flexibles de combustible y bajos en NOx, que se pueden operar fácilmente con una variedad de composiciones de combustible, que van desde H2 puro hasta gas natural puro. La Figura 3 a continuación resume la disponibilidad de hidrógeno, las necesidades de I+D y el cumplimiento de NOx de estas diversas tecnologías. Todo esto permitirá la tecnología de combustión del futuro: bajo NOx, amplio rango de operación, sistemas de combustión flexibles de combustible capaces de operar hasta con 100% de hidrógeno.
Figura 3. Disponibilidad de hidrógeno y necesidades de I+D para varias tecnologías de combustión
Tim Lieuwen
Acerca de los autores: Tim Lieuwe n es el Director Ejecutivo del Instituto de Energía Estratégica del Instituto de Tecnología de Georgia. También es el fundador y CTO de Turbine Logic, y miembro de la Academia Nacional de Ingeniería.
Benjamín Emerson
Benjamin Emerson es ingeniero de investigación sénior en el laboratorio de combustión Ben T. Zinn en Georgia Tech. Se especializa en pruebas de combustión, desarrollo y soluciones de monitoreo de motores.
Neva Espinoza
Neva Espinoza es vicepresidenta de suministro de energía y recursos bajos en carbono del Instituto de Investigaciones en Energía Eléctrica. Ha trabajado para EPRI durante los últimos nueve años, incluidos los cargos de directora, directora sénior de programas y directora sénior de proyectos. Espinoza ha trabajado anteriormente en operaciones en NRG Energy y en la Estación Generadora Nuclear Oyster Creek.
bobby noble
Bobby Noble es gerente de programas de turbinas de gas en EPRI y miembro de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos. Es un líder mundial clave en el desarrollo de combustión de hidrógeno y experiencia en pruebas, y es autor de una serie de informes de EPRI sobre estudios de casos de utilización de hidrógeno.
¿Cómo funciona una turbina de hidrógeno?
Una turbina de gas es un tipo de motor de combustión interna. El aire es aspirado en la entrada y comprimido por la etapa del compresor. Luego se agrega energía introduciendo combustible (en nuestro caso, hidrógeno) con el aire en una cámara de combustión y encendiéndolo para que la combustión genere un flujo de alta temperatura.
¿Puede una turbina de gas funcionar con hidrógeno?
Como las turbinas de gas son inherentemente flexibles en cuanto a combustible, pueden configurarse para operar con hidrógeno verde o combustibles similares como una nueva unidad, o actualizarse incluso después de un servicio prolongado con combustibles tradicionales, es decir, gas natural.
¿Qué tan eficiente es una turbina de hidrógeno?
Opera con una eficiencia del 64 % y una fiabilidad del 99,6 %. La compañía se ha centrado en mejorar la producción y la eficiencia del combustible, junto con la combustión de hidrógeno y la inteligencia artificial. Actualmente está desarrollando tecnología de combustión seca baja en NOx (DLN) (cámara de combustión de múltiples grupos) para el abastecimiento de hidrógeno al 100 %.
¿Puede un motor de turbina funcionar con hidrógeno?
El hidrógeno líquido o gaseoso se quema en un motor de turbina de gas para generar empuje. La combustión es un proceso químico en el que se libera energía de una mezcla de combustible y aire. Los defensores del hidrógeno dicen que su amplio rango de inflamabilidad y su alta temperatura de ignición automática lo hacen particularmente adecuado para la combustión.