La economía del hidrógeno es esencial para los esfuerzos de descarbonización.

La compresión es necesaria a lo largo de toda la cadena de valor del hidrógeno. (Ilustración: EFRC.)

La economía del hidrógeno no es una utopía de un futuro lejano, sino una realidad cada vez más palpable, según afirmó un panel de ingenieros en un reciente seminario web. En respuesta a esto, la industria de la compresión ha experimentado un claro aumento en los pedidos de compresores de hidrógeno durante los últimos meses.

“La economía del hidrógeno ya no es algo del futuro. La estamos presenciando en este momento”, dijo Lennert Buijs, gerente de proyecto de TNO, quien habló en un seminario web reciente organizado por el Foro Europeo de Compresores Reciprocantes.

El EFRC publicó recientemente un informe técnico titulado «Compresión de hidrógeno: Impulsando la economía del hidrógeno» para analizar el crecimiento de la compresión de hidrógeno en Europa. Su último seminario web se celebró para presentar las principales conclusiones de dicho informe.

El informe del EFRC ofreció una visión general de las ventajas y desventajas relativas de los diferentes sistemas de compresión utilizados en la economía del hidrógeno. La organización destaca la tecnología de compresión de hidrógeno existente y los avances en Europa que apoyan la transición hacia una economía del hidrógeno verde.

El informe técnico y el seminario describieron los distintos tipos de compresores disponibles para la compresión de hidrógeno, así como las ventajas y limitaciones de cada uno. La cadena de valor del hidrógeno se divide en tres partes: producción, transporte y almacenamiento, y uso final. La compresión es necesaria en cada una de estas etapas.

Una vez producido, el hidrógeno se comprime y se introduce en un sistema de transporte. Puede transportarse por tubería, lo que también requiere compresión para trasladar las moléculas a otro lugar. También puede transportarse en camión cisterna, pero en este caso también se requiere compresión, generalmente a presiones incluso mayores que las que requieren las tuberías.

La industria necesita compresión para su almacenamiento en tanques o en depósitos subterráneos de gas . En ambos casos, el almacenamiento puede compensar la intermitencia en la producción y el consumo de hidrógeno, según el informe.

El consumo de hidrógeno, tercer eslabón de la cadena de valor, también puede requerir compresión que cumpla criterios específicos según la aplicación. El hidrógeno puede utilizarse para la generación de energía, como materia prima o como combustible para vehículos.

Europa está impulsando varios proyectos de hidrógeno diseñados para reducir la dependencia de los hidrocarburos. «Actualmente vemos muchos proyectos en desarrollo», afirmó René Peters, uno de los ponentes del reciente seminario web.

La Unión Europea, en su Pacto Verde Europeo, reconoce un papel fundamental para el hidrógeno y la electricidad en su futuro sistema energético. En los Países Bajos, por ejemplo, existen unos 160 proyectos que producirían una capacidad de 12 GW de hidrógeno verde para 2030, según indicó.

Los Países Bajos también se han comprometido a construir una red de gasoductos de hidrógeno que se conectaría con una red similar en Alemania y Bélgica, así como con instalaciones marítimas. Según indicó, sería necesaria la compresión a lo largo de toda la red de gasoductos.

Europa también necesitará sistemas de compresión para un número creciente de estaciones de servicio de hidrógeno, que deben suministrar hidrógeno de alta pureza a una presión de entre 350 y 700 bares para abastecer vehículos particulares o camiones pesados. En Alemania existen 93 estaciones y otras 50 están en desarrollo. Países Bajos, Bélgica, Dinamarca, Noruega y Suiza también cuentan con un número creciente de estaciones de servicio.

“Observamos un gran despliegue de estaciones de repostaje de hidrógeno en Europa”, afirmó Buijs. “Estamos viendo una rápida cobertura total del noroeste de Europa para vehículos de pila de combustible de hidrógeno y camiones pesados”.

Algunos operadores de la industria del transporte y almacenamiento de hidrógeno están intentando utilizar cavernas de sal y yacimientos de gas agotados para el almacenamiento a gran escala de hidrógeno. Se podrían almacenar hasta 250 GW de hidrógeno en cavernas de sal. «El almacenamiento es vital para asegurar el mercado. Las cavernas son necesarias para garantizar la seguridad del suministro», afirmó.

Varios tipos de compresores

El artículo y el seminario web señalaron que se pueden utilizar diversos tipos de compresores para hidrógeno y que algunos son más adecuados que otros según la aplicación. El estudio comparó varios tipos de compresores en cuanto a capacidad, fiabilidad, presión final, pureza del gas, eficiencia, potencial de reducción de caudal, pulsaciones, vibraciones y ruido.

Los compresores alternativos son de los más comunes debido a su amplia gama de presiones y capacidades. Cuentan con una sólida trayectoria tras décadas de uso en refinerías. Son máquinas versátiles que se adaptan bien a los cambios en las condiciones del proceso y permiten reducir su potencia con gran eficiencia. Los compresores alternativos pueden ser lubricados o no lubricados.

Una de las desventajas de los compresores alternativos es que tienen muchas piezas de desgaste que requieren mantenimiento y reemplazo periódico. La relación de presión por etapa es algo limitada, lo que a menudo implica la necesidad de varias etapas para aumentar la presión del gas. Además, los compresores alternativos generan un flujo de gas pulsante que puede producir vibraciones que deben controlarse.

Los compresores alternativos son la opción más común para el transporte de hidrógeno por tubería . También se utilizan habitualmente en el almacenamiento subterráneo de hidrógeno, que normalmente requiere entre 200 y 300 bares. Las condiciones para esta aplicación pueden variar y las inyecciones y extracciones pueden producirse varias veces al día.

Los compresores de diafragma e hidráulicos son máquinas de desplazamiento positivo con un historial comprobado en aplicaciones de hidrógeno . Son especialmente adecuados para estaciones de servicio de hidrógeno, ya que garantizan una alta pureza del gas y pueden alcanzar mayores relaciones de presión por etapa. Sin embargo, presentan limitaciones: generalmente tienen menor capacidad que los compresores de pistón. Además, requieren un funcionamiento cuidadoso y un mantenimiento regular para asegurar una fiabilidad óptima. La sustitución de una membrana en un compresor de diafragma es un proceso relativamente laborioso en comparación con la sustitución de piezas en compresores hidráulicos.

Los compresores de tornillo son máquinas de desplazamiento positivo que reducen el volumen de gas mediante un tren de engranajes situado entre dos rotores giratorios. Una de sus ventajas es que, por lo general, alcanzan una velocidad de funcionamiento superior a la de un compresor alternativo, lo que les permite ofrecer una mayor capacidad en el mismo espacio. Los compresores de tornillo tienen pocas piezas de desgaste, lo que implica un menor mantenimiento programado que las máquinas alternativas.

Sin embargo, los compresores de tornillo tienen menor capacidad que los compresores de pistón y una trayectoria limitada en el procesamiento de hidrógeno debido a su presión de descarga relativamente baja, que suele estar entre 30 y 40 bar. Además, los compresores de tornillo generan pulsaciones en la salida, a menudo con una frecuencia mayor que los compresores de pistón.

Los compresores centrífugos utilizan un impulsor para acelerar y comprimir gases. Se consideran una tecnología consolidada para aplicaciones ricas en hidrógeno, como las unidades de hidrodesintegración en refinerías. Sin embargo, el estudio reveló que no son adecuados para aplicaciones con hidrógeno puro.

Los compresores centrífugos pueden funcionar a alta velocidad y tienen una gran capacidad, a menudo superior a la de los compresores de pistón del mismo tamaño. No tienen piezas de desgaste y sus pulsaciones son mucho menores que las de los compresores de pistón.

Sin embargo, su relación de presión por etapa es muy baja y su eficiencia es limitada. Están diseñados para operar en un conjunto específico de circunstancias. Si esas circunstancias cambian, la eficiencia disminuye.

“Los compresores centrífugos tienen todavía un historial muy limitado en aplicaciones de hidrógeno puro”, afirmó.

Finalmente, también se analizaron algunos conceptos más innovadores para la compresión de hidrógeno, basados en principios no mecánicos. Entre ellos se incluyen, por ejemplo, la compresión electroquímica y la compresión con hidruros metálicos . Si bien estas tecnologías aún no alcanzan el nivel de madurez y capacidad de los compresores clásicos (mecánicos) convencionales, están evolucionando rápidamente y resultan de gran interés para aplicaciones específicas del hidrógeno.

tendencias en I+D

La EFRC ha observado que muchos fabricantes de equipos originales (OEM) están invirtiendo fuertemente en investigación y desarrollo para aplicaciones de hidrógeno. Existe una tendencia, por ejemplo, a aumentar la presión de salida, especialmente en los compresores sin lubricación necesarios para el hidrógeno puro.

Otra tendencia en la investigación se centra en la fiabilidad tras arranques y paradas intermitentes . Los fabricantes buscan mejorar la fiabilidad de las máquinas que no se utilizan de forma continua. Las estaciones de servicio de hidrógeno son un buen ejemplo: un compresor funciona mientras se reposta un vehículo y se apaga cuando el depósito está lleno.

Otro tema de investigación es la posibilidad de emplear técnicas de compresión híbridas para combinar las ventajas relativas de cada tipo de compresor. Por ejemplo, algunas industrias estudian la combinación de un compresor de tornillo en una etapa de baja presión con una máquina de pistón en una etapa superior. En otros casos, investigan el uso de un compresor de pistón en una etapa de baja presión y, posteriormente, un compresor de diafragma en una etapa superior. Esta combinación de tecnologías suele poder implementarse en un solo eje.

Los fabricantes también investigan cómo interactúan entre sí los distintos equipos utilizados en los sistemas de hidrógeno . Por ejemplo, quieren saber si un electrolizador puede dañarse por las pulsaciones causadas por un compresor alternativo. «Estas son cuestiones que aún no están claras», afirmó Leonard van Lier, de TNO Energy Transition.

El estudio llegó a algunas conclusiones. El hidrógeno es un elemento crucial del proceso de descarbonización. Se requerirá una compresión eficiente y fiable a lo largo de toda la cadena de valor del hidrógeno.

En respuesta a este aumento de la demanda, los fabricantes buscan mejorar la capacidad y soportar presiones más elevadas. Además, investigan maneras de mantener los equipos funcionando de forma eficiente a diferentes velocidades y de manera fiable con arranques y paradas intermitentes.