El poder del hidrógeno: simulación para una demanda energética sostenible
En este blog post, exploramos las etapas clave del hidrógeno como fuente de energía limpia, desde la producción hasta el almacenamiento y el transporte, y cómo la simulación computacional desempeña un papel fundamental en la optimización del rendimiento, el análisis de seguridad, la mitigación de riesgos y la aceleración de la adopción del hidrógeno en diversas aplicaciones.
Ante el continuo aumento de la demanda energética, se necesitan fuentes de electricidad más respetuosas con el medio ambiente, seguras y fiables. Muchas fuentes de energía renovables, como la solar o la eólica, producen electricidad de forma intermitente, ya que depende de las condiciones climáticas y del período del año. Además, algunos sistemas de conversión de energía necesitan calor al provenir de procesos de quema de combustibles fósiles y su retrofit para uso con combustibles de origen renovable tiene que ser hecho con el menor descarte de equipos posible. Es por ello que la adaptación de esos equipos constituye una etapa muy importante dentro de la ingeniería hacia la transición verde.
Para hacer frente a estos inconvenientes se precisa un sistema de almacenamiento de energía adecuado que permita adaptar el suministro a la demanda energética. La capacidad de almacenamiento actual de las baterías es muy limitada. Por el contrario, el hidrógeno permite el almacenamiento de energía durante largos períodos de tiempo para su posterior utilización.
El hidrógeno es lo que se conoce como un vector energético, es decir, una sustancia que permite el transporte y almacenamiento de energía para su posterior utilización. Además, no es una fuente de energía primaria, ya que para su obtención se requiere el empleo de energía. Cuando el hidrógeno se produce a partir de electricidad generada por fuentes de energía renovables, se conoce como hidrógeno verde.
Maximizando el potencial del hidrógeno mediante simulación
Tradicionalmente, la validación de diseños se realiza a través de prototipos físicos, lo que incrementa costes y plazos debido a la necesidad de rediseños constantes. La simulación permite acelerar el proceso de diseño, proporcionando información desde las primeras fases y reduciendo la necesidad de iteraciones costosas con prototipos. En el caso del hidrógeno, estas soluciones permiten no solo evaluar el rendimiento de los dispositivos en las plantas de reformado, sino también optimizar el proceso de electrólisis, realizar análisis de seguridad en los tanques de almacenamiento, así como estudiar la dinámica de la llama en diferentes proporciones de mezcla y condiciones de funcionamiento.
Estos conocimientos son esenciales para mitigar los retos asociados con el uso del hidrógeno y acelerar su adopción en aplicaciones como pilas de combustible, motores de turbina de gas y motores de combustión interna. A continuación, analizamos las etapas de producción, almacenamiento, transporte y utilización del hidrógeno, y cómo la simulación puede optimizar cada una de ellas.
Producción de hidrógeno
Reformado de metano con vapor de agua
Hoy en día la mayor parte del hidrógeno producido es generado mediante el proceso de reformado de metano con vapor de agua (SMR). Mediante este procedimiento, el gas natural y el vapor de agua se reforman en un catalizador de níquel a unos 850ºC. Al hidrógeno generado de esta manera se le conoce como hidrógeno gris, ya que produce elevadas emisiones contaminantes. Cuando en el proceso de reformado anterior se produce la captura y almacenamiento de carbono, el hidrógeno generado se le denomina azul.
Simulación fluidodinámica de reactor monolítico para la producción de hidrógeno
Electrólisis del agua
Un procedimiento mucho más limpio para la generación de hidrógeno es la electrólisis. Mediante este método se hace pasar una corriente eléctrica a través del agua para descomponerla en hidrógeno y oxígeno. Si la electricidad empleada procede de fuentes de energía renovables, se obtiene entonces un proceso con cero emisiones (cuya materia prima es el agua).
Existen diversas tecnologías para llevar a cabo la electrólisis del agua, siendo una de las más conocidas la electrólisis mediante membrana de intercambio protónico (PEM). En un electrolizador PEM hay una fase líquida principal (el agua) y una segunda fase gaseosa constituida por las pequeñas burbujas de hidrógeno que se van generando y que se transportan dispersas en la fase principal.
En este tipo de electrolizadores, uno de los componentes críticos son las placas bipolares. La función de estas placas metálicas es múltiple: por un lado, separan cada conjunto membrana-electrodo de la pila aportando resistencia estructural y, por otro, distribuyen el agua y el hidrógeno generado a la salida mediante canales de flujo mecanizados. Además, resultan fundamentales para la correcta conducción eléctrica hacia los puntos de reacción, así como para la disipación del calor.
La simulación fluidodinámica (CFD) es fundamental para calcular la distribución del flujo multifásico a través de los canales, obtener la tasa de generación de hidrógeno, así como las fracciones volumétricas para las fases líquida y gaseosa. La herramienta Ansys Meshing ayuda a mallar geometrías complejas para probar múltiples diseños y optimizar la forma de los canales. Por su parte, Ansys Fluent dispone de varios modelos de pilas de combustible, entre los que se incluyen el PEM (Electrolizador de membrana de intercambio protónico) y el SOEC (Electrolizador de óxido sólido)
Fracción de hidrógeno en una celda de electrólisis a diferentes caudales
Almacenamiento de hidrógeno
Para el almacenamiento de hidrógeno en estado líquido a temperaturas criogénicas se han de seleccionar adecuadamente materiales que puedan soportar el frío con seguridad y eficacia. Del mismo modo, se ha de controlar la temperatura durante la distribución, ya que si se produce un aumento de la misma, el hidrógeno puede volver a su forma gaseosa y escapar, suponiendo un riesgo para la seguridad.
Las herramientas de simulación desempeñan un papel clave en este contexto, permitiendo análisis estructurales avanzados con materiales compuestos, como los realizados con Ansys Mechanical. Por su parte, Ansys Granta ofrece una extensa biblioteca de materiales, junto con herramientas avanzadas para búsqueda y selección de materiales sustitutos.
Transporte de hidrógeno
El hidrógeno es mucho más pequeño y ligero que los combustibles fósiles, y por tanto, más propenso a fugas y al riesgo de autoignición y explosión. Su amplio límite de inflamabilidad, combinado con bajos niveles de energía de ignición y una elevada velocidad de propagación de la llama, hace que pueda arder o explotar bajo diversas condiciones.
Mediante la simulación se pueden estudiar los mecanismos que conducen a la autoignición y optimizar los parámetros geométricos del tanque de almacenamiento para minimizar los riesgos de fuga.
Autoignición de fuga de hidrógeno
Utilización de hidrógeno
Para poder utilizar el hidrógeno de forma eficiente y segura es necesario comprender previamente las características de su combustión, así como otras cuestiones relativas a la seguridad y utilización.
Características de la combustión del hidrógeno
- Tiene una velocidad de llama 8 veces mayor que la del metano
- Su límite de inflamabilidad en el aire es del 4 al 70% en volumen, más amplio que el de los hidrocarburos
- Requiere una energía de ignición 15 veces menor que la de los hidrocarburos
- Sin emisiones de CO2, CO, hollín e hidrocarburos inquemados
Cuestiones relativas a la seguridad
- Mayor temperatura de llama: el hecho de que su temperatura de llama adiabática sea mayor supone ventajas e inconvenientes. Por un lado, aumenta la eficiencia y estabilidad del proceso de combustión, pero, por otro, aumenta la generación de óxidos de nitrógeno (NOx) y plantea problemas relacionados con la protección de los metales
- Por lo tanto, para el correcto diseño de un dispositivo de combustión se ha de lograr un equilibrio entre la eficiencia, las emisiones y la estabilidad
- Retroceso de llama (Flashback): este fenómeno ocurre cuando la velocidad del gas que sale del quemador es inferior a la velocidad de llama. La llama se propaga aguas arriba, sin extinguirse, con el consiguiente daño para los componentes. Para evitar el flashback se puede simular la combustión de diferentes mezclas a base de hidrógeno para determinar la proporción más adecuada y así aumentar la esperanza de vida de la cámara de combustión
Retroceso de llama en combustor
Adaptación de tecnología existente para uso con combustibles de origen renovable
- A corto plazo la solución más viable es el retrofit de los motores existentes así como la utilización de mezclas hidrógeno-metano
- El índice de Wobbe se utiliza para comparar la energía de combustión de diferentes combustibles gaseosos, y por ello resulta útil como indicador de su intercambiabilidad (para minimizar el impacto de la sustitución de gases o mezclas de gases)
- La simulación permite estudiar el comportamiento de mezclas de combustibles basados en H2 para prevenir posibles problemas
Combustión del hidrógeno: compromiso entre emisiones, eficiencia y estabilidad
Ámbitos de aplicación de la simulación
Producción
- Modelización del proceso de reformado de metano con vapor de agua (Ansys Fluent)
- Análisis electroquímico y fluidodinámico de la electrólisis (Ansys Fluent)
Almacenamiento
- Diseño del tanque criogénico (Ansys Mechanical)
- Diseño del compresor (Ansys Fluent, CFX, BladeModeler, Mechanical)
- Licuefacción asistida
Transporte
- Autoignición por fugas
La predicción de la autoignición del hidrógeno debida a la rotura repentina del tanque de almacenamiento es de suma importancia para garantizar la seguridad durante la manipulación y el transporte. Estudio paramétrico del tamaño del orificio de fuga mediante (Ansys optiSLang) - Diseño del depósito de H2 comprimido
Utilización
- Combustión de hidrógeno: retroceso de llama, NOx, mezclas de combustibles basados en H2, protección de metales (Ansys Fluent)
- Vehículos de pilas de combustible
- Energía de pilas de combustible
- Combustión en turbinas de gas (Ansys Fluent)
Las soluciones de simulación Ansys abarcan todos los ámbitos de aplicación
En resumen, la simulación computacional no solo optimiza cada etapa del ciclo de vida del hidrógeno, sino que es una herramienta clave para superar los retos técnicos y acelerar su adopción en una transición energética sostenible. Para saber cómo aplicar la simulación Ansys en tus proyectos, contacta a uno de nuestros especialistas y recibe soporte personalizado:
