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Infraestructura de hidrógeno

Tuberías de hidrógeno

Una infraestructura de hidrógeno es la infraestructura de transporte de hidrógeno por tuberías, puntos de producción de hidrógeno y estaciones de hidrógeno para la distribución , así como la venta de combustible de hidrógeno [1] y, por lo tanto, un requisito previo crucial antes de una comercialización exitosa de la tecnología de pilas de combustible . [2]

Planta de gasificación de hidrógeno para Belinka Perkemija  [sl] , 2015

La infraestructura de hidrógeno consistiría principalmente en el transporte industrial de hidrógeno por tuberías y estaciones de servicio equipadas con hidrógeno. Las estaciones de hidrógeno que no estuvieran situadas cerca de una tubería de hidrógeno se abastecerían a través de tanques de hidrógeno, remolques de tubos de hidrógeno comprimido , remolques de hidrógeno líquido , camiones cisterna de hidrógeno líquido o producción in situ especializada.

Los gasoductos son la forma más barata de transportar hidrógeno a largas distancias en comparación con otras opciones. El transporte de gas hidrógeno por tuberías es una práctica habitual en las grandes refinerías de petróleo, ya que el hidrógeno se utiliza para hidrocraquear combustibles a partir del petróleo crudo. La AIE recomienda que se utilicen los puertos industriales existentes para la producción y los gasoductos existentes para el transporte, así como la cooperación y el transporte marítimo internacionales. [3]

Corea del Sur y Japón , [4] que a partir de 2019 carecen de interconectores eléctricos internacionales , están invirtiendo en la economía del hidrógeno . [5] En marzo de 2020, se inauguró el Campo de Investigación de Energía de Hidrógeno de Fukushima en Japón, que afirma ser la instalación de producción de hidrógeno más grande del mundo. [6] Gran parte del sitio está ocupado por un conjunto solar ; la energía de la red también se utiliza para la electrólisis del agua para producir combustible de hidrógeno. [7]

Red

Autopistas del hidrógeno

Una autopista del hidrógeno es una cadena de estaciones de servicio equipadas con hidrógeno y otra infraestructura a lo largo de una carretera o autopista que permiten la circulación de vehículos de hidrógeno .

Estaciones de hidrógeno

Las estaciones de hidrógeno que no están situadas cerca de un gasoducto de hidrógeno se abastecen a través de tanques de hidrógeno , remolques de tubos de hidrógeno comprimido , remolques de hidrógeno líquido , camiones cisterna de hidrógeno líquido o producción in situ dedicada. Algunas empresas como ITM Power también están proporcionando soluciones para fabricar su propio hidrógeno (para usar en el automóvil) en casa. [8] Se están llevando a cabo actividades apoyadas por el gobierno para expandir una infraestructura de combustible de hidrógeno en el estado de California (EE. UU.), en algunos estados miembros de la Unión Europea (sobre todo en Alemania [2] ) y, en particular, en Japón.

Transporte de hidrógeno por tuberías

El transporte de hidrógeno por tuberías es un transporte de hidrógeno a través de una tubería como parte de la infraestructura del hidrógeno. El transporte de hidrógeno por tuberías se utiliza para conectar el punto de producción de hidrógeno o entrega de hidrógeno con el punto de demanda, los costos de transporte por tuberías son similares al GNC , [9] la tecnología está probada, [10] sin embargo, la mayor parte del hidrógeno se produce en el lugar de demanda con cada 50 a 100 millas (80 a 161 km) una instalación de producción industrial. [11] A partir de 2004 , hay 900 millas (1,448 km) de tuberías de hidrógeno de baja presión en los EE. UU. y 930 millas (1,497 km) en Europa.

Según un informe de investigación de 2024, Estados Unidos tiene 1.600 millas (2.570 kilómetros) de tuberías de hidrógeno; el total mundial se sitúa en 2.800 millas (4.500 kilómetros). [12] El Foro Económico Mundial , en diciembre de 2023, estimó que Europa tenía aproximadamente 1.600 kilómetros de tuberías de hidrógeno. [13]

La fragilización por hidrógeno (una reducción de la ductilidad de un metal debido al hidrógeno absorbido) no es un problema para las tuberías de gas hidrógeno. La fragilización por hidrógeno solo ocurre con hidrógeno "difusible", es decir, átomos o iones. Sin embargo, el gas hidrógeno es molecular (H 2 ), y existe una barrera energética muy significativa para dividirlo en átomos. [14]

Reserva para energías renovables

El Laboratorio Nacional de Energía Renovable cree que los condados de EE. UU. tienen el potencial de producir más hidrógeno renovable para vehículos de celdas de combustible que la gasolina que consumieron en 2002. [15]

Como reserva energética, el hidrógeno producido mediante electrólisis del agua y en combinación con el almacenamiento subterráneo de hidrógeno u otras tecnologías de almacenamiento a gran escala, podría desempeñar un papel importante para la introducción de fuentes de energía renovables fluctuantes como la energía eólica o solar. [2]

Plantas de producción de hidrógeno

El 98% de la producción de hidrógeno utiliza el método de reformado con vapor . [16] También se utilizan métodos como la electrólisis del agua . [17] Se afirma que la instalación más grande del mundo para producir combustible de hidrógeno electrolítico [18] es el Campo de Investigación de Energía de Hidrógeno de Fukushima (FH2R), una unidad de producción de hidrógeno de 10 MW, inaugurada el 7 de marzo de 2020, en Namie , Prefectura de Fukushima . [19] El sitio ocupa 180.000 metros cuadrados de terreno, gran parte del cual está ocupado por un panel solar ; pero la energía de la red también se utiliza para realizar la electrólisis del agua para producir combustible de hidrógeno . [18]

Transporte de hidrógeno por tuberías

El transporte de hidrógeno por tuberías es un transporte de hidrógeno a través de una tubería como parte de la infraestructura del hidrógeno.

Historia

Ciencias económicas

El transporte de hidrógeno por tuberías se utiliza para transportar hidrógeno desde el punto de producción o entrega hasta el punto de demanda. Aunque el transporte de hidrógeno por tuberías es tecnológicamente maduro, [24] [25] y los costos de transporte son similares a los del GNC , [26] la mayor parte del hidrógeno se produce en el lugar de demanda, con una instalación de producción industrial cada 50 a 100 millas (80 a 161 km) [27].

Tubería

Para tuberías de metal de proceso a presiones de hasta 7000 psi (48 MPa), se prefieren tuberías de acero inoxidable de alta pureza con una dureza máxima de 80 HRB . [28] Esto se debe a que las durezas más altas se asocian con una menor tenacidad a la fractura , por lo que el acero más fuerte y de mayor dureza es menos seguro.

Las tuberías compuestas se evalúan como:

Se investigan tuberías de polímero reforzado con fibra (o tuberías FRP) y tuberías termoplásticas reforzadas . [29] [30] [31] [32]

El transporte de hidrógeno en tuberías de acero (calidades: API5L-X42 y X52; hasta 1000 psi/7000 kPa, presión constante/ciclos de baja presión) no provoca fragilización por hidrógeno . [33] El hidrógeno se suele almacenar en cilindros de acero sin problemas. El gas de carbón (también conocido como gas de ciudad) es 50% hidrógeno y se transportó en tuberías de hierro fundido durante medio siglo sin problemas de fragilización.

Infraestructura

Autopista del hidrógeno

Una autopista de hidrógeno es una cadena de estaciones de servicio públicas equipadas con hidrógeno , a lo largo de una carretera o autopista, que permite la circulación de automóviles propulsados ​​por hidrógeno . [34] William Clay Ford Jr. ha afirmado que la infraestructura es uno de los tres factores (que también incluyen los costos y la capacidad de fabricación en grandes volúmenes) que frenan la comercialización de los automóviles con celdas de combustible . [3]

Problemas de suministro, costes y contaminación

Las estaciones de abastecimiento de hidrógeno generalmente reciben entregas de hidrógeno en camiones cisterna de los proveedores de hidrógeno. [35] Una interrupción en una instalación de suministro de hidrógeno puede cerrar varias estaciones de abastecimiento de hidrógeno. [36] Construir una estación de abastecimiento de hidrógeno cuesta entre 1 y 4 millones de dólares. [37]

A partir de 2019, el 98% del hidrógeno se produce mediante reformado de metano con vapor , que emite dióxido de carbono. [16] La mayor parte del hidrógeno también se transporta en camiones, por lo que se emite contaminación en su transporte. [35]

Estación de hidrógeno

Bomba de abastecimiento de hidrógeno

Una estación de hidrógeno es una estación de almacenamiento o llenado de combustible de hidrógeno . [38] El hidrógeno se dispensa por peso. [39] [40] Hay dos presiones de llenado de uso común: H70 o 700 bar , y el estándar más antiguo H35 o 350 bar. [41] En 2021 , había alrededor de 550 estaciones de servicio disponibles en todo el mundo. [41] Según H2stations.org de Ludwig-Bölkow-Systemtechnik (LBST), a finales de 2023, había 921 estaciones de servicio de hidrógeno en todo el mundo, [42] aunque este número entra claramente en conflicto con los publicados por AFDC. [43] La distribución de estas estaciones es muy desigual, con una concentración en el este de Asia, particularmente en China, Japón y Corea del Sur; Europa central y California en los Estados Unidos. Otras regiones tienen muy pocas estaciones de servicio de hidrógeno, si es que tienen alguna. [42] [43]

Métodos de entrega

Las estaciones de abastecimiento de hidrógeno se pueden dividir en estaciones externas, donde el hidrógeno se entrega por camión o gasoducto, y estaciones internas que producen y comprimen hidrógeno para los vehículos. [44] [45]

Tipos de estaciones de recarga

Estación de abastecimiento de hidrógeno a domicilio

Los consumidores tienen a su disposición estaciones de servicio de hidrógeno para sus hogares. [46] Un modelo que puede producir 12 kilogramos de hidrógeno al día se vende por 325.000 dólares. [47]

Las estaciones de electrólisis de agua con hidrógeno alimentadas por energía solar para uso doméstico se componen de células solares , un convertidor de energía , un purificador de agua , un electrolizador , tuberías, un purificador de hidrógeno , [48] un purificador de oxígeno, un compresor , [49] recipientes a presión [50] y una salida de hidrógeno. [51]

Desventajas

Volatilidad

El combustible de hidrógeno es peligroso debido a su baja energía de ignición, su alta energía de combustión y porque se filtra fácilmente de los tanques. [52] Se han reportado explosiones en estaciones de servicio de hidrógeno. [53]

Suministrar

Las estaciones de abastecimiento de hidrógeno suelen recibir suministros en camiones de los proveedores de hidrógeno. Una interrupción en una instalación de suministro de hidrógeno puede provocar el cierre de varias estaciones de abastecimiento de hidrógeno debido a una interrupción del suministro de hidrógeno. [54]

Costos

Hay muchas menos estaciones de servicio de hidrógeno que estaciones de servicio de gasolina, que solo en los EE. UU. sumaban 168.000 en 2004. [55] Se estima que reemplazar la infraestructura de gasolina de EE. UU. con una infraestructura de combustible de hidrógeno costaría medio billón de dólares estadounidenses. [56] Construir una estación de servicio de hidrógeno cuesta entre $1 millón y $4 millones. [57] En comparación, los vehículos eléctricos de batería pueden cargarse en casa o en cargadores públicos. A partir de 2023, hay más de 60.000 estaciones de carga públicas en los Estados Unidos, con más de 160.000 puntos de venta. [43] Un cargador público de nivel 2, que comprende la mayoría de los cargadores públicos en los EE. UU., cuesta alrededor de $2000, y los cargadores rápidos de CC, de los cuales hay más de 30 000 en los EE. UU., [43] generalmente cuestan entre $100 000 y $250 000, [58] aunque se estima que los supercargadores Tesla cuestan aproximadamente $43 000. [59]

Congelación de la boquilla

Durante el reabastecimiento de combustible, el flujo de hidrógeno frío puede provocar la formación de escarcha en la boquilla del dispensador, lo que a veces hace que la boquilla se congele y se adhiera al vehículo que se está reabasteciendo. [60]

Ubicaciones

La consultora Ludwig-Bölkow-Systemtechnik rastrea las estaciones de servicio de hidrógeno en todo el mundo y publica un mapa. [61]

Asia

En 2019, había 178 estaciones de servicio de hidrógeno disponibles al público en funcionamiento. [62]

Estación de hidrógeno en Ariake , Tokio

En mayo de 2023 , había 167 estaciones de servicio de hidrógeno disponibles al público en funcionamiento en Japón. [63] [64] En 2012, había 17 estaciones de servicio de hidrógeno, [65] y en 2021, había 137 estaciones de servicio de hidrógeno disponibles al público en Japón. [41]

A finales de 2023, China había construido 354 estaciones de servicio de hidrógeno. [66]

En 2019, había 33 estaciones de servicio de hidrógeno disponibles al público en funcionamiento en Corea del Sur. [62] [67] Sin embargo, en noviembre de 2023, debido a problemas de suministro de hidrógeno y estaciones averiadas, la mayoría de las estaciones de servicio en Corea del Sur no ofrecían hidrógeno. [68] 41 de las 159 estaciones de hidrógeno del país estaban listadas como abiertas, y algunas de ellas estaban racionando los suministros de hidrógeno. [69]

Europa

En 2019, había 177 estaciones en Europa. [62] [70] [71] Según H2stations.org de Ludwig-Bölkow-Systemtechnik (LBST), a finales de 2023 había 265 estaciones de servicio de hidrógeno en Europa. [42]

En junio de 2023, había 105 estaciones de servicio de hidrógeno en Alemania, [42] En junio de 2023, había 5 estaciones de servicio de hidrógeno disponibles al público en Francia, [70] 3 estaciones de servicio de hidrógeno disponibles al público en Islandia, [70] una estación de servicio de hidrógeno disponible al público en Italia, [70] 4 estaciones de servicio de hidrógeno disponibles al público en los Países Bajos, [70] 2 estaciones de servicio de hidrógeno disponibles al público en Bélgica, [70] 4 estaciones de servicio de hidrógeno disponibles al público en Suecia, [70] 3 estaciones de servicio de hidrógeno disponibles al público en Suiza [70] y 6 estaciones de servicio de hidrógeno disponibles al público en Dinamarca. [70] Everfuel, el único operador de estaciones de hidrógeno en Dinamarca, anunció en 2023 el cierre de todas sus estaciones de hidrógeno públicas en el país. [72] [73]

En junio de 2021, había dos estaciones de servicio de hidrógeno disponibles al público en Noruega, ambas en el área de Oslo. [74] Desde la explosión en la estación de servicio de hidrógeno en Sandvika en junio de 2019, la venta de automóviles de hidrógeno en Noruega se ha detenido. [75] En 2023, Everfuel anunció el cierre de sus dos estaciones de servicio de hidrógeno públicas en Noruega y canceló la apertura de una tercera. [72] En 2024, Shell interrumpió sus proyectos de combustible de hidrógeno en Noruega. [76]

En junio de 2020, había 11 estaciones de servicio de hidrógeno disponibles al público en el Reino Unido, [70] pero a partir de 2023, el número disminuyó a 5. [77] En 2022, Shell cerró sus tres estaciones de hidrógeno en el Reino Unido, [78]

América del norte

Canadá

En julio de 2023, había 10 estaciones de servicio en Canadá, 9 de las cuales estaban abiertas al público:

Estados Unidos

En julio de 2024 , había 54 estaciones de servicio de hidrógeno de acceso público en los EE. UU., 53 de las cuales estaban ubicadas en California y una en Hawái. [43]

Oceanía

En 2021, se inauguró en Canberra la primera estación de servicio de hidrógeno pública australiana , operada por ActewAGL . [88]

Tanque de hidrógeno

Un tanque de hidrógeno en una plataforma Honda FCX

Un tanque de hidrógeno (otros nombres: cartucho o bote) se utiliza para el almacenamiento de hidrógeno . [89] [90] [91] Los primeros tanques de hidrógeno tipo IV para hidrógeno comprimido a 700 bares (70 MPa; 10,000 psi) se demostraron en 2001, los primeros vehículos de celda de combustible en la carretera con tanques tipo IV son el Toyota FCHV , el Mercedes-Benz F-Cell y el GM HydroGen4 .

Tanques de baja presión

Diversas aplicaciones han permitido el desarrollo de diferentes escenarios de almacenamiento de H2. Recientemente, el consorcio Hy-Can [92] ha presentado un formato pequeño de un litro y 10 bares (1,0 MPa; 150 psi). Horizon Fuel Cells vende ahora un formato de hidruro metálico rellenable de 3 megapascales (30 bares; 440 psi) para uso del consumidor llamado HydroStik. [93]

Tipo I

Tipo II

Tipo III

Tipo IV

Tanques de hidrógeno para el Toyota Mirai .

Tipo V

Consideraciones sobre pruebas de tanques y seguridad

De acuerdo con la norma ISO/TS 15869 (revisada):

Esta especificación fue reemplazada por la ISO 13985:2006 y solo se aplica a tanques de hidrógeno líquido.

Norma vigente CE 79/2009

Tanque de almacenamiento de hidruro metálico

Hidruro de magnesio

Utilizando magnesio [100] para el almacenamiento de hidrógeno , una tecnología de almacenamiento reversible segura pero pesada. Normalmente, el requisito de presión se limita a 10 bares (1,0 MPa; 150 psi). El proceso de carga genera calor, mientras que el proceso de descarga requerirá algo de calor para liberar el H2 contenido en el material de almacenamiento. Para activar estos tipos de hidruros, en el estado actual de desarrollo, es necesario alcanzar aproximadamente 300 °C (572 °F). [101] [102] [103]

Otros hidruros

Véase también hidruro de sodio y aluminio.

Investigación

Véase también

Referencias

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Fuentes

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