Criomagnético de hidrógeno es un término utilizado para denotar el uso de hidrógeno líquido criogénico para enfriar los devanados de un electroimán . [1] Un beneficio clave de la criomagnética del hidrógeno es que el hidrógeno líquido a baja temperatura se puede utilizar simultáneamente como criógeno para enfriar los devanados de electroimanes y como portador de energía . Es decir, es probable que surjan poderosos beneficios sinérgicos cuando se utiliza hidrógeno como combustible y como refrigerante . [2] Incluso sin las sinergias entre combustible y refrigerante, el criomagnético de hidrógeno es una opción atractiva para el enfriamiento de electroimanes superconductores, ya que elimina la dependencia del cada vez más escaso y costoso helio líquido. [3] [4] Para aplicaciones criomagnéticas de hidrógeno, los electroimanes especializados enfriados por hidrógeno se enrollan utilizando cobre o superconductores . Los imanes enrollados en cobre enfriados con hidrógeno líquido funcionan bien como imanes de campo pulsado . [5] Los superconductores tienen la propiedad de que pueden funcionar de forma continua y muy eficiente, ya que se evitan casi por completo las pérdidas eléctricas resistivas. [6] Más comúnmente, el término "criomagnéticos de hidrógeno" se utiliza para indicar el uso de hidrógeno líquido criogénico directa o indirectamente, para permitir la superconductividad a alta temperatura en los devanados de electroimanes. [1]
La criomagnética de hidrógeno es especialmente útil cuando se requieren campos magnéticos elevados, como en motores eléctricos de alto par . A presión atmosférica, el hidrógeno líquido hierve a aproximadamente 20,3 K [7] (-259,3 °C). El hidrógeno líquido a esa temperatura es significativamente más frío que las temperaturas a las que se puede inducir la superconductividad por primera vez en una gama de importantes superconductores de alta temperatura, incluido el óxido de itrio, bario y cobre (YBCO), porque el YBCO tiene una temperatura de transición superconductora (Tc) de 93 K. [8] El funcionamiento de imanes superconductores basados en YBCO a una temperatura de más de 70 K por debajo de Tc permite el uso de densidades de corriente muy altas y campos magnéticos muy altos sin pérdida de superconductividad. [9] Las propiedades de los materiales de YBCO son tales que no se pueden convertir en alambres dúctiles, aunque se ha avanzado mucho hacia los electroimanes YBCO de alto campo basados en el uso de cintas en lugar de alambres. [10] Otro superconductor adecuado para uso criomagnético de hidrógeno es el diboruro de magnesio . [11] [12] El diboruro de magnesio es un superconductor convencional y se puede preparar en alambres flexibles, lo que facilita su posible aplicación en, por ejemplo, reactores de fusión tokamak. [11] El diboruro de magnesio tiene una temperatura de transición de 39 K. [13] Si bien a presión atmosférica el hidrógeno líquido está lo suficientemente frío como para enfriar el diboruro de magnesio al estado superconductor , existen ventajas al bombear hidrógeno para reducir aún más su temperatura. cuando se utiliza un devanado magnético de este tipo (esto utiliza la misma física que dice que el punto de ebullición del agua se puede reducir reduciendo la presión sobre el líquido; consulte, por ejemplo, [14] ). Generalmente, cuanto mayor sea la diferencia entre la temperatura del conductor y la temperatura de transición superconductora, mejor. El hidrógeno líquido no es la única forma criogénica de enfriar un imán; de hecho, convencionalmente los superconductores se enfrían usando helio líquido a 4,2 K y para los imanes conductores convencionales pulsados (incluido el cobre) se ha prestado mayor atención al nitrógeno líquido a 77 K. [15] Líquido Se puede esperar que el hidrógeno impulse un mejor rendimiento que el nitrógeno líquido y, como se analiza a continuación, el hidrógeno líquido evita varias preocupaciones en torno a la disponibilidad de helio.
Cualquier uso de criomagnéticos de hidrógeno requiere una cuidadosa consideración de la seguridad del hidrógeno .
La criomagnética del hidrógeno es un concepto distinto del uso de hidrógeno gaseoso a mayor temperatura como refrigerante en las turbinas de las centrales eléctricas .
El término criomagnético de hidrógeno se utilizó por primera vez en un panel de texto que formaba parte de un artículo del profesor WJ Nuttall y el profesor BA Glowacki publicado en julio de 2008 en Nuclear Engineering International. [16] El concepto fue retomado en una conferencia del Instituto de Física celebrada en Manchester, Inglaterra, en abril de 2010. [17] La presentación fue realizada por el profesor WJ Nuttall y en coautoría con el profesor BA Glowacki y el Dr. L Bromberg. El viaje hacia el término también implicó pensar en el hidrógeno como combustible y como refrigerante, desde la perspectiva de la superconductividad [2] . La consideración anterior relacionada del hidrógeno líquido como refrigerante criogénico incluye el trabajo de Glowacki y coautores de 2005 [18] y 2006. [19] El concepto de criomagnético del hidrógeno se desarrolló y discutió más a fondo en 2012, [20] 2015 [1] y 2019. [21]
Se puede esperar que el surgimiento de la criomagnética del hidrógeno se beneficie del desarrollo de un fuerte interés industrial en el hidrógeno líquido que se puede esperar que ocurra por otras razones, incluido el crecimiento de una economía general del hidrógeno y la necesidad de transportar y almacenar hidrógeno a granel. [21] Está creciendo el interés mundial por el surgimiento de una economía del hidrógeno en la que el hidrógeno sea un portador de energía con bajas emisiones de carbono procedente de energías renovables ( hidrógeno verde ) o, alternativamente, del gas natural con captura y almacenamiento de carbono (esto a veces se denomina " hidrógeno azul "). ). Cuando las tuberías no están disponibles. Se ha descubierto que el uso de hidrógeno licuado para el transporte y distribución a granel de moléculas de hidrógeno es más eficiente que los cilindros de gas a alta presión cuando se mueven grandes cantidades a grandes distancias. [22] El hidrógeno (en forma líquida o gaseosa) es un sistema de almacenamiento de energía que compite con la tecnología de baterías eléctricas. [22] El hidrógeno supera a las baterías en cuanto a la mayor cantidad de energía almacenada durante el período más largo. Las pilas de combustible de hidrógeno están ganando a las tecnologías de baterías eléctricas para los medios de transporte más pesados, como trenes, camiones y autobuses [22]. La tecnología del hidrógeno compite con la tecnología de las baterías y la tecnología del hidrógeno gaseoso compite con la tecnología del hidrógeno líquido. A medida que estas fuerzas competitivas se desempeñen, es muy posible que surja un papel importante para el hidrógeno líquido como sistema estacionario de almacenamiento de energía a largo plazo y a gran escala y como sistema de abastecimiento de combustible para vehículos más pesados. En tales escenarios, se puede esperar que el papel económico emergente de la producción y distribución de hidrógeno líquido favorezca en gran medida el uso posterior de hidrógeno en aplicaciones criomagnéticas.
La forma convencional de enfriar imanes superconductores es utilizar helio líquido (punto de ebullición a presión atmosférica 4,2 K). El helio es un subproducto de la actual industria del gas natural [3] y su precio fluctuante y su disponibilidad han sido motivo de gran preocupación en los últimos años. [23] Se puede esperar que una mayor eficiencia en el uso y la evitación de desperdicios extiendan los suministros de helio. No necesariamente se puede esperar que continúe el uso de helio procedente de gas natural si se quiere eliminar gradualmente el gas natural en el camino hacia Net-Zero. Existe la necesidad de que aquellos sectores que utilizan helio y que puedan sustituirlo lo hagan. [24] Aquellos usuarios que pudieran cambiar de forma segura a los criomagnéticos de hidrógeno podrían ver una reducción significativa en los costos operativos y evitar los riesgos asociados con la escasez de suministro de helio.
En el siglo XX, el tipo dominante de motor eléctrico era un motor de inducción que utilizaba bobinas de alambre de cobre fuertemente enrolladas para generar los campos magnéticos internos necesarios. Más recientemente, y en parte impulsado por el crecimiento de los vehículos eléctricos de batería, se ha producido mucha innovación en los motores de imanes permanentes . Estos se basan en imanes permanentes de alto campo que se basan en minerales de tierras raras . La criomagnética de hidrógeno ofrece la posibilidad de motores de inducción superconductores enfriados por hidrógeno líquido a aproximadamente 20 K. Este líquido criogénico podría estar disponible en un vehículo (como un avión, tren, camión, autobús o incluso automóvil) si se utiliza hidrógeno de alta pureza para la generación de electricidad con pilas de combustible a bordo .
Se puede esperar que el gas de ebullición de un tanque de hidrógeno líquido sea extremadamente puro y limpio. En cierto sentido, el hidrógeno líquido ha sido destilado. El funcionamiento prolongado de los vehículos eléctricos de pila de combustible , por ejemplo, depende de la necesidad de proteger las membranas y los catalizadores de las pilas de combustible de la contaminación. [25] La degradación de la pila de combustible durante el uso puede tener muchas causas, [26] pero, no obstante, se puede esperar que la pureza del combustible (en condiciones normales y en caso de fallo del equipo de repostaje) sea una preocupación importante para cualquier sistema que dependa de gas hidrógeno a alta presión. manejo.
Mojarrad y sus colaboradores revisaron varias aplicaciones potenciales de la criomagnética de hidrógeno en 2022. [27] Algunas aplicaciones potenciales se enumeran a continuación.
El concepto de criomagnetismo aplicado del hidrógeno surgió por primera vez en relación con la fusión nuclear confinada magnéticamente . WJ Nuttall había propuesto en 2004 que la comercialización de la energía de fusión podría realizarse a través de las compañías petroleras internacionales en lugar de a través de la electricidad. [28] Por razones técnicas y económicas, la energía de fusión podría ser un medio viable para producir hidrógeno líquido para la economía del hidrógeno de maneras que recuerdan a la economía actual del gas natural licuado . Es probable que la fusión convencional con tokamak requiera cantidades muy grandes de helio líquido, caro y escaso , para enfriar los imanes superconductores. El helio líquido es un consumible clave en el paradigma convencional. Teniendo en cuenta la posible abundancia de hidrógeno líquido en una futura instalación de fusión propiedad de una de las compañías petroleras internacionales actuales, parecería natural utilizar hidrógeno criogénico para ayudar a romper la dependencia del helio. La criomagnética del hidrógeno tiene el potencial de facilitar la energía de fusión tokamak. Estas ideas se unieron en un concepto conocido como 'Isla Fusión' desarrollado por WJ Nuttall, BA Glowacki y RH Clarke. [29] El concepto de Fusion Island se describió con más detalle en 2008 [16] y 2021. [30] Commonwealth Fusion Systems en Massachusetts está explorando activamente tecnologías de imanes superconductores enfriados a temperaturas de hidrógeno líquido. [31]
Otra oportunidad importante para la criomagnética del hidrógeno reside en la aviación con bajas emisiones de CO 2 . [32] Airbus, Rolls-Royce y sus colaboradores han sido pioneros en el uso de hidrógeno líquido en la propulsión de aviones. En un artículo en Aviation Week en abril de 2021, Thierry Dubois observó: [33] "Airbus ha lanzado un ambicioso programa de demostración para el uso de la tecnología superconductora. Su objetivo es lograr una importante mejora de la eficiencia. La idea surge tanto de la dificultad de diseñar un avión eléctrico -La arquitectura de propulsión con cableado convencional y la posibilidad de utilizar hidrógeno líquido como fuente de frío. Los materiales superconductores requieren temperaturas criogénicas. La criomagnética del hidrógeno permite el uso en aeronaves de la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno para generar electricidad para impulsar motores eléctricos basados en HTS de alto par capaces de accionar hélices o ventiladores con conductos con alta eficiencia. El programa Advanced Superconducting Motor Experimental Demonstrator (ASuMED), financiado por la Unión Europea, está trabajando en un motor de avión superconductor con una eficiencia del 99 % y una relación potencia-peso de 20 kW/kg. [34] Investigadores del Instituto de Aviación de Moscú han propuesto un diseño para un motor aeronáutico criomagnético de hidrógeno de 5 MW. [35] Incluso antes de los beneficios que se obtendrán del uso de motores de inducción superconductores criomagnéticos de hidrógeno, el hidrógeno está atrayendo mucho interés como combustible de aviación del futuro con bajas emisiones. Airbus tiene un programa de hidrógeno activo, al igual que otras importantes empresas industriales de la aviación mundial.
El criomagnético de hidrógeno tiene vínculos sinérgicos potencialmente beneficiosos con la emergente industria siderúrgica de bajas emisiones, de la que SSAB fue pionera en Suecia. [36] El hidrógeno se está desarrollando como alternativa al carbón coquizable para la reducción de minerales de hierro para producir arrabio (« fundición »). El uso de hidrógeno para tales fines fortalecería en gran medida los vínculos entre el hidrógeno y la fabricación de acero. Teniendo esto en cuenta, si una forja tuviera acceso a hidrógeno líquido criogénico, la forja por inducción magnética a gran escala basada en tecnología criomagnética de hidrógeno podría ser extremadamente atractiva desde el punto de vista económico, especialmente para el calentamiento de palanquillas. [37]
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