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]
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 [actualizar], 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]
El transporte de hidrógeno por tuberías es un transporte de hidrógeno a través de una tubería como parte de la infraestructura del hidrógeno.
Historia
1938 – Rin-Ruhr Se construyen los primeros 240 km (150 mi) de tuberías de hidrógeno, construidas con acero para tuberías estándar, presión de hidrógeno comprimido de 210 a 20 bares (21 000 a 2000 kPa), diámetro de 250 a 300 milímetros (9,8 a 11,8 pulgadas). Todavía en funcionamiento. [20] [21]
2009 – Ampliación de 150 millas (240 km) del oleoducto desde Plaquemine hasta Chalmette . [23]
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.
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
2024: EE. UU. – 1600 millas (2600 km) de tuberías de hidrógeno a baja presión [12]
2024: Europa – 1.600 km (990 mi) de tuberías de hidrógeno a baja presión. [13]
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 [actualizar], 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]
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]
En mayo de 2023 [actualizar], 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, [actualizar]había 105 estaciones de servicio de hidrógeno en Alemania, [42] En junio de 2023, [actualizar]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, [actualizar]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, [actualizar]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:
Columbia Británica: cinco estaciones se encuentran en el área metropolitana de Vancouver y en la isla de Vancouver, y una estación en Kelowna. Las seis estaciones son operadas por HTEC (co-marca con Shell y Esso ). [79]
Ontario: Hydrogenics Corporation opera una estación en Mississauga . La estación solo está disponible para ciertos clientes comerciales. [80]
Quebec: tres estaciones en el área metropolitana de Montreal son operadas por Shell, y una estación en la ciudad de Quebec es operada por Harnois Énergies (de marca compartida con Esso). [80]
Estados Unidos
En julio de 2024 [actualizar], 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]
California: En marzo de 2024, [actualizar]había 53 estaciones de servicio minorista. [43] La financiación estatal continua para las estaciones de reabastecimiento de hidrógeno es incierta. [81] En septiembre de 2023, Shell anunció que había cerrado sus estaciones de hidrógeno en el estado y descontinuado los planes para construir más estaciones. [82] En 2024 se informó que "la mayoría de las estaciones de hidrógeno en el sur de California están fuera de servicio o funcionan con un horario reducido" debido a la escasez de hidrógeno y al rendimiento poco confiable de las estaciones. [83]
Hawái abrió su primera estación de hidrógeno en Hickam en 2009. [84] [85] En 2012, Aloha Motor Company abrió una estación de hidrógeno en Honolulu . [86] Sin embargo , en abril de 2023 [actualizar], solo una estación de acceso público estaba en funcionamiento en Hawái. [43]
Michigan: En 2000, Ford Motor Company y Air Products & Chemicals abrieron la primera estación de hidrógeno en América del Norte en Dearborn, Michigan . [87] En noviembre de 2023, [actualizar]no había ninguna estación de acceso público en funcionamiento en Michigan. [43]
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]
Tanque sin revestimiento, totalmente de material compuesto. Composites Technology Development (Colorado, EE. UU.) construyó un prototipo de tanque para una aplicación satelital en 2010, aunque tenía una presión de funcionamiento de solo 200 psi y se usaba para almacenar argón. [96]
Consideraciones sobre pruebas de tanques y seguridad
De acuerdo con la norma ISO/TS 15869 (revisada):
Prueba de ruptura: la presión a la cual el tanque estalla, típicamente más del doble de la presión de trabajo.
Presión de prueba: la presión a la que se ejecutará la prueba, normalmente por encima de la presión de trabajo.
Prueba de fugas o prueba de permeación, [97] en NmL/hr/L (Litro normal de H2/tiempo en hr/volumen del tanque).
Prueba de fatiga , normalmente varios miles de ciclos de carga/vaciado.
Prueba de hoguera donde el tanque se expone a un fuego abierto.
Prueba de bala donde se dispara munición real al tanque.
Esta especificación fue reemplazada por la ISO 13985:2006 y solo se aplica a tanques de hidrógeno líquido.
Norma vigente CE 79/2009
El Departamento de Energía de los EE. UU. mantiene un sitio de mejores prácticas de seguridad del hidrógeno con mucha información sobre tanques y tuberías. [98] Observan secamente: "El hidrógeno es una molécula muy pequeña con baja viscosidad y, por lo tanto, propensa a fugas". [99]
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]
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Mapa interactivo de estaciones de hidrógeno en Europa y el mundo
Mapa interactivo de estaciones de hidrógeno en Europa y en el mundo (incluye estaciones no públicas)
H2Map.com Mapa de estaciones de servicio de hidrógeno en el Reino Unido
H2stations.org Mapa de estaciones de repostaje de hidrógeno en todo el mundo (GIS)
Mapa de la Asociación de Pilas de Combustible de California Mapa de estaciones de abastecimiento de hidrógeno en California, con informes de estado en tiempo real
