El desafío
El empleo de hidrógeno como combustible reduce las emisiones de CO₂ de los procesos de calefacción industrial. Como fabricantes de quemadores, estamos desarrollando una instalación que funcione, sea asequible y segura. Para el desarrollo y las pruebas, colaboramos con la consultoría de ingeniería energética DNV en Groninga, que cuenta con amplias instalaciones de ensayo.
El hidrógeno se comporta de forma distinta al gas natural. El valor calórico, la densidad, la velocidad de combustión, la temperatura de la llama y el punto de rocío de los gases de combustión son diferentes. En la actualidad, la disponibilidad de hidrógeno es limitada y relativamente cara. A largo plazo, puede sustituir completamente al gas natural.
Funcionamiento seguro
Dado que la disponibilidad y asequibilidad del hidrógeno son aún limitadas, hemos comenzado con mezclas de hidrógeno y gas natural. Hemos aumentado gradualmente la proporción de hidrógeno y reducido la de gas natural. Así nació un sistema de quemador que funciona con cualquier composición: 100 % gas natural, 100 % hidrógeno y todas las mezclas intermedias. El quemador se adapta automáticamente y no requiere ajustes manuales.
En el montaje de prueba, utilizamos un quemador de ventilador Zantingh en una caldera de calefacción central de 3 pasos de 475 kW. La relación combustible/aire y la potencia se regulan mediante un sistema de control adaptativo de combustible desarrollado internamente, vinculado a un sistema de gestión de quemadores Siemens.
Un sistema de control feedforward mantiene constantes el porcentaje de oxígeno en los gases de combustión y la entrada de calor, independientemente de la proporción de hidrógeno. En la línea de combustible, un sensor de calidad de gas mide la composición. Estos datos se envían a un PLC, donde se ejecuta el algoritmo de combustión. Dicho algoritmo calcula continuamente los flujos de combustible y aire necesarios para la relación solicitada y la potencia deseada.
Durante las pruebas, medimos continuamente NO, NO₂, CO, CxHy y oxígeno. El sistema mantiene un funcionamiento estable incluso ante cambios en la demanda de aire y en el índice de Wobbe. El porcentaje de oxígeno y la entrada de calor permanecen constantes.
El aspecto de la llama cambia visiblemente. El gas natural produce una llama azul, mientras que el hidrógeno genera una llama más anaranjada. Con mezclas de 0 a 100 % de hidrógeno, la llama permanece estable y la temperatura de la superficie del quemador no aumenta de forma perceptible.
Debido a la alta temperatura de la llama, la combustión de hidrógeno genera NOx térmico. Mediante la recirculación de gases de combustión, situamos estas emisiones por debajo de la norma legal.
Asequible
El hidrógeno no emite CO₂ durante su combustión. Una ventaja importante es que las calderas, hornos e instalaciones existentes siguen siendo utilizables en su mayor parte. No es necesario rediseñar completamente su proceso. Esto mantiene las inversiones más bajas que en el caso de una electrificación total.
Las soluciones eléctricas pueden reducir el CO₂, pero no siempre son técnica o económicamente viables. A menudo se requiere una conexión a la red de gran potencia que no está disponible debido a la congestión de la red. En algunos procesos, es necesaria la interacción directa entre los gases de combustión y el producto. En esos casos, el hidrógeno ofrece una alternativa viable.
Basándonos en las pruebas, concluimos que este sistema de quemador permite el uso de hidrógeno dentro de la red de gas existente. Tanto durante la transición como en la situación en la que el gas natural haya sido sustituido por completo.
Antecedentes: el hidrógeno como combustible
El hidrógeno es el elemento más ligero y abundante. Es incoloro, inodoro e inflamable. Al quemarse, solo produce vapor de agua. Por ello, se considera un vector energético para la sostenibilidad de la industria.
El hidrógeno no se encuentra libre en la naturaleza y debe producirse, por ejemplo, mediante la electrólisis del agua. Si se utiliza electricidad renovable para ello, hablamos de hidrógeno verde.
El hidrógeno puede sustituir al gas natural en los procesos industriales. El transporte puede realizarse en gran medida a través de la red de gas existente. Se está trabajando en infraestructuras para la producción, el transporte, el almacenamiento y la importación. El almacenamiento puede realizarse, entre otros lugares, en cavernas de sal. De este modo, se puede aprovechar el excedente de energía solar y eólica.
Un estudio de Hydrogen Europe muestra que una combinación de red eléctrica y red de hidrógeno a nivel europeo es más económica que la ampliación exclusiva de la red eléctrica. Para el periodo 2030-2050, esto podría suponer un ahorro de cientos de miles de millones de euros.
La Comisión Europea prevé que la electricidad cubra aproximadamente el 50 % de la demanda energética en 2050. Para que esto sea posible, la red eléctrica debe ampliarse considerablemente. Las inversiones necesarias son significativamente superiores a las inversiones en infraestructura de hidrógeno.
Se espera que la futura red de hidrógeno crezca hasta superar los 50.000 km en 2040. Aproximadamente el 60 % consistirá en tuberías de gas reutilizadas. Esto reduce los costes y acorta los plazos de ejecución. Europa también tendrá que importar hidrógeno. Algunas regiones tienen mucha energía renovable y poca demanda. El transporte puede realizarse mediante tuberías o en forma de portadores de hidrógeno como el amoníaco o el metanol. La elección depende de la distancia, la aplicación y los costes. El almacenamiento subterráneo de hidrógeno es necesario para equilibrar la oferta y la demanda. Esto respalda tanto al sistema de hidrógeno como a la red eléctrica. Por el momento, las inversiones siguen siendo insuficientes, debido, entre otros factores, a los largos plazos de ejecución y a una normativa poco clara.
El hidrógeno permite reducir las emisiones de CO₂ sin sustituir por completo los procesos industriales existentes. Por tanto, representa un paso práctico hacia un sistema energético bajo en carbono.
