Liquefied Hydrogen (LH2)

El hidrógeno líquido está ganando terreno en el mercado del almacenamiento y transporte de hidrógeno en la actualidad, impulsado por la creciente demanda de fuentes de energía limpia y la expansión de diversos sectores industriales, donde el potencial LH2 es enorme.

Cuando hablamos de almacenar y transportar hidrógeno en su forma más eficiente, hablamos de aumentar su densidad volumétrica para poder portar más cantidad con menos recursos.

A presión atmosférica, el hidrógeno alcanza el estado líquido a 20 K (-253 °C). En estas condiciones, la densidad del hidrógeno es de 70,85 g/l , 2,3 veces mayor que la del hidrógeno comprimido a 50 MPa en condiciones normales (alrededor de 30 g/l). Esta es la razón principal por la que esta opción de almacenamiento, a pesar de los desafíos técnicos y económicos que implica el uso de temperaturas criogénicas, puede ser preferible al hidrógeno comprimido. Esta ventaja se vuelve más relevante cuanto mayor sea la cantidad de hidrógeno a almacenar y transportar.

Licuefacción

El hidrógeno se licúa mediante plantas de licuefacción. Las primeras plantas de hidrógeno de este tipo se construyeron en EE. UU. para satisfacer la demanda de las industrias petroquímica y aeroespacial. El principio de funcionamiento de las grandes plantas de licuefacción suele basarse en el ciclo Claude (preenfriado). Este ciclo consta de dos etapas:

• • En la primera, denominada circuito de refrigeración de hidrógeno, este se comprime y luego se enfría mediante intercambiadores de calor y expansión en turbinas. El refrigerante comúnmente utilizado en los intercambiadores de calor es nitrógeno licuado, y el hidrógeno se recircula tras la expansión en las turbinas.

• • La segunda etapa de este ciclo es donde tiene lugar el proceso de licuefacción del hidrógeno. En ella, el hidrógeno gaseoso se introduce, a una presión aproximada de 5 MPa, en los intercambiadores de calor, donde se enfría utilizando el hidrógeno refrigerado procedente del circuito de refrigeración como agente refrigerante. Finalmente, el gas hidrógeno de alimentación se licúa a 0,1 MPa y 20,4 K por expansión al pasar a través de una válvula (efecto Joule-Thomson).

Un ciclo alternativo de licuefacción de hidrógeno es el ciclo Brayton de helio, en el que el circuito de refrigeración de hidrógeno se sustituye por un ciclo de enfriamiento de helio. Este ciclo utiliza compresores más económicos que el ciclo Claude, lo que reduce sus costes de inversión, pero presenta una menor eficiencia energética. Este ciclo se utiliza en pequeñas plantas de licuefacción de hidrógeno, donde la rentabilidad es más sensible a la inversión de capital que a los costes operativos.

Además de los procesos descritos anteriormente, durante la licuefacción del hidrógeno es necesario un proceso de conversión de hidrógeno “orto a para”. Las moléculas de hidrógeno existen en dos formas, “para” y “orto” (dependiendo de las configuraciones electrónicas). A temperatura ambiente, la concentración de equilibrio es del 25 % de “para-hidrógeno” y del 75 % de “orto-hidrógeno”, pero en el caso del hidrógeno licuado, la concentración de equilibrio es del 99,79 % de “para-hidrógeno” y del 0,21 % de “orto-hidrógeno”. Sin embargo, alcanzar este equilibrio es un proceso lento si no se utilizan catalizadores.

La conversión de hidrógeno “orto” a “para” libera calor (527 kJ/kg). Por lo tanto, es necesario que el hidrógeno licuado alcance su equilibrio “para-orto” antes de su almacenamiento. De lo contrario, la liberación de calor durante la conversión “orto a para”, que tendrá lugar hasta alcanzar el equilibrio, evaporará parte del hidrógeno almacenado. Esta conversión puede tener lugar a una velocidad inicial del 1 % por hora, lo que lleva a la evaporación del 18 % del hidrógeno almacenado en tan solo un día. Por esta razón, se introducen catalizadores para acelerar la conversión orto a para en los intercambiadores de calor durante la licuefacción del hidrógeno. Estos catalizadores suelen estar basados ​​en óxido de hierro o sílice dopada con óxido de cromo.

Debido a las bajas temperaturas del proceso de licuefacción, es necesario eliminar las impurezas del gas de alimentación para evitar su condensación o solidificación en los intercambiadores de calor. De lo contrario, se podría producir un bloqueo o daño en estos equipos. Además, es necesario eliminar el oxígeno para evitar la presencia de oxígeno solidificado en el hidrógeno licuado, lo cual podría generar situaciones peligrosas. Esta purificación del gas de alimentación se lleva a cabo antes de su suministro a la planta de licuefacción (p. ej., mediante PSA), pero también durante el proceso de licuefacción, ya sea por absorción criogénica o adsorción. Los niveles de impurezas en el hidrógeno licuado tras la licuefacción son inferiores a 1 ppm.

Si bien el trabajo de licuefacción ideal se encuentra por debajo de 14,4 MJ/kg H₂, el requerimiento energético de las plantas de licuefacción actuales es del orden de 36-43 MJ/kg H₂. Se espera que con plantas de mayor escala (>50 toneladas/día), los requerimientos de energía se puedan reducir hasta en un 50% (18-22 MJ/kg H₂). Esto se logrará no solo mediante la ampliación de escala, sino también con la mejora tecnológica y operativa de los equipos utilizados en el proceso de licuefacción, como compresores de gas de reciclaje, circuitos cerrados de refrigeración para pre-enfriado, diseños mejorados de turbinas y conceptos ajustados para el circuito principal de refrigeración.

Actualmente, la capacidad de una planta de licuefacción de hidrógeno convencional en Europa oscila entre 4,4 y 10 toneladas/día, mientras que en EE. UU. se encuentran capacidades mayores, de hasta 32 toneladas/día. Japón tiene una capacidad total de licuefacción similar a la de Europa, y la capacidad de las plantas japonesas oscila entre 0,3 y 11,3 toneladas/día.

La inversión de capital para una planta de licuefacción es de 2,5 a 5 millones de dólares por tonelada de hidrógeno/día. El coste de la licuefacción de hidrógeno se basa principalmente en los costes operativos, donde el coste energético de la licuefacción representa la mayor parte. Una ampliación de escala podría reducir los precios hasta un 50% (incluyendo gastos de capital y operativos). Las tecnologías alternativas (por ejemplo, la licuefacción magnetocalórica), con costes operativos previstos más bajos, aún están en desarrollo.

Almacenamiento

Los sistemas de almacenamiento de hidrógeno líquido suelen consistir en tanques criogénicos de doble casco, con paredes metálicas internas y externas, y el espacio entre las paredes relleno con un material aislante térmico (p. ej., perlita) a baja presión de vacío. Uno de los principales desafíos al almacenar y transportar hidrógeno licuado es la evaporación de parte de este hidrógeno, conocida como evaporación por ebullición. Esta evaporación es consecuencia de la transferencia de calor desde el entorno del tanque de almacenamiento al hidrógeno almacenado. El hidrógeno evaporado acumula progresivamente presión dentro del tanque de almacenamiento hasta niveles que pueden poner en peligro su integridad estructural. En los sistemas de almacenamiento de hidrógeno licuado se instalan válvulas de seguridad para purgar el hidrógeno evaporado y reducir la presión. La presión máxima admisible en los tanques de hidrógeno licuado puede alcanzar hasta 1,2 MPa. El hidrógeno purgado representa una pérdida, tanto desde el punto de vista energético como económico.

La tasa de evaporación por ebullición es proporcional tanto a la diferencia entre la temperatura del hidrógeno almacenado y la temperatura ambiente como al coeficiente de transferencia de calor. Este coeficiente se define principalmente por los materiales y el diseño de los sistemas de almacenamiento. Por ejemplo, un tanque de almacenamiento con diseño esférico ofrecerá una menor tasa de evaporación, debido a una relación volumen-superficie más favorable que otras geometrías de tanque (p. ej., cilíndrica).

Desde mediados de la década de 1960, los dos tanques de almacenamiento de hidrógeno licuado más grandes (alrededor de 212 toneladas de hidrógeno licuado cada uno) han estado operando en las instalaciones de la NASA (el hidrógeno licuado se ha utilizado históricamente en aplicaciones aeroespaciales). Estos tanques fueron diseñados para tener tasas de ebullición inferiores al 0,075 %/día del volumen total del tanque. En 2019, CB&I Storage Solutions comenzó la construcción de un tanque de almacenamiento de 4700 m³ (300 toneladas de hidrógeno licuado, considerando un 10 % de espacio vacío) para operar en el Centro Espacial Kennedy de la NASA. Incluye mejoras como un mejor aislamiento (burbujas de vidrio en lugar de perlita) y un intercambiador de calor de refrigeración y almacenamiento integrado (IRAS) que debería reducir la ebullición a un máximo del 0,048 %/día. Los tanques más pequeños (20-145 toneladas de hidrógeno licuado) muestran una tasa de ebullición más alta (0,1-0,3 %/día). Los costes de almacenamiento de hidrógeno licuado en grandes tanques pueden oscilar entre 150 y 300 €/kgH₂.

Además de la evaporación descrita anteriormente, una parte del hidrógeno almacenado se evapora para fines operativos. Las técnicas actuales para la transferencia de hidrógeno licuado entre sistemas de almacenamiento se basan en una diferencia de presión entre los tanques de suministro y recepción, que se consigue evaporando el hidrógeno en el tanque de suministro. Esta evaporación aumenta la presión en el tanque de suministro, lo que permite su transferencia al sistema de almacenamiento receptor. En determinadas condiciones, la evaporación durante una sola transferencia puede alcanzar valores superiores al 15 % del hidrógeno transferido. Sin embargo, esta cantidad puede reducirse drásticamente si se establecen las condiciones operativas adecuadas (por ejemplo, el método de llenado). Además, la evaporación también puede reducirse mediante bombas criogénicas de baja presión. Estas bombas se pueden utilizar para transferir el hidrógeno licuado entre tanques, evitando la acumulación de presión de ebullición necesaria para fines operativos.

La evaporación no implica necesariamente una pérdida de hidrógeno. El hidrógeno evaporado puede permanecer dentro del tanque de almacenamiento, ser redirigido a la planta de licuefacción, a un depósito intermedio de almacenamiento de gas o directamente al usuario final. Estas medidas pueden requerir equipos adicionales, como compresores o tanques con presiones operativas superiores a las del estado actual de la técnica; por lo tanto, el beneficio económico debe evaluarse caso por caso. Una solución alternativa para reducir las pérdidas por evaporación cuando el hidrógeno licuado se almacena en un tanque es la inclusión de un sistema capaz de re-licuar el gas evaporado dentro del sistema de almacenamiento de hidrógeno licuado, similar a los sistemas utilizados en los buques metaneros o en el nuevo tanque de hidrógeno licuado que se está desplegando en el Centro Espacial Kennedy de la NASA.

Transporte

El transporte de hidrógeno líquido se limita actualmente, con pocas excepciones, al transporte por carretera mediante cisternas aisladas colocadas sobre remolques (camiones cisterna). Estas cisternas pueden contener hasta 4 toneladas de hidrógeno (3,3 t en la UE). El coste de estas cisternas es del orden de 200 $/kgH₂. Su tasa de evaporación puede alcanzar hasta el 1 % del volumen al día. Se producen pérdidas adicionales por evaporación al transferir el hidrógeno licuado del almacén al camión cisterna y viceversa. Los tanques criogénicos no se llenan al máximo de su capacidad para evitar una rápida acumulación de presión debido a la evaporación del gas licuado. El volumen libre que queda en el tanque se denomina volumen vacío y suele oscilar entre el 5 % y el 10 % del volumen total.

Un sistema de transporte alternativo a las cisternas son las soluciones de almacenamiento en contenedores/portátiles. El sistema HYLICS (Linde), que sigue el modelo del tanque HELICS diseñado para transportar helio, es un ejemplo. Este sistema puede almacenar hasta 3 toneladas de hidrógeno y tiene las dimensiones y características de un contenedor ISO de 40 pies, lo que lo hace adecuado para el transporte intermodal. Kawasaki cuenta con un sistema similar basado en un contenedor de 40 pies con una capacidad de 46 metros cúbicos (aproximadamente 3 toneladas de hidrógeno líquido) y una tasa de evaporación ≤1 % al día [54]. Uralcryomash (УРАЛКРИОМАШ) cuenta con un modelo de contenedor ISO de 30 pies capaz de almacenar hasta 1270 kg de hidrógeno licuado (20 m³).

El hidrógeno licuado a gran escala puede transportarse por mar, como lo demuestra el primer buque de hidrógeno licuado del mundo, el Suiso Frontier. Este buque, construido por Kawasaki Heavy Industries, puede transportar 1.250 m³ (cerca de 85 toneladas) de hidrógeno licuado a -253 °C. El viaje inaugural del Suiso Frontier consistió en transportar hidrógeno de Australia a Japón, demostrando la viabilidad del transporte marítimo de hidrógeno líquido.

Las soluciones contenorizadas podrían ser más adecuadas para el transporte de hidrógeno licuado a lo largo de vías navegables interiores, ya que se espera que naveguen barcos más pequeños en estas vías fluviales.

Una colaboración entre las compañías CB&I y Shell, con el apoyo directo de DNV, ha dado lugar a un acuerdo de inversión (AiP) de un sistema de contención de carga de hidrógeno líquido (LH2) a gran escala. Esto podría allanar el camino para la expansión de las cadenas globales de suministro de hidrógeno en el futuro. El diseño de los tanques de LH2 para el transporte marítimo requirió la adaptación a un entorno físico completamente diferente, como las bajas temperaturas y el movimiento de los buques.

Descarga en destino

Como se mencionó anteriormente, las plantas de licuefacción proporcionan hidrógeno con un contenido muy bajo de impurezas (por debajo de 1 ppm). Esto debería eliminar la necesidad de un paso de purificación como parte de la descarga. Por lo tanto, el último paso en la cadena de suministro de hidrógeno licuado suele ser la regasificación del hidrógeno, que podría suministrarse directamente al punto de demanda (p. ej., vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV)) o almacenarse en un búfer intermedio. Esta regasificación se realiza mediante un evaporador y una bomba criogénica, que se coloca a la entrada del evaporador. La bomba criogénica empuja el hidrógeno licuado a través del evaporador, donde el hidrógeno líquido se transforma en gas y proporciona la presión requerida para el usuario final. Estas bombas pueden alcanzar hasta 100 MPa, lo que permite el reabastecimiento directo de FCEV. Las bombas criogénicas de hidrógeno tienen un menor consumo de energía (4,3 MJ/kg H₂ a 100 MPa) que los compresores de hidrógeno. El coste de una bomba criogénica capaz de suministrar 100 kg/h a 90 MPa es de alrededor de unos 650 000 $.

Usos y aplicaciones del hidrógeno líquido

El hidrógeno líquido se puede utilizar en diferentes entornos industriales y es una fuente de purificación y eficiencia energética. Destacamos algunas de sus aplicaciones más importantes.

• • Industria energética: Su alta eficiencia se ha traducido en un excelente gas de enfriamiento industrial, especialmente por sus grandes propiedades de transferencia de calor.

• • Industria del transporte: El uso del hidrógeno como combustible alternativo garantiza la autonomía de los vehículos, al tiempo que reduce las emisiones contaminantes y, por lo tanto, ayuda al medio ambiente.

• • Industria alimentaria: El uso de este gas está orientado a mejorar la calidad de los alimentos y garantizar la seguridad, así como al desarrollo de tecnologías innovadoras.

• • Industria aeroespacial: Es un combustible eficiente para propulsar cohetes y una fuente de energía para la gestión de sistemas de vida e información en entornos ambientales.

• • Refinería: Es un elemento esencial en esta industria para la transformación de petróleo crudo pesado en combustible refinado.

Soluciones comerciales de licuefacción de LH2 a pequeña escala

A continuación, y para terminar, queremos hacer mención a las soluciones a pequeña escala para hidrógeno licuado en el mercado. Hasta ahora, el comercio y distribución se ha limitado a los grandes consumidores, donde empresas como Linde, Air Products o Air Liquide son líderes globales. Estas empresas están invirtiendo en la producción y distribución de hidrógeno, incluyendo tecnologías para el transporte y almacenamiento de hidrógeno líquido.

Sin embargo,en la actualidad existen soluciones de sistemas de licuefacción como las que ofrece Stirling Cryogenics o Cryo H&I que podrían facilitar el uso de hidrógeno líquido a los pequeños consumidores, especialmente en el área de I+D.

Stirling Cryogenics se especializa en el desarrollo y suministro de crioenfriadores y sistemas criogénicos, en particular para la licuefacción de hidrógeno y la gestión del gas de ebullición (BOG). Sus sistemas de licuefacción de hidrógeno, basados en el ciclo Stirling, tienen una capacidad de entre 5 y 400 kg por día, lo que los hace ideales para la producción localizada de hidrógeno a pequeña escala, como en plantas de energía renovable. También ofrecen soluciones para la gestión del BOG a partir del almacenamiento de hidrógeno líquido, garantizando así la recuperación y el uso eficientes del hidrógeno evaporado.

Conclusiones

El hidrógeno líquido se considera un prometedor vector energético sostenible para el futuro, especialmente para sectores económicos con alta demanda de energía y difícil control de la reducción de emisiones, como el transporte o la industria energética.

Su elevada densidad volumétrica hace del hidrógeno líquido una de las formas más eficientes de transporte de hidrógeno a gran escala, a pesar de los desafíos técnicos y económicos que implica el uso de temperaturas criogénicas.

Los principales retos futuros del hidrógeno líquido se centran en la reducción de costos, mejora de la eficiencia en su producción y almacenamiento, y el desarrollo de una infraestructura de distribución robusta. Además, la seguridad en su manejo y transporte, así como la necesidad de superar la competencia con otras alternativas energéticas.

El hidrógeno líquido tendrá un futuro asegurado, tanto en el transporte intercontinental como en la movilidad (camiones, autobuses y aviones). Sin embargo, las necesidades de escala hacen que sea una apuesta arriesgada hoy en día.