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Tecnologías para la energía del futuro

Hidrógeno Verde, producción y mecanismos de optimización

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Fig. 1 - Digital Twin aplicado a la ingeniería, al control y a la simulación de procesos. FOTOS: Siemens
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Seguramente nos equivocaremos si aseguramos que esto del hidrógeno es la nueva piedra filosofal que un grupo de científicos ha conseguido ‘sintetizar’ en su laboratorio de alquimia. Y seguramente existe cierta hipérbole en el abrumador contexto informativo que estamos viviendo actualmente alrededor de esta molécula. En cualquier caso, lo que está claro es que el hidrógeno ya estaba ahí… no en vano es el elemento más abundante del universo, y ya se producía por el proceso amplia y comúnmente conocido de reformado de metano con vapor, con sus consecuentes emisiones de CO2.


Lo que está ocurriendo es que ya por fin estamos empezando a tomarnos en serio la “desfosilización” de nuestro planeta. Y esto provoca que de lo que más se hable últimamente sea de la producción de hidrógeno verde, o lo que es lo mismo, del proceso de ruptura de la molécula de H2O por medio de la electrólisis, donde la energía que es preciso aportar a dicho proceso electrolítico proviene de fuentes renovables. Se obtiene, por tanto, un vector energético prácticamente exento de emisiones de gases de efecto invernadero en su concepción. Si a esto le sumamos que se pueda quemar directamente, que se pueda llevar a una pila de combustible para generar electricidad de forma directa, que se pueda utilizar como materia prima para procesos de la industria, que pueda servir como almacén energético cuando la producción de renovables supere a la demanda, que el coste de las renovables esté disminuyendo significativamente en los últimos tiempos, que la coyuntura geopolítica no ayude al resaltar nuestra dependencia del gas natural, todo esto ya nos muestra un panorama más alentador y le da sentido a este cambio de rumbo.


En términos técnicos y económicos, aunque todavía las cuentas en lo que respecta al precio (€/kg) de hidrógeno no cuadren perfectamente, y aunque los objetivos de capacidades de electrólisis a nivel nacional y europeo marcados para esta década parezcan a priori demasiado ambiciosos, podemos darnos por satisfechos con que sólo salga adelante alguna parte de todo lo que se ha anunciado.


De hecho, en España parece que se va a regar el campo del hidrógeno verde con miles de millones de euros, tanto directos como indirectos, a través de distintos PERTE. Esto ha provocado que muchas empresas se suban al carro y que se hayan solicitado cerca de 100 GW en proyectos de hidrógeno verde. Pero sólo se llevarán el gato al agua unos pocos, aquellos que demuestren solidez, criterio técnico, carácter innovador y apoyo de la administración.


Aparte del dinero, para que se desarrolle la cadena de valor del hidrógeno de manera sostenible y eficiente en nuestro país, hace falta talento (del cual hay más que de sobra en España) y las herramientas adecuadas.   


Digitalización y optimización de proyectos. Gemelo digital


Con respecto a qué herramientas son las más adecuadas, debemos destacar soluciones de optimización como el gemelo digital, bien sea de producto (p.ej. una fuel cell), de producción (p.ej. una planta de electrólisis) o de rendimiento.  


Al fin y al cabo, un gemelo digital es una representación virtual de un producto o proceso que se utiliza para comprender y predecir las características de rendimiento de su equivalente físico.

Mediante funciones de simulación, predicción, análisis de datos y aprendizaje automático, nos permite demostrar el impacto de los cambios de diseño, condiciones ambientales y una innumerable cantidad de variables antes de invertir en prototipos y activos físicos. Así además se reduce el tiempo de desarrollo y se mejora la calidad del producto o proceso terminado.


Para garantizar un modelado preciso a lo largo de toda la vida útil de un producto o una producción, los gemelos digitales utilizan datos de sensores instalados en objetos físicos para determinar el rendimiento en tiempo real de los objetos, las condiciones de funcionamiento y los cambios a lo largo del tiempo. Con estos datos, el gemelo digital evoluciona y se actualiza continuamente para reflejar cualquier cambio de su equivalente físico a lo largo de todo el ciclo de vida. De esta manera se crea un circuito cerrado de retroalimentación en un entorno virtual que permite a las empresas optimizar continuamente sus productos, su producción y el rendimiento sin hacer una gran inversión.


Modelos de simulación


Otra ayuda importante para los proyectos de hidrógeno son las herramientas de simulación y optimización del proceso, combinadas con el propio gemelo digital. Éstas nos ayudarán a validar la eficacia con que funcionará un proceso de producción antes de empezar a producir. Por ejemplo, la plataforma gPROMS combina tanto modelos en estado estacionario como dinámicos con toda la potencia de las capacidades de optimización, análisis y modelado orientado a ecuaciones en un entorno de diagramas de proceso fácil de usar. De manera opcional, se pueden utilizar diferentes librerías para caracterizar aplicaciones e industrias específicas como plantas de agua, plantas de energía, electrolizadores y pilas de combustible.


Además, mediante el empleo de sensores virtuales se pueden estimar variables de proceso desconocidas o calcular KPIs relevantes gracias al modelo de simulación de gran fiabilidad y a los datos en tiempo real del proceso. Estos sensores virtuales pueden ser utilizados tanto para el control como la monitorización del proceso, evitando costosos tiempos de inactividad de equipos e incluso prediciendo cuándo será necesario realizar tareas de mantenimiento preventivo.   


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Fig. 2 - Plataforma gPROMS aplicada a la simulación del electrolizador y de la fuel cell

 

Automatización de plantas de producción de hidrógeno


Con respecto a la propia automatización de las plantas de producción de hidrógeno, el sistema de control de procesos es el que marcaría el ritmo aquí, ayudando a mejorar la flexibilidad y la seguridad y aumentando la eficiencia.


En este caso, resulta diferencial disponer de un sistema basado completamente en la web, con una gestión de la información basada en objetos. Cada miembro del proyecto trabaja siempre en tiempo real en la misma base de datos en función de sus tareas y en el marco de la gestión de autorizaciones y roles. Y esto lo puede hacer desde cualquier lugar, a través de una conexión segura a Internet.


Al fin y al cabo, es imprescindible tener acceso directo y permanente a los proyectos de ingeniería y a los procesos operativos, así como al diagnóstico del sistema de control en ingeniería y en funcionamiento. Todo ello con una interfaz gráfica de usuario intuitiva que garantice un manejo perfecto tanto en dispositivos fijos como portátiles.


Todo lo anterior lo ofrece a los ingenieros y usuarios, SIMATIC PCS neo.

Si a ello le sumamos otras características más habituales en los sistemas de automatización de SIEMENS como la seguridad de planta integrada, la disponibilidad, la integración de todo tipo de comunicaciones y de plantas paquete, entonces ya tenemos todos los ingredientes para poder controlar una planta de producción de hidrógeno, junto con sus unidades asociadas, de la mejor manera posible.


La guinda a este pastel del control sería un software de inteligencia operacional para tomar decisiones de forma rápida y fiable, de cara a optimizar los costes de producción y rentabilizar las inversiones.


Analizadores e instrumentación para un proyecto de hidrógeno


Por último y no menos importante, la instrumentación de campo y analítica juega un papel crucial cuando nos enfrentamos al reto de medir en condiciones o procesos novedosos de la industria.


Además, en aplicaciones donde se maneje hidrógeno es habitual que se exija que los equipos sean aptos para trabajar en zonas clasificadas y se requiera certificación SIL.


Los transmisores de presión con sellos especiales para soportar muy altas presiones son necesarios tanto en compresores como en hidrogeneras. Los caudalímetros de gases (p.ej. ultrasónicos tipo clamp-on) nos permiten medir con precisión el caudal de un blending de hidrógeno y gas natural que veremos cada vez más a menudo circular por una conducción.

Y si nuestro electrolizador va a producir hidrógeno y oxígeno a partir de agua, tenemos que medir la pureza de estas corrientes con un analizador de gases que mida en continuo y utilice como principio de medida el paramagnetismo o la conductividad térmica.


La precisión en la medida, la estabilidad y el poder llegar a límites de detección bajos son algunos de los factores principales que nos van a ayudar a decantarnos por una tecnología u otra.


Por supuesto, dependiendo de cómo sea el proceso de producción de hidrógeno, las impurezas generadas pueden variar. Pero sea como sea, siempre podremos medirlas mediante cromatografía de gases. Y tanto si este hidrógeno va a una fuel cell o se lleva a un motor, o bien actúa como materia prima de la industria, casi siempre habrá que controlar su calidad.   


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Fig. 3 - Sistema de análisis de gases por cromatografía 

(modelo MAXUM)


Francisco Montojo Villasanta / Fernando Trucharte Artigas

Responsables de desarrollo de negocio Hidrógeno Verde

Siemens Digital Industries España



Este artículo aparece publicado en el nº 539 de Automática e Instrumentación págs. 37 a 39.

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