Hidrógeno como combustible: posibilidades, pero…

El hidrógeno está en todas partes. Lo sabes de la química de la escuela secundaria. Y también lo sabe por las actualizaciones casi diarias de Marine News sobre los proyectos de embarcaciones con motor H en todo el mundo.

Como combustible que potencialmente podría reemplazar a los combustibles fósiles, el H está en el centro de atención. Quizás el centro de atención más brillante, al menos en los EE. UU., se encuentra dentro de la iniciativa “Energy Earthshots” del Departamento de Energía.

R&D en H fue el primer Earthshot de este tipo anunciado el año pasado. El DOE quiere que el programa "Inyección de hidrógeno" "acelere las innovaciones y estimule la demanda de hidrógeno limpio al reducir el costo en un 80 %".

Tenga en cuenta la referencia al hidrógeno "limpio". En la actualidad, la industria estadounidense produce varios millones de pies cúbicos de H al día, que se utilizan para aplicaciones industriales como la refinación, el tratamiento de metales y el procesamiento de alimentos. El H se produce utilizando vapor a alta temperatura ("reformado con vapor") y mediante electrólisis, dividiendo el agua en H y oxígeno. Cada proceso consume mucha energía y es costoso, generalmente alimentado por gas natural. El enigma siempre ha sido: ¿por qué usar H como combustible cuando el gas natural es tan barato? El factor carbono obliga a una perspectiva diferente. Si se pudiera generar H limpio utilizando energía renovable, podría resultar en un suministro casi ilimitado de un combustible que, según muchos expertos, comparte características con el gas natural, lo que convierte al H en un reemplazo relativamente familiar.

Hydrogen Shot busca reducir el costo del hidrógeno limpio en un 80% a $1 por 1 kilogramo en 1 década ("1 1 1"). Para impulsar esto, en febrero, el DOE publicó una solicitud de información sobre "investigación, desarrollo y demostración (RD&D) de tecnologías limpias de fabricación, reciclaje y electrólisis de hidrógeno" y una segunda solicitud relacionada con el establecimiento de una serie de "Centros de hidrógeno" de I+D en varias instalaciones de investigación en los EE. Un objetivo es ubicar los Centros de I+D en la misma ciudad o región que la nueva producción de H. Entonces, la I+D y la producción podrían trabajar juntas para incorporar H aún más rápido.

El optimismo sobre H, por supuesto, tiene que ser atemperado con realidades difíciles, realidades muy difíciles. El hidrógeno es volátil, altamente inflamable y explosivo. Es caro de producir. El almacenamiento y el transporte son difíciles y requieren aún más energía para comprimir el gas en un líquido y luego almacenarlo a bajas temperaturas. Tratar de superar estos desafíos implica una lucha física y mental con los fundamentos mismos de la química, la física y la economía.

Los reguladores, sin mencionar a una ciudadanía preocupada, deberán tomar una respiración profunda sobre las propuestas para transportar y almacenar hidrógeno. Tal vez la producción podría mantenerse remota, pero en algún momento, un combustible tiene que trasladarse a donde se necesita: puertos, tanques de retención, patios ferroviarios, embarcaciones de transferencia, depósitos de camiones, aeropuertos. El riesgo aceptable será difícil de documentar.

Algunas lecciones aprendidas
Los informes sobre nuevos proyectos H son importantes, por supuesto, pero también hay bastantes proyectos H que han concluido. ¿Las lecciones de esos proyectos confirman el tipo de promesa expectante inherente a una iniciativa nacional como Hydrogen Shot? Aquí hay una mirada más cercana a dos proyectos H de este tipo con un enfoque marítimo.

Hidrogeno como combustible posibilidades pero…(Imagen: Departamento de Energía de EE. UU.)

Generador de celda de combustible de Sandia National Lab
En 2017, Sandia National Laboratories, parte de la red de laboratorios de investigación y desarrollo de energía del DOE, completó un proyecto de generador de celdas de combustible marítimo en Hawái. Este generador de celda de combustible (FC) de hidrógeno, el primero de su tipo, fue construido por Hydrogenics, una compañía que ahora es propiedad de Cummins, Inc. Young Brothers, la compañía naviera hawaiana, acordó usar el generador para impulsar los buques frigoríficos en el muelle y en las islas. barcazas, al igual que utiliza equipos diesel.

Una celda de combustible utiliza hidrógeno (o combustible rico en hidrógeno) y oxígeno para generar electricidad. Se coloca una membrana de polímero entre el H y el O2 entrantes. La membrana permite que pasen los protones con carga positiva, pero no los electrones con carga negativa que deben fluir alrededor de la membrana, formando una corriente eléctrica.

Si se usa hidrógeno puro como combustible, las celdas de combustible emiten solo calor y agua, lo que elimina las preocupaciones sobre los contaminantes del aire o los gases de efecto invernadero.

Sandia concluyó que la generación de H puede reducir las emisiones relacionadas con el mar en muchas aplicaciones, por ejemplo, para equipos portuarios, energía auxiliar para embarcaciones y propulsión de embarcaciones, entre otros usos.

Aun así, hubo problemas, pero después de todo, se trataba de un proyecto de investigación. Por ejemplo:

•Arranque inconsistente;

•Las celdas usaron más agua desionizada de lo esperado, un “inconveniente imprevisto”;

•Desempeño degradado en climas cálidos;

•El reabastecimiento de combustible fue rápido y se consideró seguro, pero las válvulas presurizadas no siempre funcionaron.

•Sandia recomendó asignar a un miembro del personal para operar y mantener la celda de combustible hasta que la tecnología “se vuelva tan libre de problemas como su contraparte diesel”.

Estos problemas técnicos no se consideraron insuperables, y el informe concluyó: "Las proyecciones para implementaciones de uso completo indican que las reducciones de costos en la tecnología de celdas de combustible, el equilibrio de los elementos de la planta y el combustible de hidrógeno pueden resultar en una paridad de costos con la generación diesel".

Se consideró que las reducciones con los costos de las celdas de combustible tenían más probabilidades de ocurrir pronto. Después de todo, las celdas de combustible han existido durante décadas, y las mejoras del siguiente paso serían una plataforma familiar.

Los desafíos más difíciles fueron los mismos problemas que se enfrentan hoy, cinco años después: el costo del hidrógeno y el almacenamiento (para este proyecto, el H se proporcionó de forma gratuita, cortesía de la Fuerza Aérea).

Además, Sandia describió desafíos más allá del generador. Asuntos laborales, logísticos y legales impactaron “de manera significativa en el funcionamiento de la pila de combustible”. Los problemas de seguridad nuevos y diferentes requerían una atención especial. El informe planteó preocupaciones bastante impensables. Un ejemplo: que una liberación de hidrógeno sin encender podría ser succionada hacia los espacios interiores de un remolcador, mientras el remolcador estaba junto al generador, o hacia las tomas de aire diesel del remolcador. Esto finalmente se consideró poco probable, al menos con este proyecto. Pero ejemplifica la miríada de cuestiones innovadoras que surgen ante la perspectiva de usar un combustible novedoso y peligroso en una zona de trabajo densa y la necesidad de evaluar cada problema.

Desafortunadamente, una vez completado, el proyecto de celda de combustible se detuvo. Un proyecto posterior en la Institución Scripps de Oceanografía fue descarrilado por COVID. Ahora la unidad está inactiva y es probable que se desmantele.

Cambio de mar
En febrero pasado, el Sea Change, el primer ferry comercial del mundo con celda de combustible de hidrógeno, 70 pies y 75 pasajeros, se lanzó para pruebas en el mar en Bellingham, Washington. El Sea Change fue construido por All American Marine (AAM) para SWITCH Maritime.

La celda de combustible fue construida por Zero Emission Industries, cuyo CEO/CTO es Joseph Pratt, PhD, un alumno de Sandia Labs. El paquete de energía se compone de 360 ​​kW de celdas de combustible Cummins y tanques de almacenamiento de hidrógeno Hexagon con una capacidad de 246 kg. Este sistema está integrado con una batería de iones de litio de 100 kWh proporcionada por XALT y un sistema de propulsión eléctrica de 2x 300 kW proporcionado por BAE Systems. AAM escribe que "el sistema de tren motriz de celda de combustible de hidrógeno ofrece la misma flexibilidad operativa que el diesel con cero emisiones y menos mantenimiento".

Hidrogeno como combustible posibilidades pero…(Foto: All American Marine)

Se le preguntó a Joe Pratt cómo fueron las pruebas de Sea Change. Dijo que hubo algunas “cosas de acondicionamiento típicas, algunas relacionadas con el barco y otras con la celda de combustible H, pero al final todo funcionó bien”.

Pratt enfatizó que "las celdas de combustible H no son nada nuevo", la tecnología ha estado en el mercado desde finales de la década de 1990, impulsando numerosos vehículos, desde carretillas elevadoras hasta autobuses y automóviles de pasajeros. “Entendemos lo que se necesita para que el sistema funcione”, comentó.

Pratt dijo que el próximo desafío es optimizar la producción. “Nuestra mayor lección aprendida”, comentó, “es que necesitamos hacer esto mucho más simple y pasar de 300 pasos diferentes a cinco”. Pratt quiere entregar un paquete de celdas de combustible como se entrega un motor diesel. Entonces, el astillero puede trabajar con una unidad, en lugar de un proceso. “Queremos que el astillero pueda dejarlos caer en el bote y conectar algunas mangueras”, explicó Pratt. “En eso es en lo que estamos trabajando en este momento, para que sea más fácil para los propietarios de embarcaciones y los astilleros”.

La Guardia Costera participó en las pruebas de mar de Bellingham. CDR Frank Strom, Jefe, División de Ingeniería de Sistemas, Oficina de Normas de Diseño e Ingeniería en la Sede de la Guardia Costera, explicó que las inspecciones del CG eran para "verificar el cumplimiento de los requisitos del Subcapítulo T de 46 CFR", centrándose en los sistemas mecánicos y eléctricos, incluidos los de propulsión, dirección, navegación y automatización. Estas inspecciones ocurren principalmente en el muelle, pero también se requiere una "prueba en curso" y, de hecho, se completó.

Se le preguntó a Strom sobre cuestiones específicas del hidrógeno. Dijo que las regulaciones actuales del Subcapítulo T no consideran el uso de baterías de iones de litio o hidrógeno como combustible. El Sea Change está regulado por "un acuerdo de base de diseño", explicó, "que sirve para aumentar las regulaciones federales con los estándares de construcción y seguridad de hidrógeno aplicables para lograr un nivel equivalente de seguridad". Durante la construcción de Sea Change, la Guardia Costera “verificó que los sistemas de baterías de iones de litio e hidrógeno funcionaban de acuerdo con su diseño, que se hizo de acuerdo con esos estándares”. No hay ningún esfuerzo en marcha en este momento para revisar el Subcapítulo T para incluir H o ​​propulsión por batería de iones de litio.

Strom explicó que la tripulación de Sea Change, como con todas las embarcaciones, debe demostrar la capacidad de responder a "incendios, inundaciones, abandono del barco y situaciones de hombre al agua". Con Sea Change, la verificación también incluyó una “evaluación del conocimiento específico del hidrógeno de la tripulación y una evaluación adicional de su capacidad para prevenir y responder a todas las emergencias a bordo del buque, incluidas las asociadas con el sistema de combustible de hidrógeno y las baterías de iones de litio. ”

Este proceso continúa cuando el Sea Change se traslada a San Francisco, su futuro puerto. Luego, las inspecciones se centrarán en el abastecimiento de hidrógeno, la capacitación y competencia de la tripulación y los requisitos operativos presentados por el uso de hidrógeno como combustible. El objetivo es que Sea Change obtenga su Certificado de Inspección para poder transportar pasajeros.

Pronóstico DNV
En junio, DNV publicó un documento extenso, Pronóstico de hidrógeno para 2050 - DNV, una mirada de cerca al potencial del hidrógeno para convertirse en un combustible central para 2050. El Pronóstico se enfoca en Europa, pero los avisos son aplicables en los EE. UU. y en otros lugares, por supuesto. .

DNV estima que H proporcionará el 5 % de la demanda mundial de energía para 2050, aunque es probable que satisfaga el 11 % en Europa. El nivel del 5% es demasiado bajo para que H contribuya proporcionalmente a las reducciones del Acuerdo de París.

En un prólogo, escrito por Remi Eriksen, presidente y director ejecutivo del grupo DNV, Eriksen comenta que, en muchos sentidos, H “debe considerarse como la fuente de energía baja en carbono de último recurso. Sin embargo, se necesita desesperadamente (especialmente) en aquellos sectores que son difíciles o imposibles de electrificar, como la aviación, el transporte marítimo y los procesos industriales de alta temperatura”. Eriksen escribe que la seguridad “no debe convertirse en el talón de Aquiles (del hidrógeno)”.

Para acelerar el proceso de H, DNV presenta 10 consideraciones clave para los formuladores de políticas. Estas brechas de seguridad de referencia, "políticas del lado de la demanda" para estimular la "compra", es decir, clientes, nuevas regulaciones, por ejemplo, impuestos al carbono, en diferentes sistemas energéticos y la necesidad de CCS (captura y almacenamiento de carbono) a gran escala.

1659957397 380 Hidrogeno como combustible posibilidades pero…El remolcador Hydrogen One, desarrollado por Maritime Partners, Elliott Bay Design Group, e1 Marine y ABB, utilizará la tecnología de reformado de e1 Marine para generar hidrógeno a partir de metanol bajo demanda. (Imagen: Grupo de diseño de Elliott Bay)

Los próximos pasos del DOE
Dada la extensa historia sobre la investigación de H, vale la pena preguntarse: ¿Cómo este cuerpo de trabajo informó la solicitud del DOE de comentarios relacionados con las direcciones y objetivos de Hydrogen Shot?

Desafortunadamente, el DOE no responderá ninguna pregunta sobre los comentarios públicos que recibió, ni siquiera cuántos comentarios se enviaron. Un vocero dijo que “debido a ciertas sensibilidades, no se están abordando preguntas específicas sobre las RFI (solicitudes de información). .” Las sensibilidades no fueron detalladas.

En algún momento entre 2023 y 2026, el DOE planea seleccionar al menos cuatro centros H regionales. Las otras tareas, una hoja de ruta de H, un estándar de H limpio y electrólisis y fabricación, serán en su mayoría analíticas, basadas en la investigación y financiadas durante los próximos cuatro años.

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