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Acelerando hacia el neutralidad de carbono con hidrógeno verde y la simulación

Industria Automotriz Generación de energía

El hidrógeno se encuentra presente para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y ayudar a los principales sectores económicos a lograr sus objetivos de neutralidad de carbono para el año 2050. Esta es la fecha que muchos países acordaron durante una cumbre sobre el cambio climático a principios de este año y que la Unión Europea, el Reino Unido y otros países ya han hecho legalmente obligatoria. De acuerdo con la Agencia Internacional de Energía, para cumplir este objetivo será necesario revisar el uso de la energía en muchas industrias y el avance de otras tecnologías emergentes.

El compromiso del sector de la aviación con el neutralidad de carbono

Figura 1: El compromiso del sector de la aviación con el neutralidad de carbono (Fuente: IATA)

La sinergia entre industrias apunta hacia la adopción del hidrógeno

El hidrógeno es una parte significativa de la solución a la neutralidad del carbono. Existen sinergias entre las principales industrias, como la aeroespacial, la energética y la automotriz, para establecer una red de infraestructura sustentable para el hidrógeno. Ofrece diversas maneras de lograr la sustentabilidad — desde el almacenamiento de la energía hasta la producción de energía más limpia y la propulsión — al tiempo que complementa otras soluciones, tales como las baterías.

Si observamos en detalle cualquiera de los sectores industriales, podemos ver el potencial impacto del hidrógeno en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. Veamos el ejemplo de la industria de la aviación. Un programa propuesto para el carbono neutro planteado para la industria aeronáutica (ver figura 1); muestra que sólo un combustible sustentable, como el hidrógeno, ofrece un camino realista hacia el neto de cero emisiones de carbono para el año 2050. Es importante señalar que la electrificación seguirá contribuyendo a reducir las emisiones, especialmente en los vuelos de corta distancia, sin embargo, más del 90% de las emisiones del sector de la aviación se producen en los vuelos de media y larga distancia, de acuerdo con el Air Transport Action Group.

Se pueden realizar observaciones similares en otros sectores en los que las soluciones basadas en el hidrógeno deben desempeñar un papel fundamental junto a otras tecnologías importantes — como la eficiencia energética, las baterías y la captura de carbono — para alcanzar el objetivo de neutralidad de carbono.

“La reducción del contenido de carbono de la energía y la electrificación de muchas actividades económicas (por ejemplo, el transporte o la industria), que se benefician de la fuerte disminución de los costos de la energía renovable, son componentes clave del programa para alcanzar el objetivo de 1,5 C para 2050’’, dice Claude Heller, ex Director de Programas de P&D do Grupo para a Air Liquide, que ahora es el Asesor Principal de la Economía del Hidrógeno. “En los sectores denominados difíciles de eliminar (por ejemplo, la siderurgia o la aviación) es posible la electrificación indirecta mediante el hidrógeno producido por electrólisis del agua con energía baja en carbono (por ejemplo, renovables o nuclear)’’.

Tres desafíos clave para la democratización del hidrógeno verde en todas las industrias

Tres importantes desafíos de la democratización del hidrógeno, son el costo, la infraestructura y la escala.

1. Costo

El costo de la producción de hidrógeno verde (hidrógeno producido con energía renovable) es de alrededor de US$ 5 dólares por kilogramo, lo que lo ha vuelto menos competitivo en comparación con los combustibles pesados de carbono como el gas natural o kerosene. El elevado costo está relacionado con la inversión y la demanda en infraestructuras, que ahora está recibiendo un impulso gracias a las reglamentaciones y acciones proactivas que están adoptando los gobiernos de todo el mundo.  

La inversión en hidrógeno verde supera ya los US$ 1 millones de dólares anuales. La mayor inversión, a nivel mundial, ha procedido de la Unión Europea, que representa más de la mitad de la inversión en proyectos basados en el hidrógeno a principios de esta década. El Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) acaba de lanzar en junio la iniciativa Energy Earthshots para una transición acelerada de la energía. El primer Energy Earth Shot, llamado Hydrogen Shot, pretende reducir el costo del hidrógeno ecológico a US$1/kg para finales de la década.

2. Infraestructura

Con una importante inversión en un ecosistema de hidrógeno, los desafíos técnicos relacionados con el hidrógeno están nuevamente en el foco. Sin embargo, sigue habiendo importantes exigencias de diseño en cada etapa, desde su producción, almacenamiento y transporte, hasta su uso final. Uno de los mayores desafíos en cada una de las etapas es la eficiencia energética de los dispositivos implicados. La eficiencia de la célula de combustible oscila actualmente entre el 40% y el 60%, mientras que la eficiencia media de la electrólisis es del 60%. Es posible mejorar significativamente la eficiencia, pero se necesita mucho tiempo en un contexto de diseño tradicional de prueba y construcción: mejorar el diseño.

Por ejemplo, el hidrógeno promete mucho en la descarbonización de los sectores de la aviación y la generación de energía con su uso final en las turbinas de gas debido a su alta densidad energética y a su baja capacidad de quemado. Sin embargo, la quema de hidrógeno en los motores presenta varios problemas técnicos, como el flashback, las inestabilidades acústicas, el autoencendido y la retención de la llama dentro del quemador.

Debido a su bajo peso molecular y a su densidad, almacenar el hidrógeno en un espacio compacto es también un gran desafío. Es necesario comprimirlo fuertemente o almacenarlo de manera criogénica/líquida. El proyecto del tanque de almacenamiento, ya sea volando en el cielo en un avión o viajando en la parte trasera de un vehículo de célula de combustible en tierra, requiere una consideración especial por su fragilidad, las fugas y el riesgo de seguridad asociado.

3. Escala

Por último, existen desafíos de uso final relacionados con el hidrógeno a escala. El tamaño del sistema actual y el peso de las células de combustible son grandes, especialmente para aplicaciones aeroespaciales y automovilísticas. Es necesario mejorar su durabilidad y fiabilidad para la mayoría de las aplicaciones de transporte. La gestión térmica del agua y el aire, también es un desafío cuando se trata de mantener el tamaño del intercambiador de calor y el sistema en general.

“Las tecnologías actuales de hidrógeno (por ejemplo, la electrólisis o las células de combustible) están lo suficientemente desarrolladas como para implicar la economía del hidrógeno a escala para reducir los costos’’, afirma Heller. “Paralelamente,continúa siendo necesario mejorar los procesos para reducir los costos además del efecto del tamaño. Para ello, es esencial una mejor interpretación y un modelado de las reacciones electroquímicas a escala molecular y de los procesos a nivel de sistema (por ejemplo, células o pilas)’’.

La tecnología de simulación permite la adopción del hidrógeno verde

La tecnología Ansys permite superar los desafíos asociados al hidrógeno, mejorando el rendimiento en cada etapa de su ecosistema y acelerando el desarrollo de nuevas tecnologías para hacer frente al dilema del costo y la escala. Por ejemplo, ENHIGMA, un proyecto nacional en el que participan diferentes empresas y centros tecnológicos y de investigación, ha utilizado la tecnología Ansys para fabricar células de combustible y electrolitos basados en membranas de intercambio de protones (PEM) de bajo costo, eficientes energéticamente y duraderos. Como se muestra en la figura 2, los investigadores del Centro Nacional del Hidrógeno (CNH2) optimizaron las pilas de células PEM mediante simulaciones de flujo en Ansys Fluent.

Una pila de electrólisis de agua PEM para la producción de hidrógeno (izquierda) con el diseño de la célula optimizado mediante simulación Ansys (derecha)

Figura 2: Una pila de electrólisis de agua PEM para la producción de hidrógeno (izquierda) con el diseño de la célula optimizado mediante simulación Ansys (derecha)

La tecnología de simulación Ansys se utiliza para el proyecto individual de células, la selección de materiales económicos y ligeros, la optimización de la pila de células para la eficiencia energética y la gestión térmica de toda la célula de combustible y el sistema de electrólisis.

El almacenamiento y el transporte criogénicos se encuentran en el centro del ecosistema del hidrógeno. Las soluciones compuestas de Ansys pueden utilizarse para diseñar recipientes criogénicos imitando de cerca su proceso de fabricación. La herramienta de falla compuesta de Ansys Mechanical permite a los diseñadores evaluar en profundidad los posibles modos de falla y sus ubicaciones, utilizando criterios avanzados de falla compuesta como Tsai-Wu, Puck y LaRC. También, puede utilizarse para comprender el efecto de la fragilidad, iniciación y propagación de las fisuras, como se muestra en la figura 3.

Un tanque de hidrógeno criogénico líquido/comprimido utilizando Ansys Composite PrepPost (ACP) a la izquierda y el análisis de envoltura/agrietamiento en Ansys Mechanical a la derecha

Figura 3: Un tanque de hidrógeno criogénico líquido/comprimido utilizando Ansys Composite PrepPost (ACP) a la izquierda y el análisis de envoltura/agrietamiento en Ansys Mechanical a la derecha

Los motores de turbina de gas impulsados por hidrógeno, constituyen el camino más prometedor para los esfuerzos de descarbonización en el sector de la energía y la aviación. Los desafíos técnicos más complejos de la combustión del hidrógeno — como el flashback, las inestabilidades acústicas y la autoignición — pueden caracterizarse y abordarse con simulaciones de alta fidelidad.

La figura 4 muestra la validación de la metodología de simulación CFD en Fluente para la combustión de hidrógeno frente a los datos experimentales.

Previsiones de la dinámica de fluidos computacional (CFD) de Ansys Fluent para la combustión de hidrógeno y su validación con respecto a los datos experimentales

Figura 4: Previsiones de la dinámica de fluidos computacional (CFD) de Ansys Fluent para la combustión de hidrógeno y su validación con respecto a los datos experimentales

Por último, las tecnologías de digitalización avanzadas, como los gemelos digitales y los modelos de pedido reducido (ROM), pueden utilizarse para optimizar las operaciones de los sistemas basados en el hidrógeno. Los ROMs son simplificaciones de modelos complejos de alta fidelidad. Capturan el comportamiento de los modelos de fuente para que los ingenieros puedan estudiar rápidamente los efectos dominantes de un sistema utilizando recursos computacionales mínimos.

La Figura 5 muestra un gemelo digital de un sistema de célula de combustible creado en Ansys Twin Builder. Un sistema típico de producción de hidrógeno o una planta de célula de combustible basada en el hidrógeno contiene muchos componentes. La mayoría de ellos pueden representarse mediante un modelo simplificado, pero la mayoría de las partes críticas — como célula de combustible o pilas de células PEM — pueden representarse mediante ROM derivados de los solucionadores de física 3D de Ansys. La creación de ROMs para este gemelo digital es posible gracias a Ansys optiSLang, que automatiza la cadena de herramientas de simulación y se conecta a los algoritmos de optimización de diseño robusto (RDO). Con la conexión a los datos de los sensores en tiempo real, este gemelo digital puede supervisar y optimizar las operaciones al tiempo que permite el mantenimiento predictivo.

Gemelo digital de un sistema de célula de combustible

Figura 5: Gemelo digital de un sistema de célula de combustible

Al capacitar a los ingenieros para estudiar más opciones de diseño de hidrógeno de forma más rápida y accesible, la simulación ayudará a afrontar los principales desafíos relacionados con el aumento de la adopción del hidrógeno. La posibilidad de diseñar y probar tecnologías relacionadas con el hidrógeno en un entorno virtual acelera el tiempo de comercialización, lo que es fundamental a medida que los gobiernos y las industrias se apresuran a cumplir los objetivos de neutralidad de carbono para 2050.

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