Las válvulas criogénicas, tan frías como el hielo

“Sí, existe una tendencia hacia las válvulas criogénicas”, confirma René Speckmaier, jefe de producto en Goetze KG Armaturen. El consumo de gases técnicos está aumentando anualmente. Nos referimos al oxígeno, al nitrógeno y al argón, pero también a gases inertes como el xenón y el criptón. Separar el aire en sus elementos individuales solo es económicamente viable si se utiliza un proceso de separación térmico. Las válvulas criogénicas son un componente importante de la separación de aire a baja temperatura.

La movilidad basada en hidrógeno, la ingeniería médica y la demanda global de energía y alimentos aumentan la demanda de componentes para procesos criogénicos. Aplicaciones como la crioterapia, el uso del frío para lograr un efecto terapéutico (por ejemplo, en el tratamiento del cáncer), abren una serie de oportunidades de negocio para las empresas de ingeniería botánica.

Una señal de la creciente demanda de tecnología médica y como tal, también de las válvulas correspondientes, es el elevado número de patentes. Según la página web alemana Medizintechnologie.de, publicada por VDI Technologiezentrum GmbH, la tecnología médica está en pleno desarrollo. En 2015, La Oficina Europea de Patentes (OEP) registró un nuevo récord. En comparación con el año anterior, se presentaron un 1,6% más de solicitudes de patentes por parte de personas físicas, instituciones y empresas de todo el mundo. En 2015 se gestionaron un total de 278.867 solicitudes de patentes (274.000 en 2014). Según el portal de estadísticas “statista”, Alemania, EE.UU. y Japón son los países productores líderes en tecnología médica.

La industria alimentaria sigue siendo atractiva para los fabricantes de válvulas criogénicas, que continúan con su tendencia al alza. Por ejemplo, en Alemania, el volumen de ventas aumentó de los 116,9 billones de euros en 1998 a los 168,6 billones de euros en 2016, todo ello con un crecimiento de ventas del 44%. Como tal, la industria alimentaria tiene una cuota del 9,4% de los ingresos totales de las industrias fabricantes.

Una de las tendencias de uso de estas válvulas es el mecanizado criogénico: para reducir el desgaste de la herramienta a través de temperaturas de proceso muy elevadas, por ejemplo, en el sector de la energía, la fabricación de automóviles o la aviación, pueden emplearse técnicas criogénicas.

Otras áreas de empleo son los túneles de refrigeración, máquinas de limpieza con hielo seco, en dosificación de nitrógeno líquido, en plantas de molienda criogénica, en N2 para aplicaciones alimentarias y farmacéuticas, en ingeniería de refrigeración e industria de semiconductores. La demanda va creciendo diariamente: “Las válvulas criogénicas y las válvulas necesarias pueden encontrarse prácticamente en todos los sectores”, explica Olaf Schulenberg, director técnico en Goetze KG Armaturen.

Las válvulas para procesos criogénicos se enfrentan a grandes retos. Deben resistir temperaturas de hasta menos 200 ºC, y manejar gases inertes, oxígeno y GNL. En caso de LiHe (litio/helio), las válvulas deben soportar temperaturas de hasta menos 269 ºC. Lo habitual, sin embargo, son “las aplicaciones a la temperatura de aplicación más baja del nitrógeno líquido mediante crioterapia hasta menos 196 ºC”, apunta Olaf Schulenberg. Otros gases como el oxígeno, el argón o el dióxido de carbono se liquifican a temperaturas más altas. El gas natural licuado (GNL), por ejemplo, tiene una temperatura de menos 163 ºC. “Por lo tanto, la mayoría de las válvulas están diseñadas para temperaturas de menos 200 ºC”.

Las temperaturas especiales requieren materiales especiales, por ejemplo, aceros inoxidables de aleación y alta aleación, aleaciones de niquel, cobre y aleaciones de cobre, tales como el bronce y el latón. “Estos materiales muestran valores lo suficientemente dúctiles, pero sin llegar a ser frágiles”, enfatiza el director técnico de Goetze KG Armaturen.

La optimización del diseño es, sin duda alguna, una cuestión que preocupa tanto a fabricantes de válvulas como a usuarios finales. Dependiendo de la válvula, los diámetros nominales oscilan entre DN6 y DN300, y mayores. La presión puede ser de 0,2 a 500 bar, y más. Las dimensiones se determinan según la aplicación. “Para poder almacenar gases licuados criogénicamente, la válvula ha sido diseñada para una presión máxima de 40 bar; en caso del dióxido de carbono, también hasta 80 bar y con el GNL, incluso un valor más alto”, comenta Schulenberg.

Los errores en el diseño de las válvulas pueden tener consecuencias graves. El grado de estandarización está aumentando en plantas para gases criogénicos. “Los sistemas para gases criogénicos están cada vez más estandarizados, es decir, es fundamental garantizar la precisión en el diseño de los sistemas de retorno, especialmente considerando los posibles efectos que pudiera tener una válvula de seguridad mal diseñada o una línea de suministro de dimensiones inadecuadas”, enfatiza el fabricante de válvulas Herose. Los costes pueden ser tremendos, e incluso podría ser necesario implantar una sustitución no programada debido a válvulas que no han sido correctamente dimensionadas. “La vida útil de las válvulas de seguridad aumentará significativamente si estos elementos se diseñan separados entre sí para los flujos máximos de masa para la carga de fuego, y los flujos mínimos de masa en caso de expansión totalmente térmica, la práctica que más se aproxima al funcionamiento normal”.

Se requieren varios tipos de válvulas para procesos criogénicos, por ejemplo: válvulas de aislamiento y válvulas de control con actuadores manuales, actuadores neumáticos y eléctricos, tales como válvulas de resorte, válvulas de mariposa, válvulas de bola y válvulas de corredera. Se utilizan también válvulas de seguridad, válvulas de retorno, válvulas de comprobación y reguladores de filtro y presión.

La demanda de las válvulas criogénicas ha aumentado, y muchos expertos están de acuerdo en que el GNL es el futuro. En 2015, la capacidad mundial ascendió a alrededor de 275 millones de toneladas. En 2018 ya se habrán agregado otros 65 millones de toneladas adicionales. Los expertos consideran que este crecimiento en la demanda de GNL es fiable: hasta 2030, la demanda “está programada para crecer al doble que la demanda de gas, a un ritmo del 4-5% anual entre 2015 y 2030”, prevé Maarten Wetselaar, director de gas integrado y nuevas energías de Shell. China e India son los países compradores con mayor crecimiento. Ambos aumentaron sus importaciones en 11,9 millones de toneladas en 2016. China e India seguirán impulsando la demanda.

Además, seis nuevos países importadores han contribuido a la demanda de GNL: Colombia, Egipto, Jamaica, Jordania, Pakistán y Polonia. Mientras tanto, el número de países importadores de GNL ha aumentado a 35, en comparación con los diez que había en el cambio de siglo. Por lo tanto, Shell considera que se deben realizar inversiones adicionales para satisfacer la creciente demanda, la mayoría de las cuales se espera que provengan de Asia después de 2020. El gobierno chino, por ejemplo, se ha marcado el objetivo de que el gas represente el 15% de la combinación energética del país para 2030, una cifra que aumenta con respecto al 5% registrado en 2015. Los fabricantes de válvulas criogénicas de alta calidad encontrarán un mercado lucrativo en Asia.

No es de sorprender que el GNL ofrezca grandes perspectivas de futuro. Su volumen es 600 veces menor en comparación con el gas natural, en su estado gaseoso. Esto permite que se pueda transportar y almacenar de manera mucho más eficiente, destacando por su versatilidad: el GNL se puede utilizar como materia, prima, como fuente de energía y como combustible para barcos y camiones.

Además, el gas natural licuado es mucho más ecológico que todos los demás combustibles fósiles, por ejemplo, cuando se trata de abastecer de combustible a los barcos. “El GNL no contiene azufre ni metales pesados y reduce las emisiones de CO en un 20-30% y las emisiones de NOX (monóxido de nitrógeno y dióxido de nitrógeno) en torno a un 90% en comparación con el gasóleo”, informa el fabricante de válvulas Herose. Sin embargo, Herose detecta “carencias en el desarrollo de una infraestructura de GNL con cobertura total, ya que todavía no hay suficientes puntos de abastecimiento de combustible para buques”, declara la compañía. “La construcción de barcos que funcionan con GNL es el futuro”. Los camiones también utilizan cada vez más el GNL como combustible: en las carreteras europeas ya hay más de 900 camiones operados con GNL.

Herose, uno de los proveedores líder en el mercado de GNL, ha reconocido el potencial del gas licuado. Esto incluye válvulas a pequeña escala homologadas según ISO 10479 por su diseño a prueba de incendios. Después de todo, lo más importante es garantizar la seguridad.

Los requisitos establecidos para las válvulas GNL son muy estrictos. “Los remolques para gas natural licuado criogénico están expuestos con frecuencia a condiciones extremas cuando son llenados, transportados y descargados en destino”, explica Herose. Para el almacenamiento de GNL, la vida útil y el rendimiento son tan relevantes como la absoluta seguridad y fiabilidad. Se requieren válvulas de alto rendimiento también para suministrar GNL. Este es un ejemplo de las altas exigencias que deben cumplir las válvulas criogénicas.