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Bosch Termotecnia dispone de varias versiones de calderas que pueden funcionar en distintos escenarios de implementación del hidrógeno en nuestras redes de suministro

El hidrógeno en las calderas a gas, el futuro de la calefacción

Manuel Ruiz, responsable de Formación y Soporte Técnico Bosch Termotecnia

26/03/2021

Hoy en día, en pleno proceso de descarbonización promovido por la Unión Europea somos conscientes de que no todo se puede electrificar. Y es que hay procesos que necesariamente precisan de la potencia instantánea que sólo es capaz de aportar la combustión de un combustible, algo que una fuente renovable no puede hacer a no ser que acumule energía. En este contexto, el hidrógeno verde como combustible para las calderas es la alternativa de futuro.

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Nos damos cuenta de que electrificar no nos lleva a una descarbonización como a la que nos hemos comprometido. Por ello, se vuelve fundamental pensar en nuevos vectores energéticos y nuevas fuentes de energía que sean siempre renovables. En este sentido, todas las miradas se dirigen al Hidrógeno Verde. Un gas renovable que al combustionar produce vapor de agua, no produce gases de efecto invernadero y nos permite reutilizar nuestras redes de distribución de energía en el país. Además, en su variante de gas como sustituto del actual gas natural complementa el transporte de energía eléctrica existente, ya que una sola red de transporte de energía (eléctrica o gasística) no podría soportar los consumos energéticos del futuro que nos llega.

Con todo ello, tras la publicación de la Hoja de Ruta del Hidrógeno se hace necesario valorar si también para el sector residencial sería apta la explotación y aplicación del hidrógeno como combustible renovable y si los fabricantes de equipos generadores de calor para calefactar la vivienda o producir a.c.s. también están preparados con equipos de alto rendimiento y sin emisiones de CO2.

En este sentido, Bosch Termotecnia, división perteneciente al Grupo Bosch, lleva años investigando el papel del hidrógeno en el proceso de descarbonización del mercado de calefacción, así como el funcionamiento de la caldera de hidrógeno para edificios residenciales y la aplicación del hidrógeno en el área comercial e industrial.

El sector del gas como vector energético

No sólo el almacenamiento de energía en forma de gas natural es importante a nivel mundial, configurándole como vector energético considerable, también la obtención de energía de la combustión del gas natural sigue siendo muy importante a nivel mundial.

A la hora de utilizar el gas natural, cada vez se plantea más su combinación con fuentes de energía renovables para crear sistemas híbridos donde la base energética se obtenga de la energía proveniente del sol o el viento. Este primer planteamiento está muy claro a nivel técnico y gubernativo; el problema se suscita cuando el sol o el viento no es capaz de suministrar la energía que se demanda en un momento determinado. Este es el desafío al que nos enfrentamos si queremos basar nuestra producción de energía en fuentes renovables. Tenemos la necesidad imperiosa de almacenar energía para poder ser utilizada cuando la demanda supere a la oferta energética, a lo largo del día o a lo largo de un periodo de tiempo relativamente largo.

Existen varias características de nuestra dependencia nacional en España del gas natural que tendremos en cuenta:

• La red de gas transporta un 40-52% más de energía final que la red eléctrica actual.

• El gas demuestra mejores opciones de almacenamiento y una fácil y rápida inyección de energía en las redes de transporte.

• El mix eléctrico en nuestro país depende del gas por el peso de nuestras centrales eléctricas de ciclo combinado que queman gas para la producción de energía eléctrica. Ya en el 2019, la energía proveniente de este tipo de centrales superó a la producción de energía nuclear.

• Dependencia de suministro de gas natural de terceros, que nos hace pensar en alternativas de producción de un gas sintético o de hidrógeno (base del gas natural sintético) independiente de yacimientos naturales que no tenemos.

En cuanto a las características del consumo de gas natural en nuestro país:

• El consumo de gas natural en 2019 por sector de actividad fue de 398 TWh, el más alto desde 2010.

• Para la generación eléctrica creció un 80% sustituyendo al carbón y reduciendo un 25% las emisiones de CO2.

• El sector industrial sube su consumo de gas un 2% hasta los 214TWh

• En el sector industrial y servicios, debido a la necesidad de altas temperaturas de proceso y costes de almacenaje no puede apoyarse al 100% en renovables o tecnologías basadas en bombas de calor.

• En el sector residencial, las energías renovables tan impulsadas recientemente requieren almacenar energía (agua caliente) en la vivienda constituyéndose la hibridación gas-solar como la mejor inyección de potencia instantánea (menos acumulación de energía) que la combinación de bomba de calor-fotovoltaica.

El PENIEyC y la Hoja de Ruta del Hidrógeno

En el Plan Estratégico Nacional Integrado de Energía y Clima (PENIEyC) nos comprometemos, en un horizonte situado en el 2030, a unas reducciones de emisiones de gases que provocan efecto invernadero del 23%. También se fija en un 74% la generación de energía eléctrica proveniente de fuentes renovables y en un 100% para el 2050, y por último, un compromiso de mejora de rendimientos energéticos de hasta un 39,5%.
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El objetivo del PENIEyC es descarbonizar, pero ya contempla que no sólo electrificando es posible cumplir con los compromisos anteriores. Tanto el PENIEyC como la Hoja de Ruta del Hidrógeno plantean descarbonizar también el vector del gas, aprovechar las infraestructuras gasistas, descentralizar la producción de gases renovables y terminar con la dependencia energética del exterior.

De esta forma, el PNIEyC contempla estos tipos de gases renovables para la producción de electricidad y sistemas de calefacción. Así establece que:

• Los gases renovables biogás, hidrógeno y gas natural sintético GNS, son la mejor integración sectorial entre el sistema eléctrico y la red de gas existentes.

• Los gases renovables son relativamente fáciles de almacenar y son más flexibles que la energía eólica o solar, ya que pueden producirse en diferentes cantidades y en diferentes períodos de tiempo para una aplicación y utilización inmediata cuando se vierten a la red de gas o se queman en una central de ciclo combinado para producir energía eléctrica.

• La producción de gas renovable implica el uso de la infraestructura de gas natural existente y al mismo tiempo es más ecológica que la del gas convencional.

• Además, tanto el H2 como el CH4 son combustibles alternativos también para la movilidad o como materia prima en la industria química, plantas de acero y las refinerías de combustible.

El hidrógeno: el gas renovable del futuro

Quizá sea la molécula del hidrógeno la más simple que nos encontramos en la naturaleza, y la más pequeña, pero con un potencial de producción de energía enorme. Su combustión produce únicamente vapor de agua (0 emisiones de CO2) y comparado con el Gas Natural al que aspira a sustituir tiene muchas ventajas:

• Es mucho más ligero que el gas natural, ya que posee una menor densidad en estado gaseoso por el tamaño de su molécula.

• Podríamos pensar en licuar el hidrógeno para su transporte pero, si se licúa, el H2 incrementa un 12% de energía a sumar a la consumida, que no sería viable. Tenemos la necesidad de elevar sus presiones de suministro.

Asimismo, es interesante considerar que para obtener la misma energía en el punto de consumo, debemos transportar y almacenar tres veces más de gas, por lo tanto, necesitamos mayores consumos y paso de gas por la actual infraestructura gasística. El hidrógeno es un gas que no se encuentra en la naturaleza, debe producirse, consumiendo energía y en algunos casos emisiones de CO2. Su coste de obtención está, hoy por hoy, muy por encima el coste de obtención del gas natural, por esta razón no se ha implantado como alternativa al gas natural.

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A nivel industrial o de producción del gas hidrógeno nos encontraremos básicamente tres tipos de hidrógeno como combustible:

• Hidrógeno gris: a partir de combustibles fósiles obtenido a partir de metano y vapor de agua, pero con producción de CO2 en su elaboración. Es el 96% de la producción mundial de H2.

• Hidrógeno azul: es el mismo proceso de obtención anterior pero cuando se captura las emisiones producidas de CO2.

• Hidrógeno verde: procedente de la electrolisis del H2O, con consumos eléctricos elevados (2,83 kWh para 1 m3 de H2 que puede liberar 2,99 kWh de energía). Éste es el punto débil del hidrógeno actualmente, y por lo que se están estudiando nuevos métodos en la reducción del consumo eléctrico en la producción de H2 para poder hacerle competitivo en costes y verdaderamente sea el sustituto del actual gas natural.

Sin embargo, las aplicaciones del Hidrógeno Verde las tenemos ya latentes y en muchos casos son funcionales:

• El hidrógeno se configura como único combustible utilizado en el vehículo eléctrico con pila de combustible como camiones y buques, donde el motor eléctrico no llega.

• Base también de pilas de combustible dedicadas al sector residencial para la producción de electricidad y aprovechar el calor residual para calefacción y preparación de a.c.s., constituyendo una equipo de cogeneración renovable.

• El H2 es la base del gas natural sintético y de algunos biocombustibles.

• Sustituto de combustibles que se consumen en la industria sin necesidad de almacenamiento (gas natural conducido por la red de gaseoductos).

• Aprovechamiento de infraestructuras existentes de gas natural: se trabaja a más presión con H2 y es necesario más volumen de acumulación de gas. La red de gas en España puede admitir ya desde un 6 a 8% de gas natural enriquecido con H2.

El hidrógeno en nuestras viviendas

Actualmente, todos conocemos las limitaciones que nos ofrece aplicar energías renovables para la calefacción y producción de a.c.s. en el sector residencial, ya que siempre necesitaremos acumular energía por medio de agua caliente (tanques de inercia, acumuladores de primario) y es innegable la lentitud para poder aplicar potencia de forma instantánea para conseguir agua caliente sanitaria o calentar la vivienda.

Dejando a un lado la inversión inicial y la necesidad de más espacio para acumuladores o unidades exteriores para la captación de energía renovable (solar o aerotermia), nos encontramos con limitaciones físicas a la hora renovar nuestras calderas murales a gas. Si no queremos renunciar al confort y disponibilidad de potencia que nos ofrece una caldera en un formato compacto de generador de calor, nos planteamos seriamente ofrecer al mercado calderas a gas que utilicen gases renovables como puede ser el hidrógeno mezclado en distintas proporciones con gas natural o biometano o incluso con gas natural sintético, o en el caso más extremo funcionando con hidrógeno al 100%.

Así, desde Bosch Termotecnia tenemos disponibles varias versiones de calderas que pueden funcionar en distintos escenarios de implementación del hidrógeno en nuestras redes de suministro. Estos escenarios están determinados por las distintas estrategias de las empresas distribuidoras del gas y de la administración, así nos podremos encontrar:

Escenario A: donde en la misma red gasista del país o región se introduce una fracción de hidrógeno que no supere el 10%. De esta forma, todo el parque de equipos instalados puede funcionar sin problemas sin necesidad de hacer ninguna adaptación o ajuste en calderas o calentadores instalados. Gradualmente se irá sustituyendo el gas natural por distintas proporciones de biometano o gas natural sintético para sustituir totalmente el gas natural procedente de yacimientos naturales.

Escenario B: llamado de islas, en las que se adaptan las redes de suministro y los equipos terminales para trabajar con hidrógeno al 100%. Para ello, necesitamos calderas preparadas para poder trabajar al 100% con hidrógeno pero sin transición, es decir no necesitan ajustes para trabajar a proporciones de hidrógeno diferentes al 100%.

Escenario C: en las que el parque de calderas actual se va sustituyendo gradualmente por calderas que pueden trabajar con el gas natural actual y con distintas proporciones de hidrógeno para que en el futuro puedan admitir hidrógeno al 100% haciendo un ajuste mínimo en dichas calderas.

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Para todos estos escenarios estamos preparados, y, por ello, en Bosch contamos con equipos que ya han sido probados desde 2017 en nuestra planta de Worcester e instalaciones piloto del Reino Unido.

• Calderas de 30 kW de calefacción y producción instantánea de a.c.s. a base de combustible H2 como solución de 0 emisiones y funcionamiento similar a una caldera mural de condensación.

• Conversión de gas natural a 100% de hidrógeno. Puede funcionar en gas natural y hasta una mezcla de H2 del 20%. En el momento que se cuente con suministro de hidrógeno en la red de gas, se puede convertir de gas y ajustarse sin necesidad de cambio de caldera.

• La mejor solución para reposición de calderas sin reforma de instalación y sin renunciar al confort y ahorro de la producción de a.c.s. instantánea.

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El hidrógeno en aplicaciones industriales

Para este tipo de aplicaciones, la Hoja de Ruta del Hidrógeno sí marca una serie de objetivos cuantificados como también lo hace para la producción, almacenamiento y movilidad. En concreto para el sector industrial se fijan un objetivo de utilización hidrógeno verde o renovable del 25% sobre el total de H2 consumido en toda la industrial para el año 2030, al que nos hemos sumado desde la división de Bosch Termotecnia en nuestro área comercial e industrial.

Existen muchos procesos industriales en los que por temperaturas necesarias en dichos procesos y nuevamente, por la necesidad de inyección de potencias de forma instantánea, no es posible la sustitución de calderas de combustión por energía renovable, más lenta y con necesidad de acumulación de agua a temperaturas más bajas que las de proceso.

En calderas industriales se puede prever la configuración del grupo térmico a utilizar con un sobredimensionado de un 10% de hogar de caldera para que en el futuro pueda ser cambiado su quemador de combustible fósil por un quemador de hidrógeno, que trabajará con materiales más estancos y permeables al hidrógeno y con velocidades de propagación de llama más altas propias del hidrógeno, con producción de energía en un tiempo reducido (altas potencias) y sin emisión de CO2 con altos rendimientos, tan altos como los puede tener una caldera de condensación.

Con todo ello, Bosch trabaja continuamente por cumplir con el objetivo de carbono ‘Net Zero’ del Gobierno para 2050 cuidando siempre del medio ambiente sin dejar de ofrecer el mayor confort a sus clientes.

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