Sistemas de combustión de hidrógeno para la descarbonización de la industria

Un gran reto al que nos enfrentamos en esta primera fase, en la que aún no hemos construido nuevas centrales eléctricas o plantas industriales para la utilización del hidrógeno como fuente energética, es la adaptación de las plantas existentes a este nuevo combustible menos contaminante que sus predecesores.

Afrontamos en los próximos años un nuevo reto en la transformación de nuestro modelo energético. La descarbonización se presenta como un elemento fundamental en nuestras vidas, no solo por la mejora de nuestro medioambiente, cada vez más deteriorado, sino como una nueva forma de entender las relaciones industriales y de mejorar nuestros procesos productivos desde otro punto de vista más global y no simplemente de rentabilidad económica, basada en el ahorro de costes de combustible. El elemento llamado a contribuir a este cambio de modelo energético, y posiblemente también de orden geopolítico, se llama hidrógeno.

A lo largo de la historia, las transformaciones energéticas han traído como consecuencia cambios en las sociedades que las han vivido y de las propias relaciones entre personas. La evolución que se produce con la utilización del carbón, especialmente durante el siglo XVIII y XIX, trasformó completamente la sociedad.

El carbón empezó a iluminar las ciudades, permitió la creación del ferrocarril, etc. De hecho, hoy en día sigue siendo un elemento fundamental para la generación de electricidad en muchas partes del planeta. Tras la Segunda Guerra Mundial, el relevo lo toma el petróleo. A partir de los derivados del petróleo obtenemos la mayoría de los productos que hoy en día utilizamos, tales como plásticos, detergentes, telas sintéticas, gasolinas para el automóvil, etc. Resulta obvia la transformación que esto ha supuesto en el siglo pasado. También durante la mitad de ese siglo comienza el uso masivo del gas natural en la aplicación industrial y de generación de electricidad, una opción menos contaminante que las dos precedentes y elección preferida en muchos países hasta la llegada de las energías renovables. Finalmente, a principios de este siglo una gran parte de la comunidad internacional parece tener claro que serán las energías renovables las que marquen el futuro energético del planeta a medio y largo plazo.

Muchas de estas no son rentables todavía, aunque si necesarias para evitar la destrucción del planeta. Especialmente en Europa se ha apostado claramente por esta vía de generación energética. La cuestión que se plantea es qué hacemos hasta que estas energías sean más rentables y podamos abordar una completa transformación a energías como la eólica, fotovoltaica y solar. Todo apunta a que la respuesta a esta cuestión la tiene el hidrógeno.

Diseño, suministro, instalación y arranque de quemador de hidrógeno. E&M Combustión.

La investigación y mejora de la combustión del hidrógeno se presenta como un elemento fundamental en la cadena de valor de este elemento. Existen varias tecnologías de generación de hidrógeno -algunas de ellas revolucionarias, en las que E&M Combustión proyecta participar como partner estratégico- que pueden hacer del hidrógeno una solución, no solo ecológica, sino además rentable en un corto plazo de tiempo. Todas ellas terminan mayoritariamente en un mismo punto de consumo. Este punto de consumo es la combustión de este hidrógeno.

E&M Combustion quiere aportar su granito de arena a esta tecnología con el desarrollo, fabricación e instalación de sistemas de combustión de hidrógeno cada vez más eficientes y ecológicos. Aunque desde el punto de vista económico pueda parecer un elemento no demasiado relevante en la instalación de una planta completa de generación de hidrógeno, si lo es desde el punto de vista de su aplicación final en las centrales de generación de electricidad, industria, etc. Es por ello que todos los pasos que se den en la mejora de esta tecnología irán asociadas a un gran beneficio social.

Un gran reto al que nos tenemos que enfrentar es que, lógicamente, no vamos a tener capacidad inicialmente de construir nuevas centrales eléctricas o plantas industriales para la utilización del hidrógeno como fuente energética, que también se hará, sino que lo normal es utilizar las plantas existentes y adaptarlas a este nuevo combustible. El éxito en la transformación de estas plantas que actualmente utilizan gas natural, fuel oil, gasóleo o carbón por su utilización con hidrógeno, supondrá un éxito como sociedad con esta nueva fuente de energía alternativa mucho menos contaminante que las anteriores. Se hace por lo tanto fundamental aportar y desarrollar una tecnología de combustión eficiente y lo menos contaminante posible de este combustible. E&M Combustión ya cuenta con experiencia en este campo y espera contribuir en los próximos años de una manera activa y de liderazgo en la mejora de estas instalaciones y la posible transformación energética que se nos presenta.

Desde el punto de vista técnico, tenemos que tener en cuenta algunos factores que van a ser fundamentales en la transformación de estas plantas ya existentes a la utilización de la combustión de hidrógeno, y especialmente a su aplicación a las calderas de las centrales de generación de electricidad. Establecemos inicialmente un cuadro con las características del hidrógeno en forma gas.

Tabla 1. Características del hidrógeno en forma gas.

El primer dato relevante que observamos en esta tabla es su poder calorífico. El poder calorífico que presenta el hidrógeno en forma gas respecto a otros combustibles es bajo, por lo que hay que tener presente que será necesario rediseñar y adaptar las tuberías de alimentación a los puntos de consumo. Si establecemos la comparativa por ejemplo con el gas natural, normalmente el poder calorífico inferior oscila entre los 8.500 a los 9.100 kcal/Nm³. Podemos observar, por lo tanto, que existe una diferencia de caudal de aproximadamente 3 a 3,5 veces en relación al gas natural para poder conseguir una transmisión de calor similar. Este hecho también obliga a la sustitución de los equipos de combustión por otros que sean capaces de manejar este caudal, además de otras características que citaremos a continuación.

Para el diseño de los equipos de combustión tenemos que tener en cuenta la baja densidad de este gas. Aunque el diseño de las lanzas e inyectores de hidrógeno son similares a los de otros gases, no debemos superar grandes velocidades de gas en estos puntos de inyección. La velocidad de propagación de llama del hidrógeno es aproximadamente unas 8 veces superior a la del gas natural, por lo tanto no es recomendable utilizar altas velocidades para la formación de llama. Es importante también para el diseño de los quemadores calcular la posible velocidad de un retorno de llama.

Otro de los aspectos a considerar es que la temperatura de la llama que se consigue con el hidrógeno es superior a la que se consigue con gas natural. La temperatura estequiométrica de llama con un gas, con un porcentaje de H2 de 99 % es de 1.985 °C, lo que supone aproximadamente unos 170 °C más que con el gas natural. Es por lo tanto necesario estudiar la adaptación de las llamas en los diferentes hogares de las calderas o equipos de generación térmica para ver las consecuencias de una temperatura de llama más elevada. Existen soluciones para bajar esta temperatura de llama como veremos más adelante, pero inicialmente tenemos que partir de esta premisa para evitar un deterioro de los hogares por una transmisión de calor excesiva por radiación. Igualmente, un control de la geometría de la llama se hace esencial a la hora de evitar daños en el interior de estos hogares o en los pasos de tubos de las calderas o generadores.

Existe un error de concepto muy extendido que consiste en considerar que el hidrógeno, o más concretamente la combustión del hidrógeno, no produce partículas contaminantes; en definitiva, que no genera emisiones de gases contaminantes de los denominados de efecto invernadero. Esto es un error muy extendido puesto que hablamos continuamente de la palabra descarbonización respecto al hidrógeno. Este término es correcto porque lo que nos permite el hidrógeno es eliminar la emisión de CO₂. Así, que si no tenemos presente el carbono en la reacción de combustión, evidentemente no vamos a producirlo en los gases. De ahí que no se emita CO₂ cuando se combustiona hidrógeno, pero si se emite NOx, que es otro de los conocidos como gases de efecto invernadero. Este gas es especialmente nocivo para la salud.

De hecho, la formación de NOx en la combustión del hidrógeno es uno de los factores sobre los que habrá que trabajar en los próximos años para poder ir reduciendo su formación. La razón de la mayor formación de óxidos de nitrógeno proviene de la mayor temperatura de llama del hidrógeno. Como ya hemos dicho con anterioridad, la temperatura adiabática de llama del hidrógeno es unos 170 °C más alta que la del gas natural, lo que favorece la formación del NOx térmico. La estimación de los valores de emisiones de NOx en un quemador normal se sitúa sobre los 210 – 240 mg /Nm³. Este valor está considerado sin la utilización de ninguna tecnología específica para la disminución de las emisiones de NOx de este gas. Este valor sobrepasa por ejemplo los valores permitidos por la Unión Europea para instalaciones de mediana y gran potencia.

Las normativas de emisiones se rigen por dos Directivas en la Unión Europea en estos momentos. Se trata de la directiva 2010/75/EU, aplicable a plantas de combustión de más de 50 MW térmicos, y la directiva 2015/2193/ EU, que afecta a instalaciones de combustión medianas con una potencia comprendida entre 1 y 50 MW térmicos. Los valores de emisiones que marcan estas dos normativas son las siguientes (los valores de emisiones están calculados para una temperatura de 273,15 K, una presión de 101,4 KPa y un exceso de oxígeno del 3%):

Tabla 2. Valores límite de emisión (mg/Nm₃) de N_x y CO para instalaciones grandes de combustión de gas según la Directiva 2010/75/EU.

Tabla 3. Valores límite de emisión (mg/Nm³) para las nuevas instalaciones de combustión medianas que no sean motores ni turbinas de gas. Directiva 2015/2193/EU.

Estos valores se aplican a instalaciones nuevas de combustión. En el caso de instalaciones existentes la normativa de instalaciones medianas de combustión establece otro nivel de emisiones, aunque cabe pensar que si vamos a transformar a hidrógeno cualquier planta existente se deberá tomar los valores considerándola como una instalación nueva. En estos momentos no existe una normativa explícita sobre el hidrógeno en materia de emisiones que seguramente habrá que establecer en los próximos años. En cualquier caso, si analizamos los valores de la actual normativa europea cabe pensar que el apartado que aplicaría al hidrógeno es el de combustibles gaseosos diferentes al gas natural. Por lo tanto, cabe pensar que si transformamos una instalación e incluimos un quemador nuevo, el límite de emisiones de NOx será de 200 mg/Nm³, que es el que marca el apartado mencionado con anterioridad de combustibles gaseosos diferentes al gas natural.

Nos encontramos ante la tesitura de que es muy posible que los quemadores actuales, sin la aplicación de ningún sistema de reducción de emisiones de NOx, superen este valor que nos marca la normativa existente.

• Recirculación de gases

La tecnología actual para la reducción de NOx está basada en su mayoría en una recirculación de gases para la disminución de la temperatura de la llama, y la consiguiente disminución del NOx térmico. Esta recirculación de gases puede ser interna o externa. ( Ver artículo de reducción de emisiones). Desde E&M Combustión apostamos por la realización de un sistema de recirculación externa de gases como método más efectivo para la disminución de los óxidos de nitrógeno.

Si recirculamos una cantidad de gases de combustión de aproximadamente un 15-20 % del total de gases emitidos por el generador, podemos disminuir las emisiones incluso por debajo de 100 mg/Nm³, que se correspondería con los límites actuales de emisiones correspondientes a una instalación nueva de gas natural.

Al aplicar esta tecnología de recirculación de gases conseguimos también disminuir la temperatura de llama, y por consiguiente, disminuir el calor que transmite la llama por radiación. Como ya hemos mencionado con anterioridad, uno de los problemas a los que nos podemos enfrentar a la hora de transformar instalaciones actuales, que han sido calculadas para otros combustibles, es su resistencia térmica a la temperatura de una llama de hidrógeno. Pudiera darse el caso que al final el hogar de una caldera o las soldaduras de las tubuladuras se vieran dañadas en un corto espacio de tiempo porque el calor que emite la llama de hidrógeno es superior al que emite el gas natural u otros combustibles, debido precisamente a que estos equipos no han sido calculados térmicamente teniendo en cuenta este factor. En definitiva, la recirculación de gases nos permitiría obtener temperaturas de llama más amables para los equipos ya existentes en el mercado y garantizar una vida media superior sin tener que disminuir por ejemplo la potencia térmica de los mismos.

• Mezcla con gas natural

Otra de las alternativas que ya ha testado E&M Combustión, y que puede ser un modo de operación muy viable de cara al futuro, es mezclar el gas de hidrógeno con un 15-20 % de gas natural. Las ventajas que nos aporta esta mezcla son básicamente las siguientes:

• La mezcla se enriquecería subiendo el poder calorífico de esta mezcla y consiguiendo una combustión más estable y eficiente.
• Se conseguiría una disminución de emisiones, puesto que las emisiones que se obtienen con el gas natural son inferiores a las del hidrógeno. La producción de NOx térmico disminuye con la combustión del gas natural puesto que su temperatura de llama es inferior.
• Se mejora la detección de llama, que es uno de los problemas que genera la combustión del hidrógeno y que trataremos más adelante en un capítulo especial.

Otra solución para esta mezcla es realizarla en el propio quemador, utilizando por ejemplo el gas en la parte central para dar más estabilidad de llama, y distribuir el hidrógeno en otros puntos del cabezal. El quemador estaría preparado para la admisión de dos combustibles a través de dos rampas de gas diferentes, una para cada combustible, con dos válvulas de regulación independientes.

Esta es una solución que podemos considerar de cara a futuro en instalaciones donde se está utilizando ya gas natural.

Vista quemador de hidrógeno.

Esto tiene una explicación muy sencilla. La llama de hidrógeno genera un espectro de llama fuera de los rangos de detección del ojo humano. De hecho, las llamas de hidrógeno presentan una emisividad muy baja, es decir, irradian muy poco en el espectro infrarrojo. Esto también genera un reto y es que la proximidad a una llama de hidrógeno puede generar una falsa sensación de calor, precisamente por su baja emisividad en el infrarrojo, cuando lo que va a suceder es que va a emitir una gran cantidad de radiación ultravioleta, lo que podría producir quemaduras graves por radiación.

La conclusión a esta breve introducción que hemos realizado sobre la detección de llama es que nos vamos a enfrentar a combustiones de hidrógeno en calderas donde no vamos a ver las llamas desde el exterior, salvo utilizando sistemas específicos para ellos. Estos sistemas serán cristales especiales polarizados o bien cámaras termográficas específicas para su detección. Esto va a generar complicaciones para el ajuste de los equipos dentro de las cámaras de combustión. Como se ha mencionado con anterioridad, se hace imprescindible estudiar con precisión las dimensiones de llama.

Para la seguridad de los quemadores, es necesaria la utilización de células especiales de detección que trabajen en ese espectro ultravioleta en el que se emite la llama de gas y además que sean capaces de detectar el “flickering “de la llama. El flickering no es más que las fluctuaciones que se producen en una llama. Estas fluctuaciones se deben al hecho de que el oxígeno aspirado y el combustible actual se están quemando, y aspiran simultáneamente nuevo oxígeno y nuevo combustible. Son como pequeños parpadeos o fluctuaciones. Por lo tanto, es interesante que las células, al margen de ajustar su medición en el espectro UV de mayor emisividad de la combustión del hidrógeno, también capten el flickering de la llama como doble seguridad.

Como hemos también mencionado en este artículo, otro de los retos que hace que las llamas se vuelvan más invisibles es la recirculación de gases. La experiencia previa con el gas natural ya nos muestra como a partir de un 25 % de recirculación de gases, las llamas se vuelven cada vez más invisibles para el ojo humano y también incluso las propias células especiales tienen mayores dificultades para su detección. Tenemos que tener en cuenta que este factor, que puede ser muy útil y efectivo para la reducción de emisiones, puede generar posiblemente un problema con la detección de llama. Sin duda va a ser otro de los retos que nos vamos a encontrar en las plantas de combustión de hidrógeno. Desde E&M apostamos por instalar varios sensores en los quemadores como medida de seguridad y sensores que sean calibrables y ajustables en diferentes espectros y también que sean capaces de detectar el flickering.

Existe una tendencia a pensar que el hidrógeno es más peligroso y explosivo que otro tipo de gases como puede ser el gas natural. La realidad es que los estudios demuestran que esto no es así, por lo tanto no hay que temer más al hidrógeno que a otro tipo de gases, aunque esto no significa evitar tomar todas las medidas de seguridad que sean necesarias en sus instalaciones, y en la parte que nos afecta, en las líneas de válvulas de seguridad de las instalaciones de combustión.

Lo primero que hay que decir respecto al hidrógeno es que la molécula de este gas es mucho más pequeña que la de otros combustibles, por lo que su capacidad para fugarse en las tuberías y en las uniones de válvulas es mayor que con otros combustibles, como podría ser el gas natural. De hecho, la probabilidad estudiada de que se produzcan fugas de hidrógeno va desde 1,3 a 2,8 veces superior por ejemplo a la del gas natural. Por otro lado, como ya hemos visto, el PCI del hidrógeno es desde 3 a 3,5 menor que el gas natural, por lo que en el cómputo total podemos afirmar que con una fuga de gas natural se libera más energía que con una de hidrógeno.

Por otro lado, la velocidad de propagación del hidrógeno es aproximadamente unas 2,9 veces más que la del gas natural. Teniendo en cuenta la diferencia de PCI volvemos a la conclusión de que la energía liberada por el gas natural es ligeramente superior también en este caso.

Otro de los aspectos a tener en cuenta es que el hidrógeno reduce su riesgo de explosión si se encuentra en espacios abiertos o bien ventilados. La molécula del hidrógeno es mucho más ligera que el aire y que el resto de combustibles, por lo que si se produce una fuga, esta tenderá a elevarse rápidamente y a dispersarse con mucha velocidad. Esto hace que en caso de que se produzca una fuga de hidrógeno la probabilidad de que este combustione es muy pequeña puesto que el tiempo al que está expuesta con el foco de calor es mucho más pequeño. El grado o energía de ignición del hidrógeno es también similar al del gas natural, por lo que no existe penalización en este apartado.

Concluimos por lo tanto, con esta introducción en seguridad, que el riesgo mayor de fugas que pueda provocar una explosión con hidrógeno se produce en espacios confinados donde no exista una ventilación, ya que en espacios abiertos no existe mayor riesgo que con otros gases. Recomendamos incluir detectores de hidrógeno en este tipo de espacios para evitar estos riesgos.

En la parte de combustión esto afecta al diseño de las tuberías de gas. Lo primero que tenemos que tener en cuenta es que las uniones de la tubería con las válvulas deben ser bridadas y utilizar juntas especiales para minimizar el riesgo de fuga. Es importante hacer una comprobación intensiva de fugas durante su instalación. Hemos observado que el riesgo de fuga es mayor con el hidrógeno, aunque el riesgo de explosión es menor. Igualmente los quemadores internamente deben utilizar juntas especiales para evitar posibles fugas de este gas.

Para minimizar el riesgo de explosión, otra alternativa sería fabricar el quemador y las líneas de gas con elementos que cumplan con la normativa ATEX antiexplosiva. E&M Combustion lleva muchos años realizando con éxito este tipo de fabricaciones para diferentes sectores como el petroquímico, refinería, etc, y es una de las propuestas que será necesario plantear antes de cada instalación de hidrógeno. Realmente ya hemos visto que el hidrógeno no es más peligroso que el gas natural, pero si existe una percepción social en este sentido, por lo que todo lo que hagamos para evitar accidentes y eliminar esta percepción irá en beneficio del propio desarrollo de esta tecnología.

Dentro de la normativa ATEX, el hidrógeno está incluido en el grupo IIC. Al margen de un estudio con mayor detalle para cada planta en concreto, nuestra sugerencia es situar los equipos que se instalen en los equipos de combustión y en las propias líneas de válvulas de seguridad asociadas a este dentro de la clasificación zona 1, y grupo IIC. Sería suficiente con instalar equipos con clasificación antideflagrante EExd aptos para el grupo IIC para estar cubiertos ante cualquier contingencia en cuanto a la posibilidad de deflagración en caso de fugas.

Otro de los puntos a los que nos vamos a enfrentar, sobre todo en las plantas ya existentes, es la modificación o rediseño de las tuberías en caso de que estas plantas estén funcionando con otros combustibles gaseosos. El factor principal para que sea necesario realizar estos cambios es la diferencia de caudal para conseguir la misma emisión térmica, debido a la diferencia que hay en el P.C.I. del gas comparándolo, por ejemplo, con el gas natural. Al margen de este apartado, tenemos que tener en cuenta la posible corrosión que el hidrógeno puede provocar en las tuberías. Este fenómeno es conocido con el nombre de fragilización.

La fragilización por hidrógeno es un tipo de corrosión en la cual el hidrógeno atómico se difunde en el material y se deposita en la estructura reticular del metal. El hidrógeno sufre una recombinación molecular, en particular en defectos y límites de veta en el material. El incremento de volumen asociado puede conducir a una presión interna alta y, por consiguiente, a esfuerzos a tensión internos, lo que hace frágil al material y crea grietas (llamado agrietamiento inducido por hidrógeno).

Hay tres factores que afectan en la fragilización del acero al carbono de las tuberías por parte del hidrógeno.

• La temperatura que tengamos en la canalización.
• La presión de trabajo del hidrógeno.
• El contenido de O₂ del hidrógeno.

En este artículo se ha pretendido explicar algunos de los cambios o retos que el hidrógeno va a introducir en el diseño y fabricación de equipos de combustión y su aplicación dentro de las plantas industriales, pero recomendamos siempre un estudio pormenorizado de cada instalación para evaluar la mejor solución en cada caso en concreto. Nuestro equipo de profesionales está siempre a su disposición para ayudarles en este nuevo modelo de transición energética.