Comprometidos con el Hidrógeno - H2

¿Cómo los científicos suecos están trabajando para cumplir la promesa de lograr una capacidad de hidrógeno del 100 por ciento en las turbinas de gas para 2030?

Jenny Larfeldt, profesora y experta principal en tecnología de combustión en Siemens Turbomachinery en Finspång, Suecia, ha estado investigando el uso de hidrógeno como combustible en turbinas de gas durante más de diez años. Durante este tiempo, Siemens ha aumentado con éxito el porcentaje de hidrógeno en la mezcla de combustible. Pero el objetivo final y el compromiso de la compañía son poder funcionar con hidrógeno 100% verde para 2030.

 

Por Nils Lindstrand

"Hay muchos de nosotros aquí en Finspång que estamos decididos a alcanzar el objetivo de una producción de energía totalmente renovable utilizando turbinas de gas", dice Jenny Larfeldt. Pero, ¿Cómo encajan las turbinas de gas y las energías renovables? Ella explica: Debido a su flexibilidad y cortos tiempos de aceleración, las turbinas de gas han demostrado ser muy efectivas para equilibrar la producción volátil de energía renovable. Estas turbinas podrían en el futuro ser alimentadas completamente con hidrógeno producido a partir de agua y electricidad renovable excedente.

 

Este llamado hidrógeno verde es básicamente una forma de almacenar energía renovable y, al utilizar la red de gas existente, puede resolver el desafío del almacenamiento estacional. "Es por eso que las turbinas de gas capaces de funcionar únicamente con hidrógeno pueden ser el eslabón perdido para establecer un sector de energía verdaderamente verde y sostenible", argumenta Larfeldt.

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Soluciones de ingeniería para salvar el mundo

Jenny Larfeldt siempre iba a ser ingeniera. La pregunta era en qué campo enfocarse. En el KTH Royal Institute of Technology en Estocolmo, comenzó sus estudios en el departamento de minería. Estaba intrigada con el área de la energía, y en un momento decidió tomar un curso de termodinámica avanzada. "Esto inmediatamente se sintió como mi hogar", recuerda.

 

Después de graduarse, Jenny Larfeldt decidió salvar el mundo. Se mudó a Gotemburgo para trabajar para Greenpeace. Pero no se contentaba con resaltar solo los problemas ambientales, quería resolverlos. Con los estudios de doctorado en la Universidad Tecnológica de Chalmers, obtuvo su doctorado en 2000 con una tesis sobre hornos de leña, que le ofrecieron la oportunidad adecuada para forjar una carrera en Investigación y Desarrollo – I+D.

 

“Luego tuve la oportunidad de trabajar con tecnología energética en una importante empresa industrial, Siemens en Finspång. Después de varios años como gerente del equipo de investigación, con mucho trabajo administrativo, ahora puedo postularme completamente como experto senior, centrándome en I+D ”. Hace tres años, Jenny Larfeldt también se convirtió en profesora adjunta en la Universidad de Lund.

Avance en la fabricación aditiva

En los últimos años, su búsqueda de soluciones se ha centrado en el importante desafío tecnológico de quemar gas hidrógeno. No solo es un combustible altamente reactivo, sino que su alta velocidad de llama amenaza con succionar la llama misma, lo que puede destruir el quemador.

 

"Utilizamos quemadores secos con bajo NOx, por lo tanto, para proteger el hardware del quemador, la velocidad de la mezcla de combustible y aire aguas arriba en el quemador debe ser mayor que la velocidad de la llama del hidrógeno", explica Larfeldt. “La clave para aumentar la relación de hidrógeno en la mezcla de combustible radica en el diseño del quemador: tuvimos que ajustar la inyección de combustible en consecuencia. Y nuestro avance llegó hace tres años cuando introdujimos la fabricación aditiva, o la impresión 3D, aquí en Siemens en Finspång ".

 

“Esta tecnología nos permitió ajustar el diseño dentro del quemador sin cambiar el exterior. A su vez, también nos ha facilitado la modernización de las turbinas existentes y acelerar drásticamente el desarrollo del diseño del quemador ".

La promesa de Siemens: 100% de combustión de H2

En enero de 2019, Siemens firmó un compromiso, junto con los miembros del organismo industrial EUTurbines, para aumentar gradualmente la capacidad de H2 en turbinas de gas a al menos un 20 por ciento para 2020 y un 100 por ciento para 2030.

 

A partir de hoy, las turbinas de gas de Siemens ya pueden cubrir una amplia gama de H2. Si bien las unidades aeroderivadas ya cumplen el objetivo 2030 hoy con sus sistemas húmedos de baja emisión (WLE) basados ​​en tecnología de quemador de difusión, requieren agua para reducir las emisiones de NOx. Para los sistemas secos de baja emisión (DLE), los resultados de pruebas recientes en los quemadores SGT-600 a SGT-800 demostraron la capacidad de lograr una combustión 100 por ciento libre de carbono en los próximos años. Estos avances recientes en la tecnología de quemadores han sido posibles gracias a la fabricación aditiva, que también garantiza que los componentes del quemador sigan siendo compatibles con los modelos anteriores.

 

El objetivo está a la vista: para 2030, las turbinas de gas de Siemens podrán, o pueden instalarse, funcionar completamente con H2.

Reducción de emisiones en el camino hacia la descarbonización

El uso de un porcentaje cada vez mayor de hidrógeno como combustible es de hecho un paso importante para descarbonizar la producción de energía, ya que su proceso de combustión no emite gases de efecto invernadero: solo produce energía y agua.

 

Si bien el camino se inicia hacia un futuro con hidrógeno 100% verde, el gas de hidrógeno que se usa actualmente en las turbinas de gas es un componente de los gases residuales de los procesos industriales que involucran combustibles fósiles, el llamado hidrógeno marrón, y la necesidad de reducir las emisiones nocivas persiste.

 

"Siemens tiene una ventaja en la gestión de estos desafíos, porque ya tenemos una tecnología que funciona a temperaturas más bajas que la mayoría de las alternativas", dice Larfeldt. Es por eso que otro aspecto de su trabajo se centra en limitar la temperatura, que es la clave para minimizar la producción indeseable de óxidos de nitrógeno, NOx.

Pruebas en Berlín y Finspång

La eficacia de los nuevos prototipos de quemadores se prueba primero un quemador a la vez y se mapea en diferentes condiciones de la turbina. Después de probar los quemadores en una sola configuración, el próximo desafío es probarlos en condiciones reales. Hasta enero de 2019, cuando el centro de pruebas en Berlín recibió una estación de mezcla de hidrógeno y se probaron varias quemadores impresos en 3D, todas estas pruebas tuvieron que hacerse en Finspång. En 2017, se probaron 30 quemadores dentro de la turbina de gas SGT-800 con bajas cantidades de hidrógeno, y al año siguiente se probó el SGT-600 con 18 quemadores. “Fue una gran sensación cuando establecimos que era posible hacer funcionar la turbina de gas con hidrógeno en condiciones reales. Fue un esfuerzo masivo de todos mis colegas en Finspång, y qué resultó ser un gran éxito ", comenta Larfeldt:" ¡Este es el fantástico esfuerzo del equipo de Finspång! "

 

Sin embargo, con cada prueba, queda un desafío logístico adicional. "Necesitamos grandes cantidades de gas hidrógeno, pero no hay producción a gran escala cerca de Finspång", explica Larfeldt. Se obtuvieron siete contenedores con hidrógeno a una presión de 250 bares de toda Suecia. “También obtuvimos hidrógeno ligeramente más grandes de Alemania. En conjunto, esto solo nos da suficiente gas de hidrógeno para hacer pruebas a gran escala durante menos de una hora ".

En el largo plazo

Como finalista de la competencia sueca Iron Man, Jenny Larfeldt sabe lo que significa la persistencia y la superación de los contratiempos. Y ella sabe que se requieren entrenamientos y pruebas rigurosas en condiciones realistas para llegar al límite y alcanzar el nivel de resistencia necesario para cruzar la línea de meta.

 

Del mismo modo, el objetivo de una capacidad de combustión de hidrógeno del 100 por ciento se logrará paso a paso, prueba por prueba. "Con las turbinas de gas alimentadas con hidrógeno podemos evitar fácilmente el "valle de la muerte", donde los inventos brillantes mueren antes de que escalen a su máximo potencial", dice Larfeldt. “Se pueden usar las mismas turbinas con diferentes porcentajes de hidrógeno en la mezcla de combustible, con hidrógeno marrón o verde. Las turbinas de gas existentes se pueden adaptar a los últimos estándares. Es una evolución orgánica ".

 

 

Algunos podrían haber esperado que las turbinas de gas fueran una especie en extinción en el contexto de la futura eliminación de los combustibles de carbono. En realidad, es todo lo contrario, señala Larfeldt, mientras se prepara para la próxima ronda de pruebas en Finspång: "Tienen un papel vital que desempeñar para lograr la producción de energía sin carbono".