Los programas de descarbonización y sostenibilidad están teniendo un papel relevante en casi todos los procesos y empresas del mundo.
Este cambio sigue acelerándose, ya sea debido al incentivo financiero de hacer más con menos, a un conjunto creciente de normativas medioambientales o a la presión de los clientes. Aunque hay muchos niveles de respuesta a este reto, la mayoría de las veces se trata de eliminar la combustión de hidrocarburos.
El interés por el hidrógeno como combustible de sustitución
Eryn Devola, vicepresidenta de sostenibilidad de Siemens Digital Industries, comentó que algunas empresas recurren a la electrificación para ser sostenibles y confían en las tecnologías de baterías para satisfacer sus demandas de almacenamiento de energía. De lo que no se habla tanto es del interés por el hidrógeno como combustible de sustitución.
El átomo de hidrógeno es la sustancia más común del universo y ofrece muchas ventajas sobre los combustibles fósiles utilizados hoy en día en la industria aeroespacial, la generación de energía y los procesos industriales. Cuando se utiliza en pilas de combustible, la única emisión es vapor de agua procedente del hidrógeno que vuelve a unirse con el oxígeno de la atmósfera. Además, el hidrógeno tiene la energía específica más alta de todas las fuentes de energía no nucleares y su combustión es más caliente y eficiente que la de cualquiera de los combustibles alternativos. Incluso puede utilizarse como sustituto directo en algunos procesos con una adaptación mínima.
“Todo esto es posible a partir de un combustible que puede fabricarse con agua y electricidad. Desgraciadamente, su despliegue a gran escala plantea dificultades. El hidrógeno podría revolucionar nuestros sistemas energéticos, pero antes de que eso ocurra los ingenieros necesitarán las mejores herramientas digitales para eliminar los obstáculos”.
Retos para fabricar hidrógeno
El primer reto a la hora de utilizar el hidrógeno para el almacenamiento de energía es alcanzar la escala necesaria para fabricar hidrógeno de forma sostenible. Aunque el hidrógeno puede producirse mediante muchos procesos diferentes, la única opción ecológica es hacerlo mediante electrólisis, es decir, separando el hidrógeno del oxígeno haciendo pasar una corriente a través del agua. El proceso más común hoy es la reformación del metano mediante vapor, utilizando gas natural como materia prima, pero las emisiones de carbono anulan las ventajas de utilizar hidrógeno en primer lugar.
El hidrógeno verde requerirá un aumento masivo de las instalaciones de electrólisis y una abundancia de electricidad renovable para alimentar el proceso.
Con un suministro estable de hidrógeno ecológico, utilizarlo de forma eficaz sigue siendo un gran reto. Es un gas increíblemente inflamable, el elemento con el radio atómico más pequeño, y almacenarlo a presión romperá el tanque de almacenamiento si no se diseña adecuadamente. El despliegue del hidrógeno a la escala necesaria para que tenga impacto requerirá la construcción de infraestructuras y redes logísticas para transportar adecuadamente el combustible allí donde más se necesite.
Cualquiera de estos retos sería suficiente por sí solo, pero el hidrógeno como almacenamiento de energía también sufre el impuesto de los primeros en adoptarlo. Actualmente, hay pocas aplicaciones que puedan utilizar eficazmente el combustible y las que pueden hacerlo se enfrentan a elevados costes derivados de la complejidad de su fabricación y suministro. La solución sencilla es crear un mercado más amplio para el hidrógeno en el lado de la demanda de la ecuación, y muchas empresas han lanzado productos en este sentido, pero llegar hasta ahí requerirá una ingeniería compleja con herramientas digitales completas.
Siemens Energy, líder en generación y almacenamiento de energía
Posiblemente, la industria energética sea la más avanzada en el despliegue del hidrógeno como fuente de energía. Empresas como Siemens Energy ya fabrican y venden turbinas de gas de combustible flexible a escala de red. Estas enormes turbinas son una iteración de sus diseños para la combustión de gas natural (metano), pero pueden cambiarse al hidrógeno como materia prima con una adaptación mínima. Esta capacidad hace que las turbinas sean valiosas durante el cambio al hidrógeno y a una energía más sostenible. Las empresas de servicios públicos pueden comprar hoy equipos que seguirán funcionando en los próximos años, cuando sea más eficaz utilizar hidrógeno.
Estos dispositivos también servirán para aprender a caracterizar mejor la física de la combustión del hidrógeno. Hemos tenido muchos años para comprender los entresijos de la combustión del metano. Para alcanzar rápidamente ese nivel de comprensión con el hidrógeno, necesitaremos la potencia del gemelo digital para diseñar, simular y validar las mejores turbinas específicas para el hidrógeno. Ya sabemos que el hidrógeno arde más y puede fragilizar los metales de forma similar a las reacciones de oxidación, pero el impacto de estas propiedades en el interior de una turbina de varias toneladas que gira a un elevado número de revoluciones por minuto no está del todo claro. Es probable que el hidrógeno desgaste las piezas más rápidamente, pero la rapidez es una respuesta importante, así como la forma de evitarlo por completo.
La demanda percibida de hidrógeno en el futuro está impulsando la innovación en todo el sector energético. Las instalaciones de gas natural existentes están investigando procesos de reformación con vapor bajo la superficie que dejan subproductos de CO2 en el yacimiento. Y con la aparición de pequeños reactores modulares, el uso de la energía nuclear para producir hidrógeno combustible con un suministro estable es otra conversación creciente entre las empresas energéticas. El hidrógeno como almacenamiento de energías renovables y como combustible derivado de fuentes sostenibles está impulsando el cambio en la cadena de suministro energético.
Escalabilidad, la clave de la revolución energética
La escala lo es todo para que el hidrógeno despegue como corriente energética alternativa. No sólo determina la disponibilidad del combustible para desplegarlo en nuevos productos y tecnologías, sino que también crea el incentivo de coste para que más empresas se pasen al hidrógeno. Una turbina de combustible flexible puede utilizar hidrógeno, pero a menos que sea más rentable, las empresas tienen pocos incentivos para hacerlo. Lo mismo puede decirse de cualquier otra tecnología o producto con el que se encuentre el ciudadano de a pie: si los aviones de hidrógeno son demasiado caros, muchos optarán por no volar, dejar de viajar o elegir otro modo de transporte. Y una vez que se alcance cierta escala, las empresas que utilicen hidrógeno tendrán su propio incentivo para hacer que el consumo sea mucho más eficiente, al igual que las decisiones empresariales actuales con respecto a los costes de la energía y los materiales.
Hacer todo esto es mucho más fácil si se trabaja dentro del mellizo digital integral. Las empresas que comienzan con un enfoque de sistema de sistemas y crean un ecosistema industrial conectado deberían disponer de todos los datos que necesitan para tomar las mejores decisiones, creando un negocio exitoso y sostenible.
“Los ingenieros pueden diseñar, probar y validar soluciones innovadoras en el mundo digital más rápidamente y con menos riesgos. Independientemente de lo que su empresa esté haciendo para crear un mundo más sostenible, mediante el almacenamiento de energía de hidrógeno, el transporte de emisiones cero o la optimización de los productos existentes para que sean más eficientes, un gemelo digital integral puede ayudar a acelerar el cambio hacia la sostenibilidad”, concluyó.
