Veronica Constantin, vicepresidenta de sostenibilidad global de Emerson, explica cómo la tecnología de automatización contribuye a acelerar la transición a una economía de combustibles limpios garantizando la producción segura de hidrógeno verde.
Veronica Constantin, vicepresidenta de sostenibilidad global de Emerson, explica cómo la tecnología de automatización contribuye a acelerar la transición a una economía de combustibles limpios garantizando la producción segura de hidrógeno verde.
El hidrógeno verde libre de carbono, producido mediante electrólisis y utilizando energías renovables, ofrece la posibilidad de poner fin a nuestra dependencia de los combustibles fósiles mientras trabajamos para alcanzar los objetivos climáticos. Sin embargo, hay que superar una serie de retos importantes relacionados con la producción, el transporte y la distribución antes de que podamos aprovechar su potencial. En la actualidad, la inmensa mayoría del hidrógeno se produce mediante métodos basados en el carbono, como el reformado del gas natural. Sin embargo, la industria está avanzando muy rápidamente, abordando áreas clave, como la necesidad de aumentar la producción de forma eficiente y reducir significativamente los costes de producción.
Los nuevos métodos de producción crean la necesidad de protocolos de seguridad adicionales para proteger a las personas y las infraestructuras. Centrarse en la seguridad siempre es importante, pero lo es más cuando la industria se está acelerando rápidamente a partir de una base de investigación y desarrollo. La producción ecológica de hidrógeno se encuentra todavía en una fase relativamente incipiente, lo que significa que la industria aún está aprendiendo y desarrollándose, y eso crea un mayor riesgo para la seguridad a corto plazo. Sin embargo, la disponibilidad de herramientas de software con aprendizaje automático, IA y tecnología de gemelos digitales puede ayudar a reducir significativamente ese riesgo al acelerar el proceso de aprendizaje.
Como todos los combustibles, el hidrógeno tiene un nivel de peligro asociado. El hidrógeno es altamente inflamable, incluso cuando solo se mezclan pequeñas cantidades con aire, siendo posible la ignición cuando la proporción de hidrógeno y aire es de solo el 4%. Es esencial evitar las situaciones en las que el aire y el combustible se juntan y existe la posibilidad de ignición por chispa o calor. La seguridad en la producción, manipulación y uso requiere la existencia de sistemas de control y seguridad adecuados y el establecimiento de directrices. Es necesario medir y controlar con gran precisión todo el proceso para garantizar un flujo de agua a alta presión suficientemente seguro, que evite temperaturas que puedan inflamar el hidrógeno gaseoso. También es necesario controlar la integridad de las membranas de los electrolizadores para evitar las llamas, detectar con precisión la mezcla de oxígeno e hidrógeno y proteger contra el vapor de agua en el sistema. Por último, la conductividad del agua suministrada a las chimeneas de electrólisis debe controlarse estrictamente y los niveles en los separadores deben medirse para evitar sobrellenados y evitar que el gas oxígeno contamine el sistema de agua.
Sistemas de control y seguridad
La seguridad de los procesos de las plantas ecológicas de producción de hidrógeno es ciertamente factible hoy en día, pero los fabricantes deben seguir cuidadosamente las mejores prácticas y las normas internacionales de seguridad. Las normas 61508 e IEC 61511 de la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) definen los requisitos de seguridad de los procesos y proporcionan métodos de aplicación, diseño, despliegue y mantenimiento de sistemas automatizados relacionados con la seguridad. Garantizar la seguridad de las nuevas plantas de producción ecológica puede ser todo un reto. Los activos críticos, como las unidades electrolizadoras, los compresores y la infraestructura de seguridad contra incendios y gases, suelen ser suministrados por distintos fabricantes de equipos originales (OEM). Aunque cada pieza del equipo puede incorporar cierto grado de funcionalidad de seguridad de la máquina, los OEM tendrán a menudo una visibilidad y comprensión limitadas de la seguridad del proceso en toda la planta. En general, los propietarios de las plantas no pueden delegar la propiedad de la seguridad de los procesos de toda la planta en un OEM.
La práctica aceptada en las plantas de producción a gran escala es que todas las funciones de seguridad de procesos de la planta estén centralizadas y gestionadas por un sistema integrado de control y seguridad (ICSS). Este tipo de sistemas ya existen en plantas de 100 megavatios (MW) y cada vez se adoptan más en plantas de 20 MW o más. Los ICSS actúan como el cerebro de las plantas de electrólisis y ayudan a simplificar las operaciones, aumentar la eficiencia de la producción y proteger los activos de forma fiable. Los ICSS permiten operar múltiples unidades de electrolizadores interconectadas de gran tamaño. Cuando se combina con instrumentación avanzada, incluidos sensores de presión, temperatura y conductividad del agua, caudalímetros, elementos de control final y sensor de detección de gas, el software ICCS puede supervisar constantemente el rendimiento y el estado de los equipos. Si surge algún problema, el sistema de seguridad puede llevar las operaciones a un punto seguro.
El control estable del proceso es esencial. Una planta bien controlada, que incluso podría ser autónoma, es siempre más segura que una planta con mucha variabilidad en el proceso, con bucles de control en estado manual y que requiere la intervención del operario. El reto de gestionar la producción mediante electrólisis aumenta cuando la energía se suministra directamente de fuentes renovables, como las turbinas eólicas. Un suministro eléctrico fluctuante puede afectar a la estabilidad del proceso y el ICSS debe seguir haciendo funcionar la planta de forma eficiente y segura.
El proyecto PoSHydon en el Mar del Norte, por ejemplo, pretende demostrar la viabilidad de la producción de hidrógeno ecológico en alta mar. El ICCS suministrado por Emerson gestiona la unidad de electrólisis, el proceso de desalinización, el suministro variable de energía y la mezcla con gas natural para su transporte a través del gasoducto existente.
La tecnología de gemelos digitales, que utiliza una réplica virtual basada en software de los activos y procesos de producción físicos, proporciona una herramienta inestimable para analizar diversos escenarios de diseño, como diferentes rectificadores o sistemas de purificación de agua, diferentes ideas de mejora del diseño del equilibrio de la planta y otros. Un gemelo digital también puede validar los esquemas de control y seguridad optimizados, incluidos los modelos de control avanzados y los procedimientos de arranque y parada. La tecnología de gemelos digitales también puede resultar esencial en el ámbito del cumplimiento de la normativa y la validación del concepto de seguridad propuesto cuando la instalación de electrólisis vaya a integrarse en plantas industriales existentes. Fundamentalmente, permite un cumplimiento y una validación rentables del sistema de control del proceso, así como de los procedimientos operativos.
Los sistemas no intrusivos de Emerson utilizan una exclusiva tecnología de sensores y transmisión inalámbrica de datos para controlar continuamente la pérdida de metal en las tuberías por corrosión o erosión.
Control de la temperatura y el caudal
Es muy importante controlar el caudal de agua que llega al electrolizador, ya que un caudal insuficiente crea el riesgo de que se produzcan aumentos de temperatura que podrían inflamar el gas inflamable. Normalmente, esta aplicación requiere varios dispositivos de medición del caudal, uno para el control y otro para el sistema de parada de seguridad. Otro reto puede ser el espacio disponible para los dispositivos de medición dentro de los diseños de electrolizadores compactos a pequeña escala. Los caudalímetros vortex más recientes proporcionan dos mediciones de caudal independientes en un solo cuerpo y requieren tramos rectos muy cortos para realizar mediciones precisas. Esto ayuda a superar este problema de limitación de espacio, garantizando al mismo tiempo el funcionamiento seguro del electrolizador.
La medición precisa y fiable de la temperatura también es importante. Los termopozos proporcionan la precisión necesaria para esta aplicación, pero añaden complejidad al diseño y aumentan la posibilidad de fugas. Lo ideal es que las mediciones de temperatura no sean intrusivas. Una opción es medir la superficie de una tubería. Sin embargo, esto no suele proporcionar la precisión ni la repetibilidad necesarias. Una solución a este problema es la tecnología que mide las temperaturas ambiente y de la superficie de la tubería, y calcula la temperatura del proceso mediante un algoritmo de conductividad térmica. Esto ofrece una medición de temperatura no intrusiva extremadamente precisa que, además, es muy fácil de implementar.
Control del caudal
Es necesario un control preciso del caudal, pero éste puede verse mermado por un rendimiento deficiente de la válvula de control debido a un dimensionamiento o selección incorrectos de la válvula y al desgaste. El mantenimiento regular debe evitarse tanto por razones de coste como de seguridad del operario. Todas las válvulas y elementos finales de control deben ser fiables en condiciones de alta vibración y alta presión y poder funcionar sin fugas. Como en todas las aplicaciones de proceso, la selección de la válvula adecuada es esencial, con válvulas que ofrezcan una gran rangeabilidad para garantizar un control preciso del caudal, una amplia cobertura de presión y temperatura y diseños que faciliten el mantenimiento. Las válvulas de alta presión específicas para cada aplicación que utilizan actuadores de doble etapa y diseños de bloqueo y purga son necesarias para cumplir los estrictos requisitos de cierre, especialmente en caso de emergencia. Para cumplir las normas sobre emisiones, minimizar las pérdidas de producto y aumentar la seguridad, debe utilizarse una tecnología superior de empaquetadura de válvulas con grafito expandido conformado que alcance la clase de emisiones más alta posible para su diseño.
Las válvulas de seguridad proporcionan protección contra la presión, pero si están sobredimensionadas se libera demasiado producto. Estos dispositivos deben tener una estanqueidad del asiento que impida fugas peligrosas. Las últimas válvulas de seguridad de modulación real permiten un funcionamiento más cercano a la presión de ajuste para aumentar el rendimiento del sistema, proporcionan descargas proporcionales para reducir las emisiones y ofrecen una estanqueidad del asiento de hasta el 98% para evitar fugas. Estos dispositivos incorporan comprobaciones de presión en línea que son muy sencillas de realizar y proporcionan tranquilidad.
El sistema ultrasónico de detección de fugas de gas Incus es ideal para la vigilancia de entornos exteriores bien ventilados.
Separadores de hidrógeno-oxígeno
Es importante controlar el nivel en los separadores de hidrógeno y oxígeno para evitar sobrellenados y que los gases de hidrógeno y oxígeno arrastrados pasen al sistema de agua. Se trata de una aplicación difícil, incluso para el radar de onda guiada, que en general proporciona mediciones extremadamente precisas y fiables. El despliegue de un radar con proyección del extremo de la sonda permite realizar mediciones precisas en medios de muy bajo dieléctrico, como los que se encuentran en esta aplicación. Además, los dispositivos de radar que ofrecen compensación dinámica de vapor pueden eliminar los errores de precisión asociados a las variaciones de presión y temperatura cuando hay vapor de agua presente. Esta funcionalidad proporciona certidumbre en las mediciones y garantiza un funcionamiento seguro y eficaz con un rendimiento optimizado, sin riesgo de sobrellenado.
Además de proporcionar una mayor visibilidad del proceso, los sensores inalámbricos no intrusivos pueden detectar con fiabilidad la mezcla de hidrógeno y oxígeno, identificar fugas y señalar posibles problemas de mantenimiento antes de que provoquen paradas. Del mismo modo, al proporcionar indicaciones tempranas de problemas con la calidad del agua antes de que entre en las unidades electrolizadoras, los sensores inalámbricos pueden evitar daños irreversibles en el hardware. Las soluciones de mellizos digitales permiten a los ingenieros simular y probar virtualmente nuevos diseños con maquetas de procesos en tiempo real, de modo que se puedan comprender mejor los defectos y las oportunidades de mejora de la eficiencia sin arriesgarse a que ello repercuta realmente en la producción.
Detección de fugas
Cabe destacar que algunas de las propiedades del hidrógeno hacen que su manipulación y uso sean más seguros que los de otros combustibles. Por ejemplo, el hidrógeno no es tóxico y, al ser mucho más ligero que el aire, se disipa rápidamente en caso de fuga. La fragilidad acentúa la posibilidad de fuga por daños en la infraestructura o en los equipos de apoyo, como los dispositivos de medición o control. La detección rápida de fugas es muy importante. Como ocurre con el gas natural, puede ser difícil identificar las fugas y añadir un odorante es una opción para ayudar a mejorar la seguridad. Sin embargo, los odorantes pueden contaminar las pilas de combustible, por lo que este método no es posible en todas las aplicaciones.
La detección precoz de escapes de gas a presión a la atmósfera es importante, pero pueden ser difíciles de detectar. En general, se detectan pocas fugas con las soluciones convencionales, como la vigilancia personal o la detección de gases en puntos fijos. Estos sistemas también pueden ser susceptibles de falsas alarmas que pueden afectar a la disponibilidad de la producción. La utilización de detectores ultrasónicos de fugas de gas y detectores de gas de punto y trayectoria abierta aumenta la eficacia de la detección y proporciona alarmas precisas, incluso en aplicaciones externas.
Si se produce una fuga de gas, es esencial localizar rápidamente el origen de la fuga y cortar el suministro a ese punto. El hidrógeno arde con una llama casi invisible a simple vista, pero las tecnologías de detección óptica de llamas detectan la radiación electromagnética emitida por las llamas. Sin embargo, las llamas pueden verse utilizando detectores de llamas UV/IR. La velocidad de detección es primordial y se han desarrollado detectores multi-IR que pueden detectar llamas a una distancia de hasta 90 metros en sólo milisegundos.
El mayor electrolizador de hidrógeno del mundo en las instalaciones de pruebas de HydrogenPro en Herøya, Porsgrunn, Noruega. HydrogenPro es líder en plantas ecológicas de hidrógeno a gran escala. Fotografía de HydrogenPro.
Conclusión
A medida que la producción de hidrógeno verde pasa de proyectos piloto de investigación y desarrollo a pequeña escala a plantas de producción a gran escala, la tecnología de automatización y control desempeña un papel esencial para garantizar la seguridad. Al proporcionar funciones de seguridad automatizadas y visibilidad en toda la planta de la información sobre el estado de los procesos y la maquinaria, la automatización avanzada permitirá operar una flota de plantas de producción de hidrógeno verde de forma autónoma y segura desde un centro de control, mantenimiento, diagnóstico y optimización.