Como vector energético versátil, el hidrógeno desempeñará un papel clave en el éxito a largo plazo de la transición energética.
Lamentablemente, con una proporción creciente de hidrógeno en las redes de gas natural y los sistemas GDRM, el comportamiento de las pulsaciones y vibraciones en las tuberías cambia debido a las diferentes velocidades del sonido. Por lo tanto, la conversión de un sistema de gas natural existente con respecto a una proporción creciente de hidrógeno debe analizarse lo antes posible en términos de tecnología de vibraciones. Para ello pueden utilizarse estudios de pulsaciones, ya que pueden revelar problemas potenciales con antelación. Al mismo tiempo, la supervisión continua de la planta puede aumentar significativamente la seguridad de las vibraciones. Así pues, se está desarrollando una nueva era de compresores alternativos para el almacenamiento y la compresión de hidrógeno: mientras que los turbocompresores están sujetos a graves limitaciones técnicas, los compresores alternativos presentan claras ventajas.
En el marco de la transición hacia fuentes de energía sostenibles, el uso del hidrógeno se impone cada vez más como solución. El hidrógeno es el elemento químico de menor masa atómica. En las condiciones que se dan normalmente en la Tierra, no se produce hidrógeno atómico H, sino hidrógeno molecular H2 como gas inodoro (Fig. 1).
Con la estrategia nacional del hidrógeno, el gobierno alemán se ha comprometido a un uso más diversificado del hidrógeno [1]. Su uso abre un gran potencial para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y debería contribuir de forma significativa a la consecución de los objetivos climáticos en el futuro. La red de gas natural de más de 500.000 kilómetros de longitud y las instalaciones de almacenamiento de gas natural existentes ofrecen un transporte favorable y enormes posibilidades de almacenamiento [2]. Sin embargo, es necesario aclarar numerosas cuestiones técnicas antes de que este planteamiento pueda hacerse realidad. El siguiente artículo trata específicamente de la compresión del hidrógeno utilizando las estaciones de compresión existentes.
Compresión de hidrógeno con turbocompresores
En el ámbito de los compresores de gas natural existentes, se distingue básicamente entre turbocompresores (máquinas de flujo) y compresores alternativos (máquinas de desplazamiento positivo). Sin embargo, el uso de turbocompresores para el hidrógeno no es fácilmente posible desde el punto de vista fluídico. Al comparar las propiedades básicas del gas natural y del hidrógeno (véase la tabla 1), además de las diferentes densidades, las diferencias en las velocidades del sonido son especialmente llamativas.
Tab. 1: Comparación de las propiedades de los materiales relevantes para la pulsación en la condición de referencia: Temperatura 0 °C y presión 1 bar
La compresión de hidrógeno con un turbocompresor sólo es posible si los triángulos de velocidad del sonido a la entrada y a la salida del impulsor permanecen iguales (similitud de Mach). Por lo tanto, para el hidrógeno puro se necesitaría un caudal cuatro veces mayor y una velocidad cuatro veces mayor (velocidad circunferencial). Esto es casi imposible de realizar para los sistemas turbocompresores existentes. Por este motivo, para aumentar la presión del hidrógeno se prefieren los compresores alternativos.
Compresión del hidrógeno con compresores alternativos
En comparación con los turbocompresores, el principio de compresión de los compresores alternativos permite utilizarlos casi independientemente del medio bombeado (Fig. 2). Sin embargo, cuando se cambia a un medio de bombeo distinto, el compresor, los amortiguadores de pulsaciones y las tuberías o el sistema de almacenamiento se enfrentan a propiedades de material completamente diferentes. Éstas tienen una influencia significativa en el comportamiento de pulsación de todo el sistema y, por lo tanto, pueden provocar un cambio en el comportamiento de vibración. Se plantea la cuestión de hasta qué punto un compresor de gas natural puede utilizarse para el hidrógeno desde un punto de vista dinámico. A continuación se expone un enfoque recomendado.
Fig. 2: Compresión de hidrógeno con compresores alternativos (Gráfico: Kötter Consulting)
Aspectos de los sistemas de compresores alternativos relacionados con las pulsaciones
Fig. 3: Instalación típica de compresor alternativo en disposición boxer de 4 cilindros con amortiguadores de pulsaciones en los lados de aspiración y presión para la compresión de gas natural El compresor alternativo (Fig. 3) puede utilizarse en diversos rangos de funcionamiento a casi cualquier relación de presión gracias a su modo de funcionamiento oscilante. Destaca especialmente por su robustez y su excelente eficiencia. Sin embargo, los elevados costes de mantenimiento y las fuerzas dinámicas, que pueden provocar un aumento de las vibraciones, suponen una desventaja.
Para evitar las vibraciones ya en la fase de planificación, se realizan cálculos previos en forma de estudios de pulsaciones, que proporcionan información sobre el diseño y dimensionamiento de los amortiguadores de pulsaciones, entre otras cosas. Éstos se instalan lo más cerca posible de las bridas de los cilindros y permiten una reducción inicial significativa de las pulsaciones de presión.
Influencia del hidrógeno en el comportamiento de las pulsaciones de los compresores alternativos
El uso de hidrógeno tiene numerosas influencias físicas en el comportamiento de pulsación de los compresores alternativos (Fig. 4). El proceso de compresión, así como la aspiración en la cámara de trabajo y la descarga de la misma, pueden asignarse al principio de funcionamiento real del compresor. El cambio en la acústica del amortiguador de pulsaciones y la influencia en la acústica de las tuberías describen a su vez la interacción resultante del compresor con el sistema.
Fig. 4: Influencia del hidrógeno en el comportamiento de las pulsaciones de los compresores alternativos
Proceso de compresión
El principal cambio durante la compresión en la cámara de trabajo de cualquier compresor es el aumento significativamente más pronunciado de la presión en función del volumen de la cámara (Fig. 4, arriba a la izquierda). Esto se debe al exponente isentrópico específico de la sustancia. Debido a la compresión muy rápida en la cámara de trabajo, se puede suponer aquí un proceso isentrópico. Con el mismo volumen de cámara al inicio de la compresión, la presión final se alcanza significativamente más rápido, lo que puede analizarse formalmente mediante la ecuación de relación isentrópica<1
Ecuación <1>
La ecuación muestra claramente que con exponentes isentrópicos mayores y la misma relación de presión, la presión final en el volumen de la cámara se alcanza en un momento anterior. Este efecto también se produce de la misma manera durante la expansión tras el final del empuje. Por tanto, el cambio a hidrógeno conlleva un mayor caudal volumétrico en comparación con el funcionamiento con gas natural. Sin embargo, este efecto es irrelevante si se tiene en cuenta la relación entre las dos densidades, que difieren en un factor de alrededor de 9 en función del estado. El resultado es un caudal másico significativamente menor.
Succión / descarga
Los cambios durante la compresión real en la cámara de trabajo también tienen un efecto en el proceso de succión y descarga. La figura 4 (arriba a la derecha) muestra el proceso de descarga en el lado de presión basado en la velocidad de flujo en función del ángulo del cigüeñal. Esto muestra claramente que las válvulas del compresor se abren ligeramente antes cuando se trabaja con hidrógeno, ya que la presión final se alcanza antes. Las mismas relaciones se aplican en el lado de admisión, donde la excitación acústica cambia debido al proceso de admisión o descarga. Estos, a su vez, tienen una influencia significativa en los componentes armónicos superiores individuales.
Este efecto influye positivamente en el nivel de pulsación. La impedancia acústica significativamente más baja (producto de la velocidad del sonido y la densidad del medio) conduce a fluctuaciones de presión más bajas con fluctuaciones de velocidad constantes. Mientras que las fluctuaciones de velocidad inducidas permanecen por tanto a un nivel similar debido al flujo de volumen similar, las fluctuaciones de presión inducidas son menores en este caso.
Amortiguador de pulsaciones
El diseño del amortiguador de pulsaciones es decisivo para el comportamiento operativo relacionado con las vibraciones de un sistema de compresores alternativos. Por este motivo, suelen diseñarse y fabricarse individualmente para cada proceso. Un factor de influencia decisivo es la velocidad del sonido del medio bombeado. Por lo tanto, es esencial comprobar qué comportamiento de pulsación se produce durante el funcionamiento con hidrógeno.
La figura 4 (abajo a la izquierda) muestra un ejemplo del efecto de amortiguación de un amortiguador de pulsaciones de alta calidad en un diseño de dos cámaras con un "tubo de estrangulamiento" en medio. Este diseño suele elegirse para compresores de gas natural. Sin embargo, si el mismo compresor funciona ahora con hidrógeno, la pérdida por inserción acústica se desplaza debido a la mayor velocidad del sonido. Como resultado, la frecuencia de descarga está ahora significativamente menos amortiguada, lo que conduce directamente a un aumento de las vibraciones.
Acústica de la tubería
Las pulsaciones que salen del amortiguador de pulsaciones llegan entonces al sistema de tuberías, en el que pueden producirse las llamadas "resonancias acústicas". La resonancia acústica siempre se produce cuando la longitud de una sección de tubería acústica y la frecuencia de excitación de una fuente de excitación están en una relación específica entre sí, teniendo en cuenta la velocidad del sonido. En este contexto, un ramal de tubería cerrado se denomina "acústicamente cerrado", mientras que una conexión de tubería en un contenedor corresponde a un extremo "acústicamente abierto".
La figura 4 (abajo a la derecha) muestra claramente que en los tramos de tubería suelen producirse diversas resonancias acústicas. La diferencia significativa entre la posición de la frecuencia de resonancia para el gas natural y el hidrógeno se debe, una vez más, a que las velocidades del sonido son muy diferentes. Además, se observa que los elementos de estrangulación instalados al planificar los sistemas existentes para amortiguar las resonancias acústicas (normalmente simples orificios o placas amortiguadoras de pulsaciones) tienen un efecto amortiguador considerablemente menor. En consecuencia, los efectos de resonancia son más pronunciados con el hidrógeno como fluido bombeado que con el gas natural.
Símbolo de la fórmula:
v (x, t) = velocidad del caudal
p (x,t) = presión estática
ρ (x,t) = densidad
T (x,t) = temperatura
κ = exponente isentrópico/politrópico
R = constante específica del gas
Z = factor real del gas
μ = viscosidad dinámica
INFO
Kötter Ingenieros Consultores:
Kötter Consulting Engineers es una empresa de ingeniería consultora independiente especializada en tecnología de ruido y vibraciones. Desde el asesoramiento en la fase de planificación y el apoyo durante la puesta en marcha hasta medidas de optimización o intervenciones de emergencia durante el funcionamiento, desarrolla conceptos de solución específicamente en las áreas de máquinas y sistemas, física de edificios y control de inmisiones y energía eólica. La cartera incluye estudios sobre dinámica de máquinas y mecánica de fluidos, estudios de pulsaciones, acústica técnica, control de inmisiones, vibraciones, energía eólica y física de edificios.
Desde sus dos sedes de Rheine y Berlín, la oficina de ingeniería presta apoyo a proyectos de clientes de todo el mundo. Fundada en 1978, Kötter Consulting Engineers emplea actualmente a unas 60 personas.
Bibliografía
[1] Estrategia nacional del hidrógeno del gobierno alemán para una aplicación más diversa del hidrógeno(https://www.bmu.de/download/nationale-wasserstoffstrategie/)
[2] Bick, D.S.; Schmüker, A.: H2-Tauglichkeit des Ferngasnetzes der Open Grid Europe-Status, erforderliche Anpassungen und Fahrplan zur Umsetzung. Actas del 34º Foro de gasoductos de Oldenburg.
