Acelerando hacia Net-Zero con hidrógeno y simulación

El hidrógeno está preparado para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y ayudar a los principales sectores económicos a alcanzar sus objetivos de carbono cero neto para 2050. Esa es la fecha que acordaron muchos países durante una cumbre sobre el cambio climático a principios de este año, y que la Unión Europea, el Reino Unido y otros países ya han hecho legalmente vinculantes. Para alcanzar ese objetivo, se requerirá una revisión del uso de energía para muchas industrias y el avance de una serie de tecnologías emergentes, según la Agencia Internacional de Energía.

Sinergia entre industrias apunta a la adopción de hidrógeno

El hidrógeno es una parte importante de la solución para la neutralidad del carbono. Existen sinergias entre las principales industrias, como la aeroespacial, la energía y la automoción, para establecer una red de infraestructura sostenible para el hidrógeno. Proporciona muchos caminos hacia la sostenibilidad, desde el almacenamiento de energía hasta la producción y propulsión de energía más limpia, al tiempo que complementa otras soluciones, como las baterías.

Si observamos en detalle cualquiera de los sectores industriales, podemos ver el impacto potencial del hidrógeno para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Veamos la industria de la aviación como un ejemplo. Una hoja de ruta propuesta para el carbono neto cero propuesto para la industria de la aviación (ver figura 1) muestra que solo un combustible sostenible, como el hidrógeno, proporciona un camino realista hacia el cero neto para 2050. Es importante señalar que la electrificación continuará ayudando a reducir emisiones, especialmente con vuelos de corta distancia, pero más del 90% de las emisiones en el sector de la aviación son producidas por vuelos de medio a largo alcance, según el Grupo de Acción de Transporte Aéreo.

Se pueden hacer observaciones similares para otros sectores en los que las soluciones basadas en hidrógeno deben desempeñar un papel fundamental junto con otras tecnologías importantes, como la eficiencia energética, las baterías y la captura de carbono, para lograr el objetivo de cero neto.

“La disminución del contenido de carbono de la energía y la electrificación de muchas actividades económicas (por ejemplo, el transporte o la industria), que se benefician de la fuerte disminución de los costos de las energías renovables, son componentes clave de la hoja de ruta para alcanzar el objetivo de 1,5 C para 2050”, dice. Claude Heller, exdirector de programas de I+D del grupo para Air Liquide, que ahora es asesor sénior para la economía del hidrógeno. “En los llamados sectores difíciles de reducir (por ejemplo, la fabricación de acero o la aviación), la electrificación indirecta es posible a través del hidrógeno producido por electrólisis del agua con energía baja en carbono (por ejemplo, energías renovables o nuclear)”.

Tres desafíos clave en la democratización del hidrógeno en todas las industrias

Los tres desafíos principales con la democratización del hidrógeno son el costo, la infraestructura y la escala.

1. Coste

El costo de la producción de hidrógeno verde (hidrógeno producido con energía renovable) es de alrededor de $5 USD por kilogramo, lo que lo ha hecho menos competitivo en comparación con los combustibles pesados ​​en carbono como el gas natural o el queroseno. El alto costo está relacionado con la inversión y la demanda de infraestructura, que ahora está recibiendo un impulso debido a las regulaciones y las acciones proactivas que están tomando los gobiernos de todo el mundo.

La inversión en hidrógeno verde ahora supera los $ 1 mil millones de dólares por año. La mayor inversión, a nivel mundial, provino de la Unión Europea, que representa más de la mitad de las inversiones en proyectos basados en hidrógeno a principios de esta década. El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) acaba de lanzar la Iniciativa Energy Earthshots en junio para una transición energética acelerada. El primer Energy Earthshot, llamado Hydrogen Shot, apunta a reducir el costo del hidrógeno verde a $1/kg para fines de la década.

2. Infraestructura

Con una inversión significativa en un ecosistema de hidrógeno, los desafíos técnicos relacionados con el hidrógeno vuelven a estar en el centro de atención. Sin embargo, aún existen importantes desafíos de diseño en cada etapa, desde su producción hasta su almacenamiento y transporte, hasta su uso final. Uno de los grandes desafíos en todas las etapas es la eficiencia energética de los dispositivos involucrados. La eficiencia de las pilas de combustible oscila actualmente entre el 40 % y el 60 %, mientras que la eficiencia media del electrolizador es del 60 %. Las mejoras significativas en la eficiencia son posibles, pero requieren mucho tiempo en un entorno de diseño tradicional de construcción, prueba y mejora.

Por ejemplo, el hidrógeno muestra una gran promesa en la descarbonización de los sectores de aviación y generación de energía con su uso final en turbinas de gas debido a su alta densidad de energía y capacidad para quemarse. Sin embargo, quemar hidrógeno en los motores plantea varios desafíos técnicos, incluidos retrocesos de llama, inestabilidades acústicas, autoencendido y mantenimiento de la llama dentro del quemador.

Debido a su bajo peso molecular y densidad, el almacenamiento de hidrógeno en un espacio compacto también es un gran desafío. Necesita estar fuertemente comprimido o almacenado en forma criogénica/líquida. El diseño del tanque de almacenamiento, ya sea volando en el cielo en un avión o viajando en la parte trasera de un vehículo de celda de combustible en tierra, requiere una consideración especial para la fragilización, las fugas y el riesgo de seguridad asociado.

3. Escala

Finalmente, existen desafíos de uso final relacionados con el escalado de hidrógeno. El tamaño del sistema actual y el peso de las celdas de combustible son grandes, especialmente para aplicaciones aeroespaciales y automotrices. Es necesario mejorar su durabilidad y confiabilidad para la mayoría de las aplicaciones de transporte. La gestión térmica, del agua y del aire también son desafíos cuando se intenta mantener pequeño el tamaño del intercambiador de calor y el sistema en general.

“Las tecnologías de hidrógeno actuales (por ejemplo, electrólisis o celdas de combustible) son lo suficientemente maduras como para involucrar la economía del hidrógeno a escala para reducir los costos”, dice Heller. “Paralelamente, aún existe la necesidad de mejorar los procesos para disminuir los costos más allá del efecto tamaño. Para ese propósito, es esencial una mejor comprensión y el modelado de reacciones electroquímicas a escala molecular y procesos a nivel de sistema (por ejemplo, celdas o pilas).

Simulation Technology Enables Hydrogen Adoption

La tecnología de Ansys le permite superar los desafíos asociados con el hidrógeno al mejorar el rendimiento en cada fase de su ecosistema y acelerar el desarrollo de nuevas tecnologías para abordar el problema de los costos y la escala. Por ejemplo, ENHIGMA, un proyecto nacional que involucra a diferentes empresas, así como a centros tecnológicos y de investigación, usó la tecnología de Ansys para fabricar electrolizadores y celdas de combustible basados en membranas de intercambio de protones (PEM) duraderos, de bajo costo y energéticamente eficientes. Como se muestra en la figura 2, los investigadores del Centro Nacional del Hidrógeno (CNH2) optimizaron las pilas de celdas PEM mediante simulaciones de flujo en Ansys Fluent.

La tecnología de simulación de Ansys se utiliza para el diseño de celdas individuales, la selección de materiales rentables y livianos, la optimización del apilamiento de celdas para la eficiencia energética y la gestión térmica de la celda de combustible y el sistema de electrólisis en general.

El almacenamiento y el transporte criogénicos son el núcleo del ecosistema del hidrógeno. Las soluciones de compuestos de Ansys se pueden utilizar para diseñar recipientes criogénicos mientras imitan de cerca su proceso de fabricación. La herramienta de falla compuesta en Ansys Mechanical permite a los diseñadores evaluar los posibles modos de falla y las ubicaciones de falla en profundidad utilizando criterios avanzados de falla compuesta como Tsai-Wu, Puck y LaRC. Además, se puede utilizar para comprender el efecto de la fragilización y el inicio y la propagación de grietas, como se muestra en la figura 3.

Los motores de turbina de gas impulsados ​​por hidrógeno brindan el camino más prometedor para los esfuerzos de descarbonización en el sector de la energía y la aviación. Los desafíos técnicos más complejos de la combustión de hidrógeno, como el retorno de la llama, las inestabilidades acústicas y el autoencendido, se pueden caracterizar y abordar con simulaciones de alta fidelidad. La Figura 4 muestra la validación de la metodología de simulación CFD en Fluent para la combustión de hidrógeno frente a datos experimentales.

La Figura 5 muestra un gemelo digital de un sistema de pila de combustible creado en Ansys Twin Builder. Un sistema típico de producción de hidrógeno o una planta de pila de combustible basada en hidrógeno contiene muchos componentes. La mayoría de estos se pueden representar mediante un modelo simplificado, pero la mayoría de las partes críticas, como una celda de combustible o pilas de celdas PEM, se pueden representar mediante una ROM derivada de los solucionadores de física 3D de Ansys. La creación de ROM para este gemelo digital está habilitada por Ansys optiSLang, que automatiza la cadena de herramientas de simulación y se conecta a algoritmos para la optimización robusta del diseño (RDO). Con conexión a datos de sensores en vivo, este gemelo digital puede monitorear y optimizar las operaciones mientras permite el mantenimiento predictivo.

Al empoderar a los ingenieros para explorar más opciones de diseño de hidrógeno de manera más rápida y económica, la simulación ayudará a enfrentar los principales desafíos relacionados con una mayor adopción de hidrógeno. Ser capaz de diseñar y probar tecnologías relacionadas con el hidrógeno en un entorno virtual acelera el tiempo de comercialización, lo cual es fundamental a medida que los gobiernos y las industrias se apresuran a cumplir los objetivos de carbono cero neto para 2050.