Las turbinas de gas son esenciales en la generación de energía, y se usan desde hace mucho tiempo. Se puede decir que se encuentran en un punto maduro tecnológicamente hablando. La utilización de hidrógeno como combustible ha reducido significativamente las emisiones de CO₂. Por eso, ahora se requieren retos para construir una turbinas de hidrógeno fiables para ampliar su uso.
Los desafíos más destacados en esta investigación y desarrollo son los siguientes:
Combustión: La alta reactividad del hidrógeno genera dificultades en la cámara de combustión, afectando la estabilidad y el control de la llama.
Durabilidad: El aumento de reactividad puede acelerar el desgaste de los componentes, reduciendo su vida útil.
Oxidación y corrosión: Las altas temperaturas y la presencia de hidrógeno favorecen la oxidación y la corrosión en los materiales expuestos a los gases calientes.
Efectos de los gases de escape: La combustión de hidrógeno genera un alto contenido de humedad en los gases de escape, incrementando la transferencia térmica en paredes y álabes.
Microestructura del material: A temperaturas elevadas, la microestructura de los materiales puede desestabilizarse, aumentando la susceptibilidad al creep y la oxidación.
Impurezas en el combustible: Contaminantes como el azufre o el vapor de agua pueden intensificar la corrosión en caliente al formar compuestos de bajo punto de fusión.
Selección de materiales para turbinas de hidrógeno
Son numerosos los materiales que se están testeando para el desarrollo de las turbinas de hidrógeno. Sin embargo, estos materiales son los que están ofreciendo un mejor rendimiento.
Aleaciones de níquel: Superaleaciones como Hastelloy X y Haynes 230 destacan por su alta resistencia térmica y a la corrosión, lo que las hace idóneas para cámaras de combustión.
Resistencia a altas temperaturas: Estas aleaciones funcionan bien en entornos con hidrógeno, nitrógeno y amoniaco, ofreciendo gran resistencia a la carburización y nitruración.
Riesgos del hidrógeno: Aunque robustas, las aleaciones como Haynes 230 pueden sufrir creep y fatiga térmica. Esto aumenta el riesgo de degradación por hidrógeno.
Protección y recubrimientos: Aplicar recubrimientos avanzados y seleccionar adecuadamente los materiales es clave para evitar la oxidación y el ataque por hidrógeno.
Efecto del revenido: Tratamientos térmicos por debajo de 1.177 – 1.246 °C pueden provocar precipitación de carburos en Haynes 230, comprometiendo su resistencia.
Pérdida de integridad: La precipitación de carburos puede generar empobrecimiento de cromo en los bordes de grano. Este efecto aumenta la susceptibilidad a la fragilización por hidrógeno (HE) y la corrosión intergranular, incluyendo la fisuración por corrosión bajo tensión (SCC).
Equilibrio entre rendimiento y estabilidad: Para maximizar la vida útil de las turbinas en entornos exigentes, es esencial encontrar un balance entre resistencia mecánica, estabilidad térmica y protección contra la corrosión.
Jupiter 1 la turbina de hidrógeno más potente del momento
Fuente: Dahzn
El funcionamiento de la turbina de hidrógeno
El funcionamiento de una turbina de hidrógeno es similar a la operación de una turbina con otros tipos de gases. El proceso comienza con el ingreso de hidrógeno a la cámara de combustión. El hidrógeno se mezcla con oxígeno y se quema en una cámara de combustión de la turbina. El gas fluye rápidamente por conductos controlados. Después, el hidrógeno se mezcla con aire. La mezcla se enciende y libera energía térmica. Esta combustión genera gases a alta temperatura y presión. La combustión del hidrógeno produce una gran expansión de los gases, que hace girar los álabes de la turbina y, a su vez, el eje conectado a un generador eléctrico.
A continuación, se produce la expansión y giro. Los gases de combustión expanden a través de una turbina de etapas. El gas de hidrógeno extrae la energía cinética para impulsar el generador. Los gases calientes se expanden con fuerza. Empujan las palas de la turbina y las hacen girar. Las palas giran a gran velocidad. El eje central transmite el movimiento al generador. El generador transforma el giro en electricidad. Los electrones se mueven y crean corriente eléctrica. El sistema controla temperatura y presión en todo momento. Los sensores ajustan el flujo para mantener estabilidad. El hidrógeno quema sin producir CO₂, solo genera vapor de agua.
La turbina puede arrancar rápido y parar rápido. Esto ayuda a equilibrar la red eléctrica. Las turbinas de hidrógeno se integran con renovables. Apoyan a la solar y la eólica cuando faltan, y permite el alamacenamiento de la energía.
Un caso de éxito de una turbina de hidrógeno al 100%
El proyecto Hyflexpower desarrolla la producción, almacenamiento y reelectrificación de hidrógeno 100% renovable. Para lograrlo, se emplea un electrolizador de 1 MW in situ para la producción de hidrógeno. Luego, este hidrógeno se almacena en un tanque de aproximadamente una tonelada y se utiliza como fuente de energía para alimentar una turbina de gas industrial Siemens Energy SGT-400. Este proyecto logró alimentar una turbina de hidrógeno con este gas puro sin mezcla de otro tipo de combustible fósil. Esto muestra la eficacia de la tecnología de la turbina de hidrógeno en aplicaciones industriales.
El proyecto Hyflexpower demuestra de manera concluyente que el hidrógeno puede ser un recurso eficaz para el almacenamiento flexible de energía. Además, destaca la factibilidad de adaptar turbinas convencionales preexistentes y transformarlas en turbinas de hidrógeno. Este enfoque se erige como un sólido impulsor para acelerar el proceso de descarbonización en las industrias intensivas en energía.
La sede del proyecto se encuentra en las instalaciones de Smurfit Kappa ubicadas en Saillat-sur-Vienne en Francia. Hace un par de años, se llevaron a cabo pruebas iniciales que permitieron que la turbina de gas industrial operara con una composición de hidrógeno del 30%, mezclada con gas natural. No obstante, el demostrador de energía a hidrógeno a energía ha demostrado que las turbinas de última generación, que hacen uso de tecnología seca de bajas emisiones, pueden funcionar eficazmente con un 100% de hidrógeno, así como con gas natural y cualquier combinación intermedia.
Hyflexpower
El consorcio Hyflexpower está participado por Siemens Energy, ENGIE a través de su filial ENGIE Solutions, Centrax, Arttic, el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) y cuatro universidades europeas. Aprovechando los resultados prometedores del demostrador Hyflexpower, se prevé una expansión del consorcio para incorporar nuevos miembros. Más allá de la producción de electricidad, el objetivo ahora se centra en extender su aplicación a la generación de calor industrial y otras modalidades operativas. Asimismo, se planea explorar estrategias para ampliar y comercializar la generación de electricidad descarbonizada.
En cuanto a la contribución de los miembros del consorcio, Siemens Energy, en calidad de líder, proporcionó el electrolizador para la producción de hidrógeno y desarrolló la turbina de gas de hidrógeno. ENGIE se encargó de la construcción de las instalaciones de producción, almacenamiento y suministro de hidrógeno para el demostrador. Centrax asumió la responsabilidad de la actualización del paquete de componentes para garantizar un funcionamiento seguro con hidrógeno como combustible. Además, el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) y las universidades de Lund (Suecia), Duisburg-Essen (Alemania) y University College London (Reino Unido) colaboraron en el desarrollo de la tecnología de turbinas de hidrógeno. Arttic desempeñó un papel crucial en la gestión operativa del proyecto, mientras que NTUA en Atenas (Grecia) llevó a cabo un análisis exhaustivo de aspectos económicos, medioambientales y sociales relacionados con el concepto.
Las declaraciones de los responsables de Hyflexpower
Karim Amin, miembro de la junta ejecutiva de Siemens Energy, destaca: “El conocimiento y la experiencia adquiridos en el proyecto Hyflexpower, donde instalamos la primera turbina de gas que funciona 100 por ciento con hidrógeno, nos ayudarán a continuar desarrollando toda nuestra flota de turbinas de gas para un futuro basado en hidrógeno. La interacción entre electrólisis, almacenamiento e hidrógeno La conversión en un sitio se ha demostrado de manera impresionante y ahora es cuestión de ampliar los resultados”.
Por su parte, Frank Lacroix, vicepresidente ejecutivo de Engie a cargo de Soluciones Energéticas, expresa su orgullo por el proyecto Hyflexpower, calificándolo de «notable» en virtud de la colaboración excepcional entre socios europeos, las tecnologías futuristas que ha validado y las perspectivas prometedoras que ofrece en términos de despliegue de hidrógeno renovable en los sectores industriales de difícil descarbonización.
Finalmente, Garrett Quinn, Director de Sostenibilidad de Smurfit Kappa, celebra el hito alcanzado al albergar el proyecto en sus instalaciones de Saillat, afirmando que «se alinea con nuestra estrategia de descarbonización y nuestro viaje hacia un Planeta Mejor 2050». Estos resultados prometedores sitúan a la empresa en una posición ventajosa en su compromiso con la sostenibilidad.
