Estado del arte de las estaciones de servicio de hidrógeno [TFM, 2022]

[1] [2] Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Máster Universitario en Ingeniería Industrial Estado del arte de las estaciones de servicio de hidrógeno Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: Paula Isabel Rosa Álvarez Tutor: Francisco Javier Pino Lucena Sevilla, 2022 Trabajo Fin de Máster Máster Universitario en Ingeniería Industrial Estado del arte de las estaciones de servicio de hidrógeno Autor: Paula Isabel Rosa Álvarez Tutor: Francisco Javier Pino Lucena Profesor Titular Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 Trabajo Fin de Máster: Estado del arte de las estaciones de servicio de hidrógeno Autor: Paula Isabel Rosa Álvarez Tutor: Francisco Javier Pino Lucena El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2022 El Secretario del Tribunal A mi familia A mi tutor Agradecimientos Me gustaría agradecer a mi familia el apoyo incondicional durante estos años de estudio, a mi padre, a mi madre, y a mis hermanos. A Alejandro por animarme a tener siempre un nuevo objetivo. A los profesores que he tenido durante estos años, y en especial a mi tutor, Javier Pino, por su disponibilidad y dedicación. Paula Isabel Rosa Alvarez Sevilla, julio 2022 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Propiedades del hidrógeno 14 Tabla 2: Comparativa de la densidad energética de combustibles 15 Tabla 3: Características Hyundai NEXO [18] 24 Tabla 4: Características Toyota Mirai 26 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Emisiones CO2 globales (Fuente: IAE) 11 Figura 2: Estadísticas del consumo energético en diferentes sectores [5] 12 Figura 3: Estadística de las emisiones de dióxido de carbono en diferentes sectores [5] 12 Figura 4: Evolución del precio del combustible en España (Fuente: dieselgasolina) 13 Figura 5: Evolución del precio del combustible en España en el mes de junio 2022 (Fuente: dieselgasolina) 13 Figura 6: Métodos de obtención del hidrógeno [10] 16 Figura 7: Diferentes vías de producción, almacenamiento, entrega y uso final del hidrógeno [11] 17 Figura 8: Stock de vehículos de pila de combustible por región [12] 18 Figura 9: Stock de vehículos de pila de combustible por segmento [12] 18 Figura 10: Clasificación de vehículos [5] 19 Figura 11: Componentes HEV 20 Figura 12: Esquema EV 20 Figura 13: Componentes FCEV 21 Figura 14: Batería de vehículo FCEV 22 Figura 15: Diagrama de la pila de combustible 22 Figura 16: Esquema de control de FCEV [16] 23 Figura 17: Diagrama del flujo de potencia [17] 24 Figura 18: Hyundai NEXO [20] 25 Figura 19: Esquema Hyundai NEXO [20] 25 Figura 20: Toyota Mirai 26 Figura 21: Honda Clarity Fuel Cell 27 Figura 22: BMW i Hydrogen NEXT 28 Figura 23: Hopium Machina 28 Figura 24: Hyperion XP-1 29 Figura 25: Coste de capital de la HRS en función de la capacidad 31 Figura 26: Esquema configuración HRS on-site [3] 32 Figura 27: Esquema HRS on-site [23] 32 Figura 28: Esquema HRS off-site [23] 33 Figura 29: Configuración de equipos HRS gaseoso 34 Figura 30: Configuración de equipos HRS líquido 34 Figura 31: Sección transversal del compresor. (a) compresor de pistón; (b) compresor de diafragma; (c) compresor lineal; (d) compresor de líquido iónico 35 Figura 32: Métodos de almacenamiento de hidrógeno 36 Figura 33: Diagrama densidad-temperatura del hidrógeno 37 Figura 34: Tipos de depósitos de hidrógeno comprimido 38 Figura 35: Depósitos tipo I 38 Figura 36: Depósito tipo II 39 Figura 37: Depósito tipo III 39 Figura 38: Depósito tipo IV 40 Figura 39: Dispensador HRS 42 Figura 40: Características de la curva de preenfriamiento y tasa de aumento de presión [25] 43 Figura 41: Electrolizador 43 Figura 42: HRS on-site en Sarreguemines (Francia) 44 Figura 43: Clasificación HRS 45 Figura 44: Hidrogenera de uso público en Zaragoza [26] 46 Figura 45: Estaciones de hidrógeno mundiales según la presión de suministro [11] 48 Figura 46: HRS mundiales en el año 2020 [27] 48 Figura 47: Evolución histórica del número de HRS [28] 50 Figura 48: Evolución de las HRS en Europa [29] 51 Figura 49: Estaciones de hidrógeno en España (2022) [28] 52 Figura 50: Previsión HRS en España 53 Figura 51: HRS futuras España [33] 54 Figura 52: HRS Tenerife [34] 55 Figura 53: Promedio de días para obtención permisos y desarrollos de las HRS 57 Figura 54: Demanda mundial de hidrógeno por sector 2020-2030 [12] 62 Notación HRS Estación de repostaje de hidrógeno BEV Vehículo eléctrico de batería HEV Vehículo híbrido EV Vehículo eléctrico puro FCEV Vehículo eléctrico de pila de combustible ICEV Vehículo de combustión interna H2 Hidrógeno diatómico CH4 Metano CE Comisión Europea CFRP Polímero reforzado con fibra de carbono PNNL Pacific Northwest National Laboratory PEMFC Celdas de combustible de membrana de intercambio de protones IEA Agencia Internacional de la Energía FR Freno regenerativo 1. INTRODUCCIÓN En el siguiente capítulo se describe la situación energética actual, caracterizada por el agotamiento de los combustibles fósiles y la subida de precios de estos, alcanzando máximos históricos, se realiza un breve resumen de la evolución histórica que ha sufrido el vehículo de hidrógeno, se comentan las principales características y ventajas del hidrógeno como combustible, así como las cifras de los últimos años en cuanto a unidades existentes en funcionamiento. Además, se recoge la información de los diferentes tipos de vehículos de hidrógenos y los diferentes modelos que existen a fecha de hoy. Y, por último, para cerrar el capítulo se comenta el objetivo de este trabajo. 1.1. Situación energética actual La situación energética actual se caracteriza por las altas emisiones asociadas al consumo cada vez más elevado de la población mundial. La población mundial y la urbanización global continúan creciendo, desde 2007, más del 50% de la población mundial vive en áreas urbanas, en 2014 había 28 megaciudades acumulando 453 millones de habitantes, y se espera que en 2030 sean 41 megaciudades. Uno de los problemas asociados a este aumento de población, es el incremento del transporte de personas y mercancías, y el impacto en las emisiones. El número de vehículos fabricados ha aumentado del año 2000 al 2019 en todo el mundo, de 41,22 a 70,47 millones por año [3]. En la siguiente figura se puede ver la evolución de las emisiones de CO2 a nivel mundial desde el año 1990 hasta la actualidad, en la que se observa el continuo crecimiento de estas. En esta misma figura se puede observar la disminución de emisiones que hubo en el año 2020 como consecuencia de la pandemia Covid-19. Figura 1: Emisiones CO2 globales (Fuente: IAE) Introducción 18 18 Figura 8: Stock de vehículos de pila de combustible por región [12] Figura 9: Stock de vehículos de pila de combustible por segmento [12] La realidad es que existen muchos obstáculos que restringen la aplicación comercial de la energía del hidrógeno, entre ellos, la construcción de la infraestructura HRS (Hydrogen Refueling Station) es uno de los principales obstáculos, esto se debe a que el aumento de la tasa de penetración del mercado de FCV requerirá la reducción del coste del hidrógeno para que los FCV puedan competir con alternativas, y a su vez, la reducción de los costes de los FCV depende en gran medida de la operación técnica de la infraestructura de reabastecimiento de combustible [13]. La transición a una movilidad basada en el hidrógeno requiere el desarrollo de una infraestructura que deba ser capaz de satisfacer la demanda de hidrógeno. A corto y medio plazo, la falta de infraestructura de distribución de hidrógeno puede superarse mediante la producción de hidrógeno in situ. Sin embargo, los costes de las plantas de producción, almacenamiento y distribución de hidrógeno son actualmente demasiado elevados y, en consecuencia, el coste nivelado del hidrógeno (LCOH) es elevado sobre todo si se produce a partir de fuentes renovables [14]. El desarrollo del sistema de vehículos se puede clasificar en tres grupos, vehículos con motor de combustion interna (ICEV), vehículos eléctricos híbridos (HEV) y vehículos totalmente eléctricos (AEV) [5]. 1. Vehículo con motor de combustion interna (ICEV): Los vehículos con motor de combustion interna utilizan una cámara de combustion para convertir la energía química del combustible fósil en energía cinética para hacer funcionar al vehículo [5]. 2. Vehículo eléctrico híbrido (HEV): incorporan dos motores de distinta naturaleza, un motor eléctrico y otro de combustion, de forma que hacen funcionar el vehículo juntos de manera eficiente en cuanto a combustible [5]. 3. Vehículo eléctrico (AEV): Todos los vehículos eléctricos o AEV son vehículos que utilizan únicamente energía eléctrica para la propulsion del vehículo. Según la fuente de energía seleccionada, los AEV se pueden clasificar en tres tipos: vehículos electricos de batería (BEV), vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV) y vehículos eléctricos híbridos de pila de combustible (FCHEV). La configuración del tren motriz de BEV y FCEV es similar, mientras que el tren motriz FCHEV es el resultado de la hibridación de batería y celda de combustible. Además, los BEV usan solo sistemas de almacenamiento de energía y los FCEV usan solo celdas de combustible, mientras que los FCHEV usan una combinación de celda de combustible y sistema de almacenamiento de energía para impulsar el vehículo [5]. Figura 10: Clasificación de vehículos [5] En las siguientes figuras se muestran los esquemas de diferentes tipos de vehículos con sus componentes principales: Introducción 20 20 Figura 11: Componentes HEV Figura 12: Esquema EV Figura 13: Componentes FCEV 1.2.1 Tipos de vehículos de hidrógeno Las principales ventajas del Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) son las siguientes: cero emisiones, ya que solo emite agua y calor, (aunque en este aspecto habría que tener en cuenta la procedencia del hidrógeno, ya que puede producir emisiones en su producción, excepto que la producción sea a partir de fuentes renovables, en este caso el hidrógeno es conocido como hidrógeno verde); abastecimiento de combustible rápido; conducción silenciosa; mejor economía y eficiencia de combustible; y fácil mantenimiento. Sin embargo, este tipo de vehículos también presenta una serie de desventajas, como pueden ser: autonomía limitada; estaciones de servicio de hidrógeno insuficientes; desafíos de almacenamiento y seguridad; precios elevados; y poco reconocimiento y popularidad [6]. Los principales componentes del tren motriz en un vehículo eléctrico de celda de combustible son: pila de combustible, que como se ha comentado anteriormente, el tipo de pila de combustible de baja temperatura y presión para los vehículos de hidrógeno más utilizadas son las tipo PEMFC, ya que muestran una alta densidad de potencia, una temperatura de funcionamiento más baja (60-80ºC) y una baja corrosión en comparación con otro tipo de pila de combustible; el sistema de suministro de hidrógeno a alta presión; el sistema de suministro de aire; el sistema de humidificación; el sistema de enfriamiento de la pila de combustible; la batería de almacenamiento; el motor de tracción y transmisión; y el módulo de control [6]. La electricidad generada en la pila de combustible se destina a la batería, que es la encargada de repartir la energía al motor o a los motores eléctricos de los que disponga el coche, también se puede destinar electricidad bajo demanda directamente de la Introducción 22 22 pila de combustible a los motores eléctricos. El sobrante de electricidad acumulado en la batería más la recuperación de energía conseguida a través de la frenada regenerativa se guardan en la batería [15]. En definitiva, las baterías de los vehículos tienen especial importancia en aspectos como son el arranque y el freno regenerativo. Figura 14: Batería de vehículo FCEV La pila de combustible es un dispositivo electroquímico que funciona mediante un proceso de conversión de la energía química del combustible, en energía eléctrica. Los reactivos de entrada (combustible y oxidante), alimentan a una celda donde la reacción tiene lugar en presencia de un electrolito, y se genera electricidad y agua. Es un sistema de cero emisiones porque no emite ningún gas de escape y solo produce agua y calor de las reacciones. Figura 15: Diagrama de la pila de combustible Existe una modificación del sistema de propulsión del FCEV que da lugar a una nueva configuración del vehículo de hidrógeno, denominada FCHEV, este tipo de vehículos adopta otro ESS auxiliar para soportar la pila de combustible. La batería o el ultracondensador se pueden usar como ESS, ya que se pueden cargar y descargar en función de la demanda y el suministro de energía [5]. 1.2.2 Convertidor En los FCEV, la energía eléctrica se genera a partir de la batería y a partir de la celda de combustible, y el objetivo principal de los FCEV es convertir la energía eléctrica de las celdas de combustible en energía utilizable para el motor del vehículo de uso eficiente. Para aplicaciones de accionamiento de motor y alto voltaje, el bajo voltaje se aumenta a 300 V mediante un convertidor CC-CC elevador. El controlador de tracción está adaptado para mantener la velocidad requerida del vehículo variando la amplitud y la frecuencia de la salida del inversor. En el sistema eléctrico del FCEV, el convertidor de potencia CC-CC bidireccional juega un papel clave para controlar el flujo de energía desde la celda de combustible hasta el motor de tracción, y desde el motor hasta la batería en el modo de frenado regenerativo. El convertidor de potencia DC-DC bidireccional controla el flujo de energía con la ayuda de controladores de tracción y voltaje. [16] Figura 16: Esquema de control de FCEV [16] 1.2.3 Freno regenerativo La autonomía es un aspecto fundamental en cualquier vehículo, es la distancia máxima que este puede lograr con una sola recarga, lo que hace indispensable el desarrollo de sistemas que permitan recargar las baterías con el vehículo en movimiento, sin depender totalmente de los puntos de recarga. En la actualidad, los modelos de los sistemas de regeneración de energía en los vehículos están enfocados al empleo del FR (Freno regenerativo). Este sistema convierte la energía cinética del motor durante el proceso de frenado en energía eléctrica. La energía eléctrica convertida por el FR es normalmente utilizada para cargar una batería, empleando el mismo principio del alternador [17]. Introducción 24 24 El funcionamiento del FR consiste en la utilización del motor para reducir la velocidad del automóvil al aplicar fuerza al pedal del freno. En este instante, el motor eléctrico funciona en dirección inversa, lo que reduce la velocidad del automóvil. Cuando el motor cambia de sentido de giro, empieza a actuar como generador (a), produciendo energía que puede emplearse en sistemas eléctricos, como la recarga de batería. Por el contrario, cuando el vehíulo está en condiciones de aceleración el motor gira en el otro sentido tomando energía de la batería (b) [17]. Figura 17: Diagrama del flujo de potencia [17] 1.2.4 Modelos actuales de vehículos de hidrógeno En este apartado se comentan los vehículos de hidrógeno que hay en el mercado actualmente y otros que estarán próximamente, así como sus principales características: • Hyundai NEXO: Característica Valor Potencia 135 kW (184 CV) Aceleración 0 a 100 km/h en 9,5 s Velocidad máxima 179 km/h Tiempo de recarga 5 min Autonomía 666 km Tabla 3: Características Hyundai NEXO [18] Este vehículo está a la venta en España desde el año 2018 a un precio de 72.850€. En este caso, el hidrógeno que genera la electricidad, a través de la pila de combustible, se almacena en tres tanques de 52,2 litros cada uno, ubicados bajo los asientos traseros y el maletero [19]. Figura 18: Hyundai NEXO [20] Figura 19: Esquema Hyundai NEXO [20] Introducción 26 26 • Toyota Mirai: Característica Valor Potencia 128 kW (182 CV) Aceleración 0 a 100 km/h en 9 s Velocidad máxima 175 km/h Tiempo de recarga 3 min Autonomía 650 km Tabla 4: Características Toyota Mirai En noviembre del año 2020, Toyota inició la producción de la segunda generación que presentó en Tokio a finales del año 2019. El modelo, totalmente nuevo, incorpora avances en tecnología, eficiencia, rendimiento y diseño. Un sistema de celda de combustible optimizado y tres tanques de hidrógeno de mayor volumen que permiten un 30% más de autonomía que el modelo anterior, llegando hasta los 650 km. El precio de este vehículo es de 65.000€. El Toyota Mirai ha sido el elegido para ser el primer modelo de taxi impulsado por pila de combustible de hidrógeno en Madrid, que ya cuenta con la autorización del Ayuntamiento para prestar servicio, aunque el verdadero desafío será el repostaje, ya que en Madrid solo existe un surtidor de hidrógreno para automoción [18]. Figura 20: Toyota Mirai • Honda Clarity Fuel Cell: La potencia de este vehículo es de 103 kW (174 CV) y 300 Nm de par máximo, debido a que la segunda generación de este modelo consiguió mejorar el tamaño y la capacidad de la pila de combustible en un 30%, su autonomía es de 580 km y el precio es de 55.000€. [18] La mala noticia para este vehículo es que Honda ha decidido cesar su producción tras varios años de comercialización poco exitosa en diversos países del mundo, entre los que no se encuentra España [21]. Figura 21: Honda Clarity Fuel Cell • BMW i Hydrogen NEXT: Es un modelo que estará próximamente en el mercado. La marca actualmente está sometiéndolo a pruebas y se espera su presentación durante el año 2022. El vehículo incorpora parte de la tecnología que el grupo ha desarrollado gracias al acuerdo suscrito con Toyota en 2013. La potencia del vehículo es de 275 kW (374 CV), y el sistema incorpora dos tanques de hidrógeno de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP), la capacidad de cada uno es de 6 kg de hidrógeno, almacenado a 700 bares de presión, y su repostaje requiere entre 3 y 4 minutos [18]. Descripción de una Hidrogenera 34 34 Figura 29: Configuración de equipos HRS gaseoso Figura 30: Configuración de equipos HRS líquido A continuación, se profundiza sobre cada uno de los componentes de la HRS: • Compresor: El sistema de compresión de hidrógeno es el núcleo de toda la HRS y domina su coste. En la actualidad, las tecnologías de compresión de hidrógeno incluyen principalmente compresión mecánica y compresión no mecánica, siendo los compresores mecánicos los más utilizados. Los compresores mecánicos, a su vez, se dividen principalmente en cuatro categorías: compresores de pistón, compresores de diafragma, compresores lineales y compresores de líquido iónico [13]. Figura 31: Sección transversal del compresor. (a) compresor de pistón; (b) compresor de diafragma; (c) compresor lineal; (d) compresor de líquido iónico - Compresor de pistón: utilizan el motor para impulsar el mecanismo de biela manivela, que actúa directamente sobre el pistón en el cilindro para realizar el proceso de succión y escape. Debido al gran caudal del compresor, se suelen utilizar en HRS con una gran capacidad de repostaje diario. En la actualidad, los compresores de pistón cuentan con tecnología madura y de bajo coste, lo que los convierte en la mejor opción para la compresión de hidrógeno a alta presión. - Compresor de diafragma: es un compresor de desplazamiento positivo de estructura especial. El gas y el aceite hidráulico están aislados, por lo que el gas descargado tiene alta pureza, buena disipación de calor y gran relación de compresión. Es adecuado para subestaciones HRS con poco repostaje diario, debido al pequeño volumen. Este tipo de compresores se suelen utilizar en HRS de demostración. - Compresor lineal: en comparación con los compresores anteriores, el diseño de todo el sistema es más simple, lo que genera un ahorro de costes significativo. Otra ventaja de este tipo de compresores es que el pistón y el cilindro están separados por un sistema de cojinetes de gas, lo que permite un Descripción de una Hidrogenera 36 36 funcionamiento sin aceite, mayor eficiencia y tamaños físicos más pequeños. Hoy en día, los compresores lineales se utilizan especialmente para aplicaciones criogénicas que involucran hidrógeno y helio, refrigeración electrónica y refrigeración doméstica. - Compresor de líquido iónico: utilizan columnas de líquido iónico para comprimir el gas natural e hidrógeno. En comparación con los compresores de pistón, el consumo de energía se puede reducir en aproximadamente un 20% y no se requiere un intercambiador de calor adicional. Además, los compresores de líquido iónico tienen menos componentes móviles y una vida útil más larga, pero tienen un coste más alto, un periodo de entrega más largo, un mayor consumo de energía y una tecnología inmadura [13]. • Tanque de almacenamiento de hidrógeno: Los diferentes métodos de almacenamiento pueden dividirse en dos grandes grupos: almacenamiento físico (hidrógeno comprimido, hidrógeno criocomprimido e hidrógeno líquido) y almacenamiento sólido o mediante materiales (uso de hidruros metálicos u orgánicos, uso de materiales absorbentes o uso de compuestos químicos que contengan hidrógeno), estos últimos, están siendo objeto de gran investigación, pero hoy en día, los más extendidos son los métodos de almacenamiento físico [24]. Figura 32: Métodos de almacenamiento de hidrógeno En la siguiente figura se ven las regiones correspondientes a las tres formas de almacenamiento físico del hidrógeno, así como la variación de su densidad para distintas presiones y temperaturas. El almacenamiento líquido y sobre todo el criocomprimido presentan grandes ventajas, pero se encuentran en una fase experimental, siendo el almacenamiento de hidrógeno comprimido el más empleado actualmente [24]. Figura 33: Diagrama densidad-temperatura del hidrógeno En los actuales vehículos de pila de combustible de hidrógeno, el hidrógeno se presuriza a 700 bar en tanques especiales, pero en las HRS, el hidrógeno puede encontrarse incluso a 1000 bar. Por ello, las condiciones de los tanques de almacenamiento son muy especiales, tienen que soportar grandes tensiones y un número de ciclos a fatiga por carga y descarga del depósito. Por otro lado, los materiales empleados tienen que ser lo menos susceptible posible a la fragilización por hidrógeno. Debido al pequeño tamaño de las moléculas de hidrógeno, estas son capaces de penetrar a través de distintos materiales lo cual debe tenerse en cuenta para el diseño de los tanques, además, debe tenerse en cuenta los aspectos de seguridad debido a posibles fugas o accidentes. Actualmente, existen cuatro tipos de tanques de almacenamiento y transporte de hidrógeno: [24] En general, los tipos I y II se emplean en aplicaciones estacionarias como laboratorios o hidrogeneras, y los tipos de tanques III y IV, suelen emplearse en vehículos. Descripción de una Hidrogenera 38 38 Figura 34: Tipos de depósitos de hidrógeno comprimido ▪ Tipo I: Son depósitos sin costuras, fabricados con acero o aluminio. Pueden operar a presiones no superiores a 175 bar (aluminio) y 200 bar (acero). Este tipo de depósitos es muy pesado y tiene paredes muy gruesas, lo que provoca que su capacidad gravimétrica sea muy pequeña, en torno al 1%, esto quiere decir que, del peso total del tanque lleno, tan solo un 1% es hidrógeno. Este tipo de tanques son una opción económica para el almacenamiento de hidrógeno en determinadas aplicaciones estacionarias, y son los que se usan en los laboratorios [24]. Figura 35: Depósitos tipo I ▪ Tipo II: Son tanques metálicos, de acero o aluminio, sin costuras y reforzados con materiales compuestos de fibra de carbono o vidrio en la dirección del aro en la sección cilíndrica del depósito. Este tipo de tanques soportan presiones de 700 bar y hasta 1000 bar. Este tipo de tanques siguen siendo muy pesados, lo que no les hace viables para su uso en automoción, sin embargo, suelen emplearse como depósitos de alta presión en las hidrogeneras [24]. Figura 36: Depósito tipo II ▪ Tipo III: Constan de un forro metálico interno con o sin costuras a fin de evitar las fugas de hidrógeno por difusión, recubierto todo ello por un material compuesto dispuesto en distintas direcciones. La parte metálica es normalmente de aluminio, aunque también puede ser de acero. Los más resistentes son aquellos que emplean fibra de carbono como material compuesto, siendo capaces de soportar hasta 700 bar. La eliminación de paredes gruesas de materiales metálicos y el mayor uso de materiales compuestos hace que el peso de estos depósitos disminuya en comparación a los de tipo I y II [24]. Figura 37: Depósito tipo III Descripción de una Hidrogenera 40 40 ▪ Tipo IV: Consta de un forro interno de material plástico, generalmente polietileno de alta densidad, para evitar la difusión del hidrógeno, reforzado mediante fibras de carbono en distintas direcciones que recubren todo el forro de plástico. En la parte más externa puede contar con un recubrimiento de fibra de vidrio a fin de proteger la superficie externa. Estos tanques tipo IV mantienen las válvulas metálicas para poder llevar a cabo la recarga del depósito y el suministro de hidrógeno. En cuanto a la presión máxima que son capaces de soportar, esta se encuentra en torno a unos 700 bar. Al eliminar prácticamente todo el material metálico del depósito, los tipos IV son mucho más ligueros que los tipos I y II. Sin embargo, el forro interno de plástico es peor barrera a la difusión del hidrógeno que los metales. Por otra parte, aunque los depósitos tipo IV son mucho más ligueros que los tipos I y II, también son mucho más caros debido al uso de una gran cantidad de fibra de carbono. Con ellos es posible llegar a alcanzar una densidad gravimétrica de hidrógeno de hasta el 11.3 %, en comparación al 1% del tipo I [24]. Figura 38: Depósito tipo IV Es uno de los equipos centrales de las HRS, que determina en gran medida la capacidad de suministro de hidrógeno. Para que los FCV alcancen un kilometraje de 400 km después de una sola carga de hidrógeno, la presión ideal de almacenamiento de hidrógeno a bordo es de 35 a 70 MPa. Los recipientes de almacenamiento de hidrógeno suelen adoptar una presión de almacenamiento de tres etapas de baja presión (20-30 MPa), media presión (30-40 MPa) y alta presión (40-75 MPa). A veces, los remolques de tubos de hidrógeno (10-20 MPa) también se utilizan como instalaciones de almacenamiento de primera etapa y constituyen un método de almacenamiento de cuatro etapas. Normalmente, la presión de trabajo del recipiente de almacenamiento de hidrógeno en 35 MPa HRS es de 45 MPa, y la presión de trabajo del recipiente de almacenamiento de hidrógeno en 70 MPa HRS es 87,5 MPa. El reabastecimiento en cascada reduce el consumo de energía de enfriamiento en comparación con el reabastecimiento en una sola etapa, además, existen muchos factores que afectan a este consumo de energía de refrigeración, que está en función del número, presiones iniciales y volúmenes de los tanques de almacenamiento. A medida que aumenta el número de tanques de almacenamiento en cascada, el consumo de energía del sistema disminuye. En el sistema en cascada, los parámetros de los tanques de almacenamiento en cascada son críticos, especialmente la presión y el volumen inicial. Para todas las HRS, la temperatura y la presión dentro del tanque a bordo no debe exceder los 85ºC y el 125% de la presión de trabajo normal durante el reabastecimiento de hidrógeno [24]. En la actualidad, existe una fuerte demanda de sistemas de almacenamiento de hidrógeno rentables y eficientes. Los tanques a presión de almacenamiento de hidrógeno normalmente son recipientes de almacenamiento de acero sin costura, y tanques de almacenamiento de alta presión con una estructura de bobinado compuesta. • Dispensador: Para completar rápidamente el proceso de llenado, el equipo del sistema de llenado de hidrógeno incluye tuberías de llenado de alta presión, válvulas de cierre neumáticas, reguladores de presión electrónicos, sensores de temperatura y presión, medidor de flujo, monitor y panel de control. Las funciones necesarias del dispensador incluyen protección contra sobrepresión, compensación de temperatura ambiente, protección contra rotura de manguera y extracción secuencial de gas y funciones para garantizar que el proceso de abastecimiento de combustible pueda interrumpirse automáticamente en circunstancias especiales, como una parada de emergencia. El dispensador debe cumplir con el estándar SAE J2601 reconocido internacionalmente. Descripción de una Hidrogenera 42 42 Figura 39: Dispensador HRS • Unidad de preenfriamiento: Los requisitos principales de los conductores de vehículos con pilas de combustible de hidrógeno son un tiempo de llenado de hidrógeno corto y un alto estado final de carga, para ello, es necesario realizar un preenfriamiento de hidrógeno sin exceder el límite de seguridad del material del tanque de almacenamiento. El protocolo SAE J2601 requiere que el hidrógeno se enfríe previamente antes de la distribución, para limitar la temperatura por debajo de su valor máximo (85ºC) durante el llenado rápido. La unidad de preenfriamiento utiliza un ciclo de refrigeración térmica, que generalmente consta de un enfriador de hidrógeno, un intercambiador de calor y un sistema de tuberías. El hidrógeno del sistema de almacenamiento ingresa al intercambiador de calor a través de la tubería antes de llegar al dispensador, mientras tanto, el refrigerante ingresa en el intercambiador de calor y se realiza el intercambio de calor entre el hidrógeno y el refrigerante. Después, el hidrógeno regresa al dispensador a través de la tubería y el refrigerante con intercambio de calor regresa al enfriador. En las siguientes gráficas se muestra, en función de la temperatura ambiente, a que temperatura sería necesario preenfriar el gas antes del proceso de repostaje, así como la presión en cada caso. Figura 40: Características de la curva de preenfriamiento y tasa de aumento de presión [25] El coste de la unidad de preenfriamiento (PCU) representa aproximadamente el 10% del coste total del equipo de la HRS, por ello, es necesario analizar su consumo energético, rendimiento y optimización del diseño para lograr la mayor reducción posible de los costes de HRS [13]. • Electrolizador: Para las HRS equipadas con electrizadores, el hidrógeno generado es presurizado por un compresor y luego almacenado en un tanque de almacenamiento o llenado en el FCV a través del dispensador. La tecnología de electrólisis del agua tiene las ventajas de que es una operación confiable, la tecnología es madura, la producción de hidrógeno es de alta pureza y ausencia de contaminación, pero su consumo de energía es relativamente grande. Figura 41: Electrolizador Análisis de situación de las hidrogeneras 50 50 Figura 47: Evolución histórica del número de HRS [28] Este crecimiento de las HRS no ha sido homogéneo en todo el mundo, la evolución en Norte América ha permanecido prácticamente constante, mientras que en Europa la evolución ha ido siempre en aumento. En Asia, durante el año 2021 han estrado en operación casi 90 hidrogeneras, los principales de este crecimiento son Japón, China, y Corea del Sur [28]. 3.2. Situación europea La Unión Europea, al igual que sus países miembros, ha hecho del hidrógeno uno de los pilares de su política energética y climática. Considera este gas como una opción ideal para cumplir sus objetivos para 2050: neutralidad en carbono como lo establece el Acuerdo Climático de París y suministro de energía limpia como lo establece el Pacto Verde Europeo. Para la CE (Comisión Europea), el hidrógeno tiene muchas ventajas: Es la mejor manera para la descarbonización a gran escala de los sectores del transporte, la industria y la construcción. Además, el hidrógeno podría desempeñar un papel importante en la transición hacia las energías renovables al mismo tiempo que garantiza la flexibilidad en la transferencia de energía entre sectores. Además, el hidrógeno ayudaría a reducir la dependencia de la UE de los combustibles fósiles, fortalecería la cadena de valor y ayudaría a crear puestos de trabajo para casi un millón de personas [7]. Entre las numerosas iniciativas llevadas a cabo por la FCH-JU se encuentra el anuncio, en septiembre de 2015, de un gran proyecto para la movilidad del hidrógeno en Europa, el Hydrogen Mobility Europe (H2ME). Este proyecto recibió una financiación de 170 millones de euros, de los que 67 millones procedían de la FCH-JU, y su primera fase finalizó en 2020 con el despliegue de 630 vehículos eléctricos de pila de combustible de hidrógeno en 10 países y la instalación de 37 nuevas estaciones de recarga de hidrógeno en 8 naciones. En total, se recorrieron 14,5 millones de kilómetros y se distribuyeron 147 toneladas de hidrógeno a través de 68.000 recargas [7]. El plan nacional de hidrógeno publicado recientemente por Alemania prevé su uso en todo el sector del transporte. La gran mayoría (83) de las 114 estaciones de hidrógeno en funcionamiento en la UE y el Reino Unido están ubicadas en Alemania. El plan inicial es construir 100 estaciones en siete áreas metropolitanas importantes de Alemania, conectadas por estaciones a lo largo de vías arteriales y Autobahn. El plan a largo plazo es instalar 300 estaciones más para finales de 2023 en respuesta al crecimiento en la cantidad de FCV, y una característica clave del plan de despliegue de Alemania es asegurar un precio competitivo para el hidrógeno en comparación con la gasolina. Aunque Alemania es líder en el despliegue de infraestructura de reabastecimiento de hidrógeno, en noviembre de 2019 solo había 530 autos con celdas de combustible, 21 autobuses y 2 camiones en operación en el país. Además, el gobierno federal alemán proporciona fondos limitados para la compra de FCV con fines de demostración y está trabajando para garantizar que existan códigos y estándares que sean apropiados para FCV y estaciones de hidrógeno [11]. Alemania, junto con Francia, han sido los principales países que han impulsado el crecimiento europeo de estaciones de servicio de hidrógeno. En la siguiente figura se muestra la evolución de las HRS en Europa. Figura 48: Evolución de las HRS en Europa [29] Análisis de situación de las hidrogeneras 52 52 3.3. Situación en España A fecha de mayo de 2022, el número de hidrogeneras en España en operación es de 7 y prácticamente todas tienen un uso privado, en el siguiente mapa se muestra la situación actual, en color verde se muestran las estaciones en operación, en color amarillo las que aún están en fase de Proyecto, y en color gris aquellas de proyectos antiguos. Además, existen varias instituciones que se dedican a la investigación de esta tecnología. Figura 49: Estaciones de hidrógeno en España (2022) [28] Existe un plan de expansion de esta tecnología, habiéndose comenzado en 2021 la construcción de 4 estaciones de hidrógeno privadas, y, adicionalmente, durante el año 2022 se iniciarán las obras de las 5 hidrogeneras/hidrolineras públicas con la idea de ir cubriendo la red de puntos de recarga de hidrógeno año a año. Dada la prevision para el año 2024, parece que se van a formar polos concretos en la red de estaciones de repostaje de hidrógeno, siendo el País Vasco y Madrid los principales, seguidos de Barcelona, Zaragoza y la costa del levante [30]. Figura 50: Previsión HRS en España En la figura anterior, las estaciones privadas están indicadas en color rojo, mientras que las públicas están en color azul. La importante presencia de estaciones públicas puede resultar un incentivo para el uso de vehículos particulares de pila de combustible de hidrógeno. La red en España todavía es escasa, pero ya han sido presentados proyectos de implantación. En febrero del año 2021, Naturgy presentó un proyecto para la construcción de 38 estaciones de servicio de hidrógeno en todo el territorio nacional y que la compañía estima disponer de ellas antes del año 2025, en la segunda fase, la infraestructura total alcanzará las 120 hidrogeneras [31]. Gasnam (Asociación de Transporte Sostenible que integra la cadena de valor del Gas y el Hidrógeno) y Anfac (Asociación Española de Fabricantes de Automóviles y Camiones) han propuesto una red mínima de estaciones de servicio de hidrógeno, que permita abastecer turismos, autobuses y camiones de largo recorrido, garantizando una distancia máxima de 250 kilómetros entre ellas tal y como establece la Hoja de Ruta del H2. Estas Análisis de situación de las hidrogeneras 54 54 asociaciones proponen que haya 150 estaciones de suministro de H2 en 2025 y no en 2030, como propone el Gobierno en su Hoja de Ruta, y así, proponen lo que denominan “un plan de escalada a 2025” que permita construir una infraestructura de suministro mínima con capilaridad a lo largo de todo el territorio nacional [32]. En cuanto a movilidad, para 2030 se estima una flota de al menos 150 autobuses, 5000 vehículos ligeros y pesados, y 2 líneas de trenes comerciales propulsadas con hidrógeno renovable. Figura 51: HRS futuras España [33] En la figura anterior se muestra el mapa se algunas hidrogeneras que están realizando algunas empresas energéticas en el país. A continuación, se comentan brevemente cada una de ellas: - HRS Tenerife: el pasado abril 2022 se inauguró la planta piloto del proyecto europeo SEAFUEL, cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) a través del Programa Espacio Atlántico. Es la primera hidrogenera en Canarias, y se encuentra en las instalaciones del Instituto Tecnológico y de Energías Renovables (ITER). La llegada de esta instalación tratará de demostrar la viabilidad tecnológica, social y económica de la implantación de combustibles de origen renovables para el transporte en regiones insulares o aisladas, y próximamente se empezará con la última fase del proyecto, que incluye la puesta en servicio de la estación, la producción de hidrógeno verde a partir de energías renovables y agua desalada, y su control y monitorización. La hidrogenera tiene una capacidad de producción de unos 10 kg de hidrógeno al día, y será capaz de producir hidrógeno mediante la electrólisis del agua procedente de la planta desaladora del ITER haciendo uso de la energía de las instalaciones renovables del instituto. También se expuso parte de la flota SEAFUEL, compuesta hasta el momento por 5 vehículos de hidrógeno: dos Toyota Mirai y un Hyundai Nexo; y 3 vehículos de trabajo, eléctricos modificados, a los que se les ha añadido una pila de combustible para amplificar su autonomía, y serán utilizados en las tareas de mantenimiento del ITER [34]. Figura 52: HRS Tenerife [34] - HRS La Robla: este proyecto está liderado por Naturgy y Enagás, la idea es construir la mayor planta de producción de hidrógeno verde de España en el terreno de la térmica de La Robla. El proyecto contempla la construcción de una planta fotovoltaica de 400 MW y un electrolizador de hasta 60 MW, para producir hasta 9000 toneladas al año [35]. - HRS Asturias: este proyecto contempla la producción de hidrógeno verde desde un parque eólico marino de 250 MW y otro terrestre de 100 MW para consumo de la industria asturiana y descarbonizar sectores como el del acero y de astilleros. Asimismo, el hidrógeno será distribuido a gran escala a través de la red gasista y exportado a Europa. El proyecto se enmarca en la iniciativa Green Cane, y es promovido por Enagás y Naturgy [36]. - HRS Aragón: este proyecto se desarrollará conjuntamente por Enagás y la compañía energética aragonesa de renovables (CEAR) y contempla el desarrollo de hasta 103 MWe, procedentes de la Análisis de situación de las hidrogeneras 56 56 hibridación de energía solar y eólica, y 30 MW de electrólisis para la producción de hidrógeno verde [37]. - HRS Mallorca: esta estación se desarrolla dentro del proyecto europeo Green Hysland, que tiene como objetivo desplegar un ecosistema de hidrógeno abarcando toda su cadena de valor en Mallorca, convirtiendo la isla en el primer hub de H2 en el suroeste de Europa. El proyecto desarrolla las infrastructuras necesarias para la producción de hidrógeno verde a partir de energía solar y su distribución a los usuarios finales, tales como los sectores turísticos, de transporte, industrial y energético de la isla, incluyendo la inyección en la red de gas para la generación de calor y energía verde en la ubicación de su uso final [38]. - HRS Castellón: este proyecto desarrollado por bp, Iberdrola y Enagás, se ubicaría en la refinería de bp en Castellón, donde se construiría un electrolizador de 20 MW, alimentado con energía renovable producida, entre otras fuentes de generación, por una planta fotovoltaica de 40 MW. En fases posteriores, la capacidad de electrólisis podría incrementarse hasta 115 MW, que la convertiría en el mayor proyecto de hidrógeno del sector del refino en España [39]. - HRS Cartagena: este proyecto de producción de hidrógeno renovable a partir de fotoelectrocatálisis que desarrollan Repsol y Enagás en Puertollano, cuenta con el apoyo de la Comisión Europea (CE), que financiará en parte, a través de los fondon europeos Innovation Fund, podría estar en funcionamiento en 2024 [37]. 4 NORMATIVA A la planificación de las HRS le sigue la construcción y el funcionamiento de cada una de ellas, para ello, es necesario la aprobación individual para cada una de ellas de varias autoridades competentes. Las HRS se consideran un tipo novedoso de construcción que involucra materiales peligrosos a los ojos de las agencias gubernamentales y el público en general en casi todos los países y regiones. La falta de códigos y estándares desarrollados específicamente para las estaciones de hidrógeno conduce a un nivel elevado de precaución, y eso se traduce en tiempo y costes de implementación adicionales. Para ello, se están desarrollando códigos y estándares para HRS [11]. El proceso de permisos de HRS involucra una amplia gama de aprobaciones para garantizar una operación segura. Los objetivos básicos incluyen la seguridad del público y del personal, la transparencia con la participación pública, la consistencia y eficiencia del proceso de permisos y la capacidad de aprender de la experiencia. Estas aprobaciones aseguran el cumplimiento de los reglamentos o normas de uso de suelo, impactos ambientales, salud pública, seguridad contra incendios y seguridad de los trabajadores. Las aprobaciones especiales para HRS incluyen el cumplimiento de las normas sobre contaminación por hidrógeno, precisión de recarga y seguridad en la descarga. Desde los componentes del equipo hasta la distribución, el diseño y la ubicación de las estaciones, se han ido estableciendo gradualmente códigos y normas. Algunos son internacionales, como el Código Internacional de Incendios y el Código Internacional de Gas Combustible, y algunos son específicos de un país o incluso de una ciudad para ser compatibles con las políticas e instituciones locales. La Asociación de Energía de Pilas de Combustible e Hidrógeno (FCHEA, por sus siglas en inglés) rastrea y documenta el desarrollo de alrededor de 400 estándares de pilas de combustible e hidrógeno en todo el mundo [11]. Figura 53: Promedio de días para obtención permisos y desarrollos de las HRS Normativa 58 58 4.1. Normativa en España • RD 379/2001 ITC MIE APQ 5 “Almacenamiento y utilización de botellas y botellones de gas comprimido, licuado y disueltos a presión”: En función de la cantidad y categoría del producto, se definen los equipos contraincendios necesarios, las distancias de seguridad obligatorias entre las zonas de almacenamiento y otros agentes de exposición como las vías públicas. El hidrógeno se encuentra categorizado como sustancia inflamable. • RD 2267/2004: Establece y define los requisitos a satisfacer y condiciones a cumplir por las instalaciones de tipo industrial para prevenir la aparición de incendios y en caso de llegar a producirse, dar una adecuada respuesta limitando así su capacidad de propagación. • UNE-EN ISO 4126-1 2004: Dispositivos de seguridad para la protección contra la presión excesiva. Parte 1: Válvulas de seguridad. • UNE 26505:2004: Vehículos de carretera. Hidrógeno líquido. Interfaz para los sistemas de alimentación en vehículos terrestres. • RD 919/2006 ITC-ICG 05: Distribución y utilización de combustibles gaseosos y sus instrucciones técnicas complementarias. • UNE-EN 181001:2010 Tecnologías de hidrógeno. Terminología • UNE-EN 61508:2011: Seguridad funcional sistemas eléctricos, electrónicos y electrónicos programables relacionados con la seguridad. • UNE-EN 66305:2011 Protección contra el rayo • UNE-EN 60079:2013 Atmósferas explosivas. Parte 14: Diseño, elección y realización de las instalaciones eléctricas. • RD 639:2016 (Anexo II): Especificaciones técnicas de los puntos de repostaje de hidrógeno. • UNE-EN ISO 7751 2017: Mangueras a base de elastómeros y plásticos y sus conjuntos con accesorios de unión. Relaciones de las presiones de prueba y de reventamiento con la presión máxima de servicio. • UNE-EN ISO 11114-4 2017: Botellas para el transporte de gas. Compatibilidad de los materiales de la válvula y de la botella con el gas contenido. Parte 4: Métodos de ensayo para la selección de materiales metálicos resistentes a la fragilización por hidrógeno. • RD 656:2017: Almacenamiento de productos químicos y sus instrucciones técnicas complementarias. • UNE-EN 17124:2018: Hidrógeno como combustible. Especificación de producto y aseguramiento de calidad. Aplicaciones que utilizan las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) para vehículos automóviles. • UNE-EN 17127:2020: Puntos de suministro de hidrógeno al aire libre que dispensa hidrógeno gaseoso e incorporan protocolos de llenado. En el apartado 5.3.2 de la norma (Fuelling protocol process), se definen las especificaciones a cumplir durante el repostaje. • UNE-EN ISO 17268:2020: Dispositivos de conexión para el reabastecimiento de hidrógeno gaseoso a los vehículos terrestres. 4.2. Normativa en Europa • UE 2019/1745: Puntos de recarga para vehículos de motor de categoría L, suministro de electricidad en puerto a los buques de navegación interior, suministro de hidrógeno para el transporte por carretera y suministro de gas natural para el transporte por carretera y por vías navegables. 4.3. Normativa mundial Los permisos de las HRS en Estados Unidos, especialmente en California, se encuentran entre los más experimentados y estructurados del mundo, y, por lo tanto, brindan una buena referencia para comprender la complejidad, el tiempo y el coste. En Estados Unidos, la selección del sitio de la HRS requiere una revisión de los requisitos de zonificación, el método y la ruta de restricción del transporte de hidrógeno a la HRS, el diseño de la estación y la separación de equipos [11]. • ISO 13984:1999 Hidrógeno líquido. Interfaz de repostado de vehículos terrestres. • ISO 20100:2008 Hidrógeno gas. Estaciones de servicio: Define los requisitos que deben satisfacer las estaciones de hidrógeno, e incluye varios capítulos que hacen referencia al dispensado de hidrógeno a presión. Además, incluye un apartado sobre la generación in situ del hidrógeno, en el que se mencionan las condiciones que deben cumplir los electrolizadores. • ISO 227341:2008 Generadores de hidrógeno mediante electrólisis de agua. Aplicaciones industriales y comerciales: Define los requisitos de los equipos en los que se producen las reacciones electroquímicas para producir el hidrógeno a partir del agua. • ISO/TS 19880:2016: Estaciones de servicio de hidrógeno gaseoso. • SAE J2601: Protocolos de abastecimiento de combustible para vehículos ligeros de superficie de hidrógeno gaseoso. Se establecen los límites de protocolo y proceso para el abastecimiento de hidrógeno de vehículos ligeros, estos límites de proceso (temperatura del combustible, tasa máxima de flujo de combustible, y tasa de aumento de la presión y la presión final) se ven afectados por los factores como la temperatura ambiente, la temperatura de entrega del combustible y la presión inicial en el sistema de almacenamiento de hidrógeno comprimido del vehículo. Referencias 66 66