A diferencia de los combustibles fósiles, el hidrógeno ofrece una combustión limpia, liberando únicamente agua como subproducto, lo que lo convierte en un actor clave en la transición hacia una economía baja en carbono.
¿Qué es una turbina de hidrógeno?
Una turbina de hidrógeno es un dispositivo que convierte la energía química del hidrógeno en energía mecánica y, posteriormente, en energía eléctrica a través de un generador. Funciona bajo el principio de la combustión del hidrógeno con oxígeno para producir vapor de agua a alta presión y temperatura, que luego impulsa las aspas de la turbina, generando así electricidad. Este proceso se caracteriza por su capacidad para generar energía con emisiones mínimas, siendo el vapor de agua el único subproducto directo, lo que representa una opción energética limpia y sostenible en comparación con las fuentes de energía basadas en combustibles fósiles.
Qué es una turbina de hidrógeno y para qué sirve. Foto: Juan Diego Polo
La idea de utilizar hidrógeno como fuente de energía no es nueva, pero su aplicación en turbinas para la generación de electricidad ha ganado impulso en las últimas décadas, impulsada por la urgente necesidad de encontrar alternativas sostenibles a los combustibles fósiles. La evolución de las turbinas de hidrógeno se puede rastrear desde los primeros experimentos y teorías sobre la combustión del hidrógeno hasta el desarrollo de tecnologías avanzadas que permiten su uso eficiente y a gran escala.
En las primeras etapas, el enfoque estaba más en la investigación básica y la comprensión de las propiedades del hidrógeno, incluyendo su alta eficiencia energética potencial y los desafíos asociados con su manejo y combustión. A medida que la tecnología de las turbinas de gas evolucionaba, también lo hacía el interés en adaptar estas máquinas para utilizar hidrógeno como combustible. Los desafíos técnicos, como la alta velocidad de combustión del hidrógeno, su amplio rango de inflamabilidad y las altas temperaturas alcanzadas durante la combustión, requerían innovaciones en el diseño de las turbinas y los sistemas de control.
Los avances significativos comenzaron a materializarse en el siglo XXI, cuando la presión por reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y mejorar la sostenibilidad energética se convirtió en un imperativo global. La investigación y el desarrollo se intensificaron, enfocándose en mejorar la eficiencia de las turbinas de hidrógeno, gestionar las emisiones de NOx (óxidos de nitrógeno) y adaptar la infraestructura existente para el uso de hidrógeno. Los proyectos piloto y las demostraciones comerciales empezaron a mostrar la viabilidad de esta tecnología, no solo en términos de rendimiento ambiental sino también en cuanto a su integración en la red eléctrica y su capacidad para proporcionar una fuente de energía fiable y flexible.
El hidrógeno se puede transportar por gasoductos como el que se planea que funcione entre España y Francia antes de 2030.Petmal – iStock
Hoy en día, las turbinas de hidrógeno están en la vanguardia de la transición energética, beneficiándose de las innovaciones en la producción de hidrógeno verde (hidrógeno producido a partir de fuentes renovables) y de los avances en tecnologías de almacenamiento y distribución. A medida que la tecnología continúa madurando y las economías de escala empiezan a reducir los costos, se espera que las turbinas de hidrógeno desempeñen un papel cada vez más crucial en el esfuerzo global por lograr un futuro energético sostenible y bajo en carbono.
Cómo funciona una turbina de hidrógeno
Su funcionamiento, si bien comparte principios básicos con las turbinas tradicionales de gas natural, se distingue por características únicas asociadas al uso del hidrógeno como combustible. A continuación, exploramos los principios de funcionamiento, los componentes clave y las diferencias fundamentales con las turbinas de gas natural.
Como decía antes, una turbina de hidrógeno opera bajo el principio de convertir la energía química del hidrógeno en energía mecánica y luego en energía eléctrica. Este proceso comienza con la mezcla de hidrógeno y oxígeno (generalmente del aire), que se introduce en la cámara de combustión de la turbina. Al encenderse, esta mezcla combustible libera una gran cantidad de energía en forma de calor, expandiendo rápidamente los gases que luego fluyen a través de las paletas de la turbina a alta velocidad, impulsándola a girar. Este movimiento rotativo se transfiere a un generador, que convierte la energía mecánica en electricidad.
En este tweet del proyecto FLEX4H2 tenemos una animación que ayuda a entenderlo:
Estos son los componentes clave de una turbina de hidrógeno
- Cámara de combustión: Aquí es donde el hidrógeno se mezcla con oxígeno y se quema para generar gases de alta temperatura y presión.
- Paletas de la turbina: Diseñadas para capturar la energía de los gases calientes expandidos, impulsando la turbina a girar.
- Generador: Acoplado a la turbina, convierte la energía mecánica en energía eléctrica.
- Sistema de control: Regula la mezcla de combustible y aire, la velocidad de la turbina, y la generación de electricidad para optimizar la eficiencia y seguridad de la operación.
- Sistemas auxiliares: Incluyen sistemas de enfriamiento, lubricación y filtrado, esenciales para el mantenimiento y la eficiencia operativa de la turbina.
El proyecto FLEX4H2
La imagen de este artículo es la del proyecto FLEX4H2, proyecto que representa una iniciativa innovadora y estratégica diseñada para avanzar en la tecnología de turbinas de hidrógeno, subrayando el compromiso de la Unión Europea y Suiza con la transición energética hacia fuentes más limpias y sostenibles. Este proyecto busca desarrollar y demostrar la viabilidad de una turbina de gas que puede operar eficientemente con un 100% de hidrógeno, marcando un hito en el camino hacia la descarbonización de la generación de energía a gran escala.
El objetivo principal del proyecto FLEX4H2 es demostrar que las turbinas de gas pueden operar flexiblemente con una mezcla de hidrógeno hasta un 100%, proporcionando así una solución energética viable y sostenible que puede integrarse en la infraestructura existente. Este proyecto busca superar los desafíos técnicos asociados con la combustión de hidrógeno, incluyendo el manejo de altas temperaturas y velocidades de combustión, así como la minimización de emisiones nocivas como los óxidos de nitrógeno (NOx) que comentaba antes.
El hidrógeno no es una fuente de energía, sino un vector que debe primero producirse y almacenarse.. Foto: J.Roballo – iStockJ.Roballo – iStock
Para alcanzar sus ambiciosos objetivos, el proyecto FLEX4H2 implica una serie de etapas clave, que incluyen:
- Desarrollo tecnológico: Mejora de los componentes de la turbina de gas, como la cámara de combustión, para acomodar las propiedades únicas del hidrógeno y garantizar una operación eficiente y segura.
- Pruebas y validación: Realización de pruebas exhaustivas con diferentes mezclas de hidrógeno para evaluar el rendimiento, la eficiencia y las emisiones de la turbina, ajustando los sistemas para optimizar su funcionamiento.
- Demostración a escala real: Implementación de la tecnología en un entorno operativo real para demostrar su viabilidad, flexibilidad y beneficios ambientales, marcando un paso crucial hacia la comercialización.
Dentro de este proyecto tenemos a la turbina GT36, una innovación de Ansaldo Energia de Italia que se ha puesto en marcha en Alemania funcionando exclusivamente con hidrógeno al 100%. Esta turbina pertenece a la clase H, distinguida por su sofisticación y capacidad para lograr una eficiencia operativa y temperaturas extraordinariamente altas.
Capaz de generar más de 560 MW de potencia, la GT36 tiene la capacidad de suministrar energía a unos 500,000 hogares. Lo consiguen gracias al diseño de su cámara de combustión, que integra dos sistemas complementarios para alcanzar altas temperaturas operativas, al mismo tiempo que mantiene las emisiones a un nivel mínimo sin la necesidad de usar diluyentes.
Esta turbina también ha probado ser capaz de realizar una transición fluida del gas natural al hidrógeno verde, demostrando así una versatilidad operativa crucial para la transición energética y representando un avance significativo en los esfuerzos de Europa por combatir el cambio climático.
Hasta el momento, las turbinas instaladas por Ansaldo podían operar con una mezcla que contenía hasta un 40% de hidrógeno. Con una financiación de 8,7 millones de euros, el proyecto FLEX4H2 se propone, en los próximos tres años, finalizar el desarrollo de una tecnología que prescinda completamente de los hidrocarburos para operar únicamente con hidrógeno.
Referencias:
- DOE Announces $6.4 Million for University Research to Improve Hydrogen Turbine Performance https://www.energy.gov/fecm/articles/doe-announces-64-million-university-research-improve-hydrogen-turbine-performance
- Utilization of hydrogen in gas turbines: a comprehensive review https://www.researchgate.net/publication/359414886_Utilization_of_hydrogen_in_gas_turbines_a_comprehensive_review
- Utilization of hydrogen in gas turbines: a comprehensive review https://academic.oup.com/ijlct/article/doi/10.1093/ijlct/ctac025/6551709
