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¿Agua para calentar agua? H2

Alguien escribió hace tiempo: […] sin carbón no hay máquinas, y sin máquinas no hay trenes, ni vapores, ni fábricas, ni nada de lo que exige el progreso de la vida moderna.

-Pero ¿qué se inventará? -pregunto Pencroff-. ¿Lo imagina usted, señor Smith?

-Algo, amigo mío.

-¿Y que se quemará en vez de carbón?

-¡Agua! -respondió Smith.

-¡Agua! -exclamo Pencroff-. ¿Agua para calentar las calderas de los vapores y de las locomotoras, agua para calentar el agua?

-Sí, amigo mío; agua descompuesta sin duda por la electricidad y que llegará a ser entonces una fuerza poderosa y manejable. […]. Sí, amigos míos, creo que el agua se usará un día como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno que la constituyen, utilizados aislada y simultáneamente, producirán una fuente de calor y de luz inagotable y de una intensidad mucho mayor que la de la hulla.

Un día el pañol de los vapores y el tender de las locomotoras en vez de carbón se cargarán de esos dos gases comprimidos, que arderán en los hornos con un enorme poder calorífico. […]

El agua es el carbón del porvenir.

-Quisiera ver eso -dijo el marino.

Esto se escribió hace 150 años, y su autor fue Julio Verne en su novela “La Isla Misteriosa”.

¿Es esta una muestra más de lo visionario que fue Verne? A día de hoy, el uso del H2 (Hidrógeno Molecular) cómo fuente de energía es residual respecto al resto de las fuentes de energía empleadas. Su uso apenas excede el de la industria química. Pero ¿significa eso que Verne no estuvo acertado en esta ocasión? El tiempo nos los dirá, pero analicemos los datos.

Actualmente existen numerosos proyectos, algunos muy avanzados como el proyecto AKKA Green&Fly, en donde se pretende reemplazar la aeropropulsión en base a combustión de Hidrocarburos por propulsión de base eléctrica. Estos proyectos son muy prometedores, si bien presentan varios aspectos que actualmente los limitan a aeronaves pequeñas y trayectos cortos o medios.

La mayor parte de los proyectos se basan en algún tipo de generación local de electricidad y su acumulación en baterías. Considerando el actual estado del arte y las líneas de investigación en marcha, así como considerando también la tendencia de los avances en los últimos años, parece improbable que a medio largo plazo se puedan desarrollar proyectos para aeronaves grandes / de largo radio que se propulsen en base eléctrica.

El principal motivo reside en la limitación tecnológica de almacenamiento de electricidad (mayormente por la variable densidad y por la cautividad respecto a componentes basados en elementos poco comunes y finitos).

Pero las tornas cambian si esa tendencia a usar fuentes renovables para generar energía se pudiera almacenar de forma “menos pesada”, y es ahí donde entra en juego el Hidrógeno.

Múltiples líneas de investigación se centran en el uso de las diferentes fuentes de generación eléctrica en producir Hidrógeno. De este modo, el H2 actuaría como una especie de batería, y se sustentaría en un elemento de los más abundantes en la tierra, y además, de ciclo cerrado. Es decir, para la generación de H2 se necesita agua, la cual vuelve a producirse en la combustión del H2.

Pero, ¿es el H2 interesante desde la perspectiva termomecánica? Lo que hace tan particu-larmente atractivo al H2 respecto a otros elementos es la conjunción de propiedades físicas que reúne.

Hagamos una comparativa del H2 en estado líquido (LH2) respecto al principal hidrocarburo empleado en aviación. El queroseno / JET-A.

  • El LH2 tiene una densidad 11 veces menor.
  • Un poder calorífico 3 veces mayor.
  • Un punto de ebullición a -250 ºc.
  • Un calor especifico 5 veces mayor que el queroseno.
  • Calor de vapor ligeramente mayor.
  • Velocidad de difusión 12 veces mayor.
  • Tiene un rango de combustión 17 veces mayor.
  • Necesita 12 veces menos energía para encenderse.
  • La temperatura de autoinflamación es 350 ºc mayor.
  • La temperatura la llama es prácticamente igual.
  • La emisividad es la mitad que el queroseno.
  • Presenta un volumen 4 veces superior.
  • Tiene posibilidad de detonación.
  • Y es parcialmente soluble en agua.

Pero, ¿qué significan todos estos datos?

La dinámica de la combustión del hidrógeno, respecto al queroseno, es muy diferente, debido, entre otros factores, al hecho de que la velocidad de propagación de la llama sea 14 veces superior en el hidrógeno.

La primera ventaja del hidrógeno respecto al queroseno es su poder calorífico y su densidad. El empuje de un turborreactor es proporcional a la variación de presiones entre su salida y su entrada, o lo que es lo mismo de temperaturas totales. Así mismo, el consumo específico es función del empuje y de la variación temporal de masa.

Es fácil apreciar que, si implementamos en estas ecuaciones que, el poder calorífico del hidrógeno es 3 veces superior y su densidad 11 veces inferior, tanto el empuje como el consumo específico se verán muy positivamente afectados. Dicho de otro modo. Hará falta mucho menos LH2 para conseguir el empuje equivalente por JET-A.

Otro aspecto importante del hidrógeno es su calor específico y su calor latente. El primero es 5 veces superior al del queroseno y el doble que el del agua, mientras que el segundo no registra tanta diferencia. Este aspecto, asociado a la condición de fluido criogénico, hace del LH2 un sumidero excelente de calor. Tanto es así que permitiría varias disposiciones de inter-cambiadores directos e indirectos de calor a lo largo del motor, por ejemplo, en la zona intercompresores. O inclusive, emplear el hidrógeno para refrigerar aire sangrado que a su vez refrigerarían la zona de la cámara de combustión y turbinas.

Otras propiedades características del hidrógeno son una velocidad de difusión 12 veces superior a la del queroseno, lo que permite una mezcla más eficiente y rápida en la cámara de combustión.

Tiene un rango de inflamabilidad 18 veces superior, lo que permite regímenes de trabajo más variados. También necesita 12 veces menos energía para encenderse.  Todo ello redunda en la polivalencia y en la seguridad en lo que respecta al mantenimiento de la combustión.

No obstante, estas últimas propiedades son positivas desde el punto de vista de eficiencia termodinámica, pero no lo son desde el punto de vista de la seguridad, pues ello propicia que, en caso de accidente, la probabilidad de explosión sea superior a la del queroseno. Un aspecto a favor del hidrógeno en cuestión de seguridad es que la temperatura de autoignición es 350ºC superior a la del queroseno.

También es positivo que las temperaturas de llama sean similares, ya que ello permite el empleo en las cámaras de combustión de los materiales empleados en la actualidad. Respecto a la energía radiada, es un 16 % inferior y de ello se deriva que haya en menos pérdidas de energía que respecto a la combustión de queroseno. Por último, la velocidad del frente de llama, que por ser entre 7 y 14 veces superior, permitiría reducir las dimensiones de la cámara.

Respecto al impacto medioambiental, el hidrógeno es tan contaminante como la industria que lo genera dado que la combustión de H2 solo genera agua (y energía). Cierto es que en la combustión se producen Óxidos de Nitrógeno (NOx), pero estos óxidos de nitrógeno se producen, no a consecuencia directa de la propia combustión (cómo si lo es por ejemplo el CO/CO2 de la combustión del queroseno) si no por la presencia de oxígeno (O2) y nitrógeno (N2) atmosféricos en las condiciones (de temperatura y tiempo) de la cámara de combustión. Aun así, estos contaminantes también se ven reducidos por la dinámica de la combustión del H2.

Como principales desventajas están la temperatura de almacenamiento de -250ºC, que obligará a extrapolar las tecnologías criogénicas espaciales a las aeronaves y dotar de la infraestructura requerida a los aeropuertos. Los aviones actuales están diseñados para transportar combustible líquido a presión atmosférica (con ciertos matices).

La implantación de tecnologías criogénicas en aeronaves ha de ir de la mano de un rediseño completo del concepto de avión, puesto que la condición de almacenamiento requiere de espacios de alta presión esféricos / tubulares y estos no podrían integrarse en los actuales sistemas de combustible. Pero si lo podrían ser en configuraciones de Fuselaje Integrado (en inglés, Blended Wing Body o BWB).

Otra aspecto no menos importante es que el volumen, respecto al queroseno, es 4 veces superior, así como que tiene posibilidad de detonar y es soluble en agua, propiedades estas que no comparte con el queroseno. No obstante, los estándares actuales de seguridad hacen que el LH2 no represente más peligro que el queroseno, entendiendo las particularidades de cada uno.

Respecto a los riesgos que presenta para la salud, el hidrógeno líquido no es corrosivo, ni tóxico ni cancerígeno. Es incoloro e inodoro, lo que hace difícil su percepción, y se puede mejorar añadiendo aditivos neutros que le proporcionen olor. Es asfixiante por desplazamiento del oxígeno, inflamable, y peligroso debido a su estado criogénico de elevada presión.

El LH2 no es la solución mágica al problema del reemplazo de los hidrocarburos en la aviación, pero si es un actor de gran interés. Entonces, ¿Por qué no está tan en boga como las plantas propulsoras de base eléctrica?

Ya en 1976 la NASA encargó un estudio para evaluar la transformación del aeropuerto de San Francisco (SFO) y concluyó que ya por aquella era técnicamente viable, considerando la hipótesis logística de transportar el H2 en estado gaseoso a través de gasoductos hasta el aeropuerto, y que la condensación tuviera lugar en el propio aeropuerto.

En la actualidad, la mitad de la producción mundial de hidrógeno tiene como materia prima el gas natural, repartiendo entre otro 45 por ciento el petróleo y el carbón. Por el momento, tan solo un 5 % del hidrógeno se produce por electrólisis.

Así mismo, el 90% del H2 producido se dedica a la fabricación de amoníaco. La obtención de otros productos químicos consumen un 9% y diversas aplicaciones, incluida la espacial, el 1% restante, con una producción que en el mundo se eleva a unos 60 millones de toneladas anuales de H2 frente a los más de 400 millones de toneladas anuales de Jet-A.

La propulsión por combustión directa de hidrógeno líquido será un sistema más enérgico, ligero y totalmente sostenible. Por contra, hay que trabajar sobre el volumen, el coste de obtención y los riesgos que su manejo implica, así como adaptar la logística correspondiente.

Parece razonable pensar que, a largo plazo, el LH2 será el combustible de la aviación. Algo similar imaginó Verne hace 150 años. La cuestión es,  ¿Cuándo será eficiente su producción de manera que se garantice su distribución mundial? ¿Cuándo veremos normal calentar agua con agua?

Grupo AKKA 

AKKA Technologies Spain presta servicios de ingeniería en los sectores aeronáutico, ferroviario, automoción y energía. Acompaña a sus clientes en el desarrollo de las distintas fases de sus proyectos, desde la I+D+i y los estudios de diseño, hasta la producción industrial y mantenimiento en servicio.

El Grupo AKKA está formado por más de 20.000 empleados en el mundo. En España cuenta, a día de hoy, con la confianza de más de 50 clientes de primer nivel y con más de 600 empleados y sedes en Madrid, Barcelona, Pamplona y Bilbao. Sus ingenieros trabajan en proyectos a la vanguardia de la tecnología en todo el mundo, gracias a la fortaleza internacional del grupo y a la movilidad de sus equipos.

(Autor: Luis Carlos Nieto. Ingeniero Aeronáutico, Responsable de la Organización de Diseño de AKKA Technologies Spain, con más de 15 años de experiencia en Aeromotores y en Aeronavegabilidad Inicial y Continuada)

Foto apertura: Green&Fly es un proyecto AKKA para el diseño de un sistema propulsivo de baja emision, combinando will be powered by low emission propulsion system, combining H2 y energía eléctrica.

Abajo:  Prototipos de Boeing y Airbus de fuselajes integrados.

 

Referencias:

Boggia, S., Jackson, A., and Singh, R., 2001, “Unconventional Cycles for Aero Gas Turbine Engines Burning Hydrogen,” 15th Symposium on Air Breathing Engines, ISABE, Bangalore, India, September 3–7.

Brewer, G. D. 1976. LH2 Airport requirements study. Washington: U.S. National Aeronautics and Space Administration.


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