Optimización de las estaciones de abastecimiento de hidrógeno con tecnología avanzada de enfriadores de hidrógeno

El auge de las tecnologías del hidrógeno, especialmente en el sector de la movilidad, requiere una infraestructura de abastecimiento de combustible sólida que pueda respaldar su adopción generalizada. A medida que las estaciones de hidrógeno pasan de ser proyectos piloto a implementarse a gran escala en todos los países, el diseño y el equipamiento de estas nuevas estaciones deben evolucionar. Deben ser capaces de operar en condiciones extremas y manejar una mayor demanda y frecuencia de uso. Esta evolución requiere ingeniería informada y soluciones innovadoras para garantizar la confiabilidad, la eficiencia y la escalabilidad en la floreciente economía del hidrógeno.

La importancia del control de la temperatura en el abastecimiento de hidrógeno

El objetivo principal de un sistema de enfriamiento de hidrógeno es abordar la inevitable elevación de temperatura que acompaña al efecto Joule-Thomson, así como la compresión del gas hidrógeno. Este fenómeno no es simplemente un subproducto; es un factor crítico que, si no se gestiona adecuadamente, puede comprometer toda la operación de abastecimiento de combustible.

Cuando se comprime el hidrógeno, experimenta un aumento natural de temperatura que puede superar fácilmente el umbral de seguridad del tanque de almacenamiento del vehículo. Para contrarrestar esto, se emplean sistemas de refrigeración de última generación, diseñados para reducir eficientemente la temperatura del hidrógeno a un rango objetivo, normalmente entre -33 °C y -40 °C según el protocolo T40. Este nivel de enfriamiento no es una mera conveniencia; es un aspecto indispensable del proceso de reabastecimiento de combustible, ya que garantiza que la temperatura del combustible de hidrógeno no supere el límite superior del tanque de almacenamiento de aproximadamente 85 °C. Esto es crucial no sólo para el mantenimiento de la integridad estructural del tanque sino también para facilitar un rápido proceso de reabastecimiento de combustible, que dura aproximadamente 5 minutos.

En ausencia de tales mecanismos de enfriamiento, el proceso de reabastecimiento de combustible no sólo sería menos eficiente, sino que también introduciría importantes problemas de seguridad. Las temperaturas elevadas durante el despacho podrían aumentar el riesgo de degradación del combustible y aumentar la probabilidad de incidentes de seguridad relacionados con la temperatura.

Otros desafíos del enfriamiento por hidrógeno

Más allá de los desafíos fundamentales del control de la temperatura, existen muchas otras consideraciones a las que deben enfrentarse los profesionales en el campo. Éstas incluyen:

• Eficiencia térmica: La eficiencia de un sistema de refrigeración es primordial. Debe funcionar de manera consistente en diferentes condiciones ambientales y adaptarse a las diferentes demandas de vehículos con diversas capacidades de almacenamiento.
• Integración de sistema: Los sistemas de refrigeración de hidrógeno deben integrarse perfectamente con otros componentes de la estación. Esto requiere una comprensión multifacética del diseño de la estación, la compatibilidad de los componentes y el flujo óptimo de hidrógeno.
• Consumo de energía: El funcionamiento de un sistema de refrigeración consume mucha energía. Constantemente se buscan innovaciones en la tecnología de enfriadoras que reduzcan el consumo de energía sin comprometer el rendimiento para mejorar la eficiencia general de la estación.
• Mantenimiento y Confiabilidad: Los sistemas de refrigeración de alto rendimiento deben ser fiables y fáciles de mantener. Esto implica el uso de materiales robustos, sistemas de seguridad y programas de mantenimiento predictivo para minimizar el tiempo de inactividad y garantizar un servicio ininterrumpido.
• Consideraciones ambientales: Los sistemas de refrigeración deben funcionar con un impacto medioambiental mínimo. Esto incluye el uso de refrigerantes con bajo potencial de calentamiento global y el diseño de sistemas que eviten posibles fugas o emisiones.

Aspectos distintivos del enfriamiento por hidrógeno en estaciones de servicio

Se requiere atención especial al enfriar el hidrógeno en las estaciones de servicio debido al potencial explosivo intrínseco del gas hidrógeno. La seguridad es primordial, particularmente alrededor del área del dispensador donde el riesgo de explosión es más significativo. La selección de componentes para esta parte del sistema debe ser intrínsecamente segura y estar diseñada para funcionar sin problemas incluso en entornos potencialmente peligrosos. A diferencia de los componentes del sistema de refrigeración que pueden ubicarse a una distancia más segura (aproximadamente entre 20 y 40 metros del dispensador), aquellos que se encuentran en proximidad inmediata al dispensador de hidrógeno deben cumplir estrictos estándares a prueba de explosiones.

El control del sistema de refrigeración también debe ajustarse con precisión para manejar rápidamente fluctuaciones sustanciales de energía. Esta agilidad en la respuesta del sistema es fundamental para mantener la temperatura de salida del hidrógeno de manera constante dentro del rango deseado, independientemente de la demanda fluctuante durante las horas pico de reabastecimiento de combustible.

Criterios para dimensionar los sistemas de refrigeración por hidrógeno

El tamaño de los sistemas de refrigeración depende de un conjunto de criterios clave, cada uno de los cuales contribuye a la configuración final del sistema:

• Requisitos de temperatura: La selección de la categoría de temperatura, como T40, T30, T20 o una temperatura de salida de hidrógeno personalizada, dicta la capacidad de enfriamiento necesaria.
• Presión de repostaje: El hecho de que el sistema admita presiones de reabastecimiento de combustible H70 (700 bar) o H35 (350 bar) afecta el diseño y el rendimiento del sistema.
• Caudales: Los caudales másicos de hidrógeno máximo y promedio en gramos por segundo durante el reabastecimiento de combustible informan la capacidad del sistema para manejar demandas repentinas.
• Volumen de hidrógeno: El volumen total de hidrógeno requerido por hora y por sesión de abastecimiento de combustible determina el rendimiento del sistema.
• Recuento del dispensador: El número de dispensadores influye en la distribución de la carga de refrigeración y en la capacidad general del sistema.
• Entrada del intercambiador de calor: Se deben tener en cuenta las temperaturas máximas de entrada de hidrógeno al intercambiador de calor para garantizar un enfriamiento efectivo.
• Factores ambientales: Se consideran los rangos de temperatura ambiente y el impacto ambiental del refrigerante, como las limitaciones de GWP, para garantizar el cumplimiento y la sostenibilidad.
• Dinámica operativa: La frecuencia del reabastecimiento de combustible B2B y la disposición física, incluida la distancia entre el enfriador y el dispensador, dan forma al diseño del sistema.
• Configuración regional de instalación: El país de instalación del sistema puede imponer requisitos regulatorios o climáticos específicos que influyen en el tamaño y la complejidad del sistema.

Tipos y recomendaciones para sistemas de enfriadores de hidrógeno

Entre los sistemas de refrigeración se destacan los sistemas de refrigeración directa y pasiva, cada uno con atributos y aplicaciones únicos:

• Sistemas de enfriamiento pasivo: Estos sistemas se caracterizan por su menor tamaño respecto a la refrigeración directa. Mantienen un intercambiador de calor de alta masa térmica a una temperatura baja constante, de acuerdo con protocolos de abastecimiento de combustible como el T40. Ideales para estaciones con repostaje B2B poco frecuente, tienen un límite de capacidad que se calcula cuidadosamente en función de las demandas específicas de la estación.
• Sistemas de enfriamiento directo: Al ofrecer capacidad de enfriamiento inmediato a través de un intercambiador de calor por difusión, los sistemas de enfriamiento directo son más adecuados para escenarios de repostaje de combustible de servicio pesado, como autobuses o camiones con tanques de hidrógeno más grandes. El intercambiador de calor compacto encaja perfectamente dentro del dispensador y el sistema proporciona una capacidad de enfriamiento sostenida durante períodos prolongados.

La elección entre sistemas depende del tamaño de la estación, los patrones de reabastecimiento de combustible y la cantidad de surtidores, con el objetivo de brindar un servicio de enfriamiento continuo y confiable.

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Conclusión

En conclusión, el despliegue de sistemas avanzados de refrigeración de hidrógeno es fundamental para el funcionamiento exitoso de las estaciones de abastecimiento de hidrógeno. Estos sistemas no solo garantizan el reabastecimiento de combustible seguro y eficiente de los vehículos de próxima generación, sino que también abordan una multitud de desafíos operativos, desde la eficiencia térmica hasta la integración y la sostenibilidad ambiental. A medida que el sector de la movilidad del hidrógeno se expanda, la innovación continua y la implementación estratégica de tecnologías de refrigeración serán fundamentales para impulsar un futuro más limpio y energéticamente más eficiente.