La adaptación de los conocimientos técnicos existentes en materia de carbono es fundamental para resolver los retos que plantean los equipos relacionados con el hidrógeno
El elemento más pequeño del mundo encierra un gran potencial y grandes esperanzas.
Este elemento, del que es fácil librarse, se está considerando como una de las respuestas a la que posiblemente sea la mayor pregunta de nuestro tiempo: ¿cómo podemos descarbonizar sin desestabilizar?
A medida que el mundo crece y ese crecimiento alimenta una demanda de energía cada vez mayor —con un consumo que aumenta cada día en todo el planeta—, la realidad de una ecuación de descarbonización que aborde adecuadamente la cuestión del cambio climático —sin sumir a la economía mundial en una espiral descendente, frenar el progreso de los países en desarrollo, impulsar la inflación a niveles más altos y, lo que es más importante, poner en peligro la seguridad energética a gran escala— se vuelve cada vez más difícil de alcanzar.
Así que quizá sea lógico que muchos vean en el hidrógeno —un elemento esquivo, aunque extremadamente abundante— la respuesta.
El elemento más abundante del universo es altamente inflamable y, al arder, el único subproducto que genera es agua.
Casi parece demasiado bueno para ser verdad. Entonces, ¿por qué no conducimos todos vehículos propulsados por pilas de combustible de hidrógeno?
Dos razones.
El coste y el peligro.
Los catalizadores actuales para las pilas de combustible de hidrógeno, entre los que destaca el platino, son demasiado caros para resultar viables desde el punto de vista comercial.
Y, como la mayoría sabemos por el desastre del Hindenburg, el hidrógeno sin contener puede tener consecuencias catastróficas.
Se están logrando avances en la reducción de la cantidad de platino, un metal muy caro, que se necesita para las pilas de combustible de hidrógeno. Honda y General Motors afirman que han reducido en un tercio los costes de producción de un modelo CR-V de hidrógeno al disminuir la cantidad de este metal raro utilizada. (Shutterstock)
No obstante, la incipiente industria del hidrógeno como fuente de energía está avanzando, sobre todo en lo que respecta a la producción y el almacenamiento, dos aspectos que contribuirán en gran medida a reducir los elevados costes que plantean los dos retos mencionados anteriormente.
Stream-Flo lleva tiempo ayudando a equipar a quienes se dedican a ambas actividades.
Esta empresa internacional dedicada al control de presión y a la fabricación de válvulas, especializada en cabezales de pozo, válvulas de compuerta, válvulas de retención, válvulas de bola y sistemas de seguridad en superficie, ha suministrado cabezales de pozo de hidrógeno y accesorios para un pozo de producción en Malí y un pozo de almacenamiento en Alberta.
Con más de 60 años de experiencia ayudando al sector del petróleo y el gas a contener de forma segura la presión superficial y a transportar hidrocarburos desde el pozo hasta las siguientes etapas del proceso, es precisamente su experiencia en aplicaciones en condiciones extremas lo que les ha permitido situarse como líderes en el incipiente sector del hidrógeno, explica Keith Farquharson, asesor sénior de Stream-Flo, quien anteriormente ocupó el cargo de vicepresidente de tecnología de la empresa.
«No hubo nada en el depósito que tuviéramos que inventar, solo tuvimos que reorganizar algunos elementos del diseño de nuestro producto ya existente», afirmó Farquharson al referirse a las especificaciones del depósito de almacenamiento de hidrógeno de Alberta.
Una válvula de compuerta «Crown Gate» de Stream-Flo yace en el taller tras haber sido completamente montada, probada y pintada. La empresa ha creado una gama de válvulas aptas para hidrógeno con diámetros que van de dos a nueve pulgadas. (Redd Francisco)
Dado el pequeño tamaño del hidrógeno, la contención fue el primer reto al que se enfrentaron Farquharson y el equipo del proyecto.
«La redundancia de las juntas es una filosofía que nuestros clientes aplican para reducir el riesgo, y es algo que hacemos de forma habitual en el ámbito crítico de los gases ácidos», afirmó Farquharson al referirse a su experiencia en entornos con sulfuro de hidrógeno (H₂S). «Por lo que respecta al tamaño de las moléculas, las pruebas que habíamos realizado sobre las emisiones fugitivas y la normativa sobre el metano al respecto exigían realizar ensayos con helio, y aprender a hacer que un sellado funcionara con helio, cuya molécula tiene un tamaño similar al del hidrógeno; y el mismo enfoque funciona. Ahora se trata simplemente de una cuestión de materiales».
Keith Farquharson, asesor sénior de Stream-Flo, en su despacho de Edmonton, Alberta. Durante más de 35 años, Farquharson ha contribuido a desarrollar e impulsar el desarrollo técnico y de productos en Stream-Flo, y figura como inventor en más de 10 patentes propiedad de la empresa. (Redd Francisco)
Una vez más, la experiencia de Stream-Flo en el ámbito del gas ácido resultaría de gran utilidad, tal y como explica Rick Miko, director de ingeniería de proyectos de Stream-Flo y responsable de todos los trabajos de diseño de pozos de almacenamiento de la empresa.
«Hemos descubierto que los materiales adecuados para entornos con H₂S funcionan muy bien en entornos de almacenamiento de hidrógeno», afirmó Miko. «Con el hidrógeno puro se plantean los mismos problemas de diseño que con el H₂S, y ese problema es la fragilización. El hidrógeno molecular (H₂) se disocia en iones de hidrógeno (H⁺), que a su vez se disuelven en la aleación, aglutinándose en los defectos o en los límites de grano. Cuando los iones H+ se recombinan para formar H₂, ocupan un área mucho mayor que la que ocupaban como iones individuales, por lo que la formación de la molécula de H₂ ejerce tensión sobre la red cristalina del metal. Si la microestructura no es lo suficientemente dúctil como para absorber estas tensiones introducidas, se volverá frágil o se agrietará. El uso de materiales conformes con la norma NACE que han demostrado una ductilidad suficiente para su uso en entornos con H₂S nos garantiza que el material será adecuado para su uso con H₂».
Una cabeza de pozo Stream-Flo cerca de la localidad de Didsbury, en Alberta. (Patrick Kelly)
Una vez resueltos los trabajos en la boca del pozo, llegó el momento de centrarse en el diseño de las válvulas de compuerta de hidrógeno. Se trata de las válvulas que salen de la boca del pozo y que funcionan en posición totalmente abierta o totalmente cerrada, ya sea para permitir el paso completo de un líquido o un gas por una tubería, o para cortarlo por completo.
Miko dice que diseñarlos requirió una reflexión adicional.
«La válvula presenta un riesgo ligeramente mayor que la boca del pozo, ya que las válvulas son el mecanismo de cierre y cuentan con piezas móviles», explicó Miko. «Las juntas dinámicas son más complicadas que las estáticas. Además, en la boca del pozo resulta más fácil incorporar y verificar juntas redundantes».
Entra en escena Tom Gust, director técnico de válvulas de compuerta de Stream-Flo.
«En cierto modo, nos embarcamos en un experimento», dijo Gust. «No hay especificaciones que digan que hay que hacer esto, esto y esto, así que te pones manos a la obra y haces lo que crees que es mejor».
Algunas de las características que Gust y su equipo consideraron más adecuadas para una válvula homologada para hidrógeno fueron una junta redundante situada por encima de la empaquetadura del vástago y un recubrimiento duro soldado en la compuerta y los asientos.
«Intentas limitar la porosidad», dijo Gust. «Si hay porosidad, dependes de un sellador, y pensamos que, con el hidrógeno, eso no es una buena idea».
Porque, como ha señalado Miko antes, esa porosidad puede provocar fragilidad, y la fragilidad puede provocar una pérdida de contención. Y una pérdida de contención con hidrógeno… bueno, el Hindenburg.
Con su experiencia y conocimientos especializados en condiciones ácidas extremas, alta presión e ingeniería de materiales, que habían sentado las bases de la fase de diseño, había llegado el momento de que el equipo de hidrógeno de Stream-Flo llevara a cabo algunas pruebas con prototipos.
Las pruebas se llevaron a cabo en las instalaciones de fabricación de Stream-Flo, de más de 300 000 pies cuadrados, situadas en Edmonton.
Al final, la prueba de la boca de pozo se superó sin ningún problema.
«Teníamos instalados un par de métodos adicionales de detección de fugas, además de nuestro procedimiento habitual», recordó Miko. «Contábamos con lo que se conoce como un detector de hidrógeno que medía en partes por millón, y el criterio de aceptación era de cero partes por millón, que cumplimos».
La otra herramienta para detectar fugas era una cámara de infrarrojos.
«Normalmente, cuando el gas se expande, se calienta», explicó Miko. «Así que, si hay una fuga, se notará el aumento de temperatura justo en el punto donde se produce la fuga».
Al igual que el detector, la cámara de infrarrojos tampoco detectó nada. Así que Miko y todos los presentes quisieron asegurarse de que los propios instrumentos funcionaban correctamente.
«Lo que hicimos fue desconectar todos los equipos de pruebas de presión y, de hecho, simplemente purgamos un poco de hidrógeno del depósito de almacenamiento», explicó Miko. «Entonces, de repente, los monitores empezaron a emitir señales de alarma y la cámara de infrarrojos lo detectó, así que supimos que los instrumentos funcionaban».
Y el equipo de la boca de pozo, tal y como estaba previsto.
En el caso de la válvula de compuerta, dado su mayor riesgo, se consideró necesario realizar una serie de pruebas.
Una válvula de compuerta AV Stream-Flo Crown que utiliza una compuerta expansible con ventilación para proporcionar un sellado mecánico seguro.
«Fuimos mucho más allá de lo que habíamos hecho con las válvulas para cabezales de pozo», explicó Miko. «Realizamos pruebas con hidrógeno puro, luego llevamos a cabo una prueba completa según el Anexo F de la norma PR2 de la API 6A y, por último, una prueba de resistencia al fuego. Hicimos todo ello con nuestra gama de válvulas para hidrógeno, que abarca desde las de dos pulgadas hasta las de nueve pulgadas».
Una vez realizadas las pruebas, llegó el momento de enviar los productos terminados a la obra, donde el mundo real daría su veredicto.
El pozo de almacenamiento de hidrógeno requirió la extracción por lixiviación para crear la caverna de sal en la que se almacenaría. Se necesitaron nada menos que 24 meses de bombeo continuo de agua a la formación salina para producir agua salada —y, a continuación, reutilizar esa agua salada para excavar la caverna—, lo que supuso un reto adicional para el equipo del proyecto de hidrógeno de Stream-Flo.
«Imagínate el agua salada, la presión, el caudal y los grandes volúmenes de flujo: es un entorno muy erosivo y corrosivo», explicó Miko. «Tuvimos que utilizar materiales y componentes que pudieran emplearse tanto en un entorno de hidrógeno como en uno de agua salada».
Para ello, era necesario sincronizarse perfectamente con las distintas fases del proyecto de extracción por disolución y de pozos de almacenamiento, proporcionando equipos compatibles que pudieran sustituirse fácilmente en función de la fase en la que se encontrara el proyecto.
Una vez creada la caverna y tras completar dos rondas de pruebas de almacenamiento, Miko afirma que sus equipos de hidrógeno han funcionado según lo previsto.
«La verdad es que todo ha ido muy, muy bien», dijo Miko. «Ha sido un proyecto que ha transcurrido sin problemas de principio a fin y ha sido uno de los que ha contado con mayor implicación por parte de ambas empresas en los que he participado».
Rick Miko, director de ingeniería de proyectos de Stream-Flo, habla sobre el desarrollo de productos de hidrógeno de la empresa en Edmonton, Alberta. (Redd Francisco)
Lo que, en cierto modo, comenzó como un experimento —tal y como dijo Gust—, aunque basado en décadas de experiencia resolviendo algunos de los retos más difíciles del sector del petróleo y el gas en el ámbito de las cabeceras de pozo y las válvulas, ha dado como resultado dos nuevas especificaciones de productos aptos para hidrógeno para Stream-Flo.
«El sector del petróleo y el gas va a estar bien preparado para afrontar esto como un reto; creo que, como sector, estamos listos para empezar a trabajar en proyectos relacionados con el hidrógeno», resumió Farquharson, quien lleva muchos años estudiando la cuestión del hidrógeno como recurso, además de dirigir el desarrollo de productos de Stream-Flo en este ámbito.
«No hay una gran oferta de hidrógeno; hay grandes planes y muchos sueños y aspiraciones, pero la industria del hidrógeno es pequeña», afirmó Farquharson. «En estos momentos hay seis pozos de almacenamiento de hidrógeno. Eso es lo que hay en todo el mundo. Hoy mismo participaremos en la finalización de más de seis pozos de petróleo y gas».
Esto significa que hay que moderar las expectativas en cuanto a que el hidrógeno vaya a llegar rápidamente para salvar la situación, afirma Farquharson, aunque añade que sin duda habrá oportunidades en el futuro relacionadas con este elemento.
Y serán precisamente quienes están a la vanguardia, como Stream-Flo, quienes estarán preparados para ayudar a la sociedad a aprovechar esa oportunidad cuando se presente, dotando a los productores de energía de los medios necesarios para abordar todas las grandes cuestiones esbozadas al principio.
«Hay un problema con el carbono, y los expertos en carbono se encuentran ahora mismo en el sector del petróleo y el gas», afirmó Farquharson. «Son ellos quienes van a resolver este asunto».
Cabezales de pozo Stream-Flo a la espera de ser instalados en la cuenca del Pérmico.