Control de caudal de H2 y O2 en electrolizadores con reguladores de contrapresión

En la transición mundial del uso de energía basada en fósiles a una infraestructura de energía verde más sostenible, los electrolizadores que convierten el agua en hidrógeno "verde" son cada vez más importantes. 

En este artículo explicamos cómo los reguladores de contrapresión de Equilibar controlan las corrientes de hidrógeno producidas en la electrólisis en un amplio rango de presión y un amplio rango de flujo con una precisión muy alta.

Tradicionalmente, el hidrógeno siempre ha tenido un origen fósil. La forma más común de producir hidrógeno, incluso hoy en día, se basa en el "reformado de metano con vapor" (o SMR). Aquí, el hidrógeno se "libera" del gas natural, con el dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, como subproducto no deseado.

Una forma ideal de producir hidrógeno limpio y verde se basa en hacer pasar una corriente eléctrica a través del agua, dividiéndola efectivamente en hidrógeno y oxígeno, un proceso comúnmente conocido como electrólisis. Esta generación de hidrógeno es aún más ecológica si la corriente eléctrica tiene un origen sostenible, como la corriente basada en placas solares o turbinas eólicas. 

Cuando la presión del proceso es mayor que la presión de referencia, esta diferencia de presión eleva el diafragma para liberar la sobrepresión

La electrólisis es efectivamente una forma de transformar la energía eléctrica en hidrógeno como portador de energía. Este 'power-to-gas' puede usarse como almacenamiento a largo plazo de energía eléctrica o para usar el hidrógeno más tarde como combustible limpio.

¿Qué es un electrolizador?

Un diseño práctico de un dispositivo de división de agua de este tipo es un electrolizador de membrana de intercambio de polímeros (PEM). El agua ingresa al dispositivo por un lado como una corriente continua, mientras que la corriente eléctrica permite que el hidrógeno pase selectivamente a través de la membrana permeable hacia el otro lado del dispositivo. 

Esto divide el agua en oxígeno gaseoso e hidrógeno gaseoso, que salen del dispositivo en lados separados del electrolizador. Dado que el hidrógeno se almacena a menudo a alta presión después de la electrólisis, es aconsejable operar el electrolizador también a alta presión. Esto evitará cualquier paso de compresión adicional, lo que reducirá la complejidad y los costes de producción.

Control de presión constante

El control de presión constante de los flujos continuos de gas de oxígeno e hidrógeno que son producidos por el electrolizador es una necesidad.

Especialmente, la diferencia de presión entre los dos flujos debe ser lo más pequeña posible para evitar cualquier tensión mecánica en la membrana del electrolizador. 

Y eso es todo un desafío con una presión de funcionamiento tan alta. Sin embargo, existe una solución: los reguladores de contrapresión Equilibar son ideales para el control de estas presiones. 

Regulador de contrapresión de Equilibar

En una de las imágenes adjuntas, puede verse el interior de un regulador de contrapresión de Equilibar. En dicho regulador, un diafragma flexible separa un puerto de referencia de un puerto de proceso.

¿El truco de este instrumento? Al establecer la presión en el puerto de referencia, se controla la presión en el puerto de proceso. Este puerto de proceso consta de un conjunto de orificios paralelos, cubiertos y sellados por el diafragma.

Cuando la presión del proceso es mayor que la presión de referencia, esta diferencia de presión eleva el diafragma para liberar la sobrepresión. Este diafragma es la única parte móvil del regulador de contrapresión.

Flujo muy bajo o muy alto

Este regulador de contrapresión se encuentra aguas abajo del electrolizador, conectado directamente a uno de los flujos de gas que salen del dispositivo. Un regulador de contrapresión controla el flujo de hidrógeno y otro controla el flujo de oxígeno.

Con un flujo muy bajo, solo se levanta una pequeña parte del diafragma por encima de un orificio para liberar la presión. 

Con un flujo muy alto, todo el diafragma por encima de todos los orificios se levanta para liberar la presión. 

Esto es esencial para una aplicación de electrolizador: en el arranque y apagado, el flujo es alto a una presión ultra baja, mientras que durante el funcionamiento "normal" la presión es alta con un flujo ultra bajo. Esto da como resultado un rango de flujo muy amplio, con una rangeabilidad de 1000:1 o incluso mayor.

 ¿Cómo manejamos el flujo bifásico?

En esta aplicación, estamos tratando con gases (hidrógeno y oxígeno) y un líquido (agua). En el mismo lado del electrolizador donde se introduce el agua se forman burbujas de oxígeno dando lugar a un flujo bifásico líquido/gas.

En el mismo lado del electrolizador donde se introduce el agua se forman burbujas de oxígeno dando lugar a un flujo bifásico líquido/gas

Afortunadamente, los múltiples orificios del regulador de contrapresión de Equilibar permiten controlar la presión del flujo de oxígeno en presencia de agua. Si bien algunos de los orificios pueden estar inundados con líquido, los orificios abiertos restantes aún pueden transportar gas y, por lo tanto, liberar presión. El gas simplemente elige otro camino diferente a del líquido.

Durante el funcionamiento normal, debe evitarse el flujo bifásico. La capacidad del regulador de contrapresión para hacer precisamente eso se suma directamente a la solidez del sistema y su idoneidad para aplicaciones de electrólisis.

Alta presión y precisión de control

Aunque el electrolizador puede funcionar a una presión total alta, digamos 50 bar, la diferencia de presión entre el lado del oxígeno y el lado del hidrógeno debe estar en un rango de 10-100 mbar, según el tipo de electrolizador. Esta es la diferencia de presión máxima que puede manejar la membrana del electrolizador.

Esta alta precisión (50 mbar en relación con la presión de funcionamiento de 50 bar) requiere una precisión de control de <0,1 %FS, lo que supone un gran desafío para las válvulas tradicionales, a menudo incluso imposible. Los reguladores de contrapresión de Equilibar son capaces de manejar esta alta precisión controlando la presión del proceso mediante una presión de referencia. 

La electrólisis es una forma de transformar la energía eléctrica en hidrógeno como portador de energía

Para gestionar esto, los puertos de referencia de los reguladores del lado del oxígeno y del lado del hidrógeno deben estar interconectados, como se puede ver en la imagen a continuación.

Regulador robusto para temperaturas más altas

Para electrolizadores que funcionan a 40 – 60 °C, que requieren una temperatura de diseño de 120 °C, este regulador de contrapresión es una buena opción, ya que los materiales que lo componen pueden soportar temperaturas más altas.

Además, dado que el oxígeno presenta el riesgo de autoignición en altas concentraciones, el robusto regulador se puede construir con varios materiales químicamente inertes que pueden hacer frente a estas condiciones, como Monel o latón. El diafragma puede estar hecho de PEEK, SS316 o Hastelloy.

Texto elaborado por Pressure Control Solutions | Traducción Rosetta Technology