Termistores NTC
Apoyando la transición hacia el abandono de los combustibles fósiles con el poder de los componentes electrónicos
Aceleración de la construcción de infraestructura como pilas de combustible y equipos de electrólisis para apoyar la utilización de la energía del hidrógeno
Junto a la utilización de energías renovables, la utilización de la energía del hidrógeno desempeña un papel importante (Fig. 1).
Las oportunidades para que los consumidores conozcan la utilización del hidrógeno se limitan prácticamente a la visión ocasional de un vehículo de pila de combustible (FCV) o un autobús de pila de combustible. Sin embargo, el hidrógeno se ha convertido en una parte indispensable de los esfuerzos de descarbonización de la industria como fuente de energía de alto rendimiento o fuente de calor para turbinas, motores, calderas y similares. En el ámbito de la movilidad, los esfuerzos de descarbonización se han centrado en la adopción de vehículos eléctricos (VE) como turismos, pero el uso del hidrógeno ha asumido un papel clave en los estudios sobre el futuro de los grandes vehículos comerciales, como autobuses o camiones que deben recorrer largas distancias; la maquinaria agrícola, los equipos de construcción y las aeronaves (incluidos los drones); y los buques.
Por esta razón, en muchos países y regiones de todo el mundo se están llevando a cabo diversas políticas y proyectos destinados a ampliar los escenarios en los que se utiliza el hidrógeno.
Mejorar la sofisticación de los sistemas eléctricos y electrónicos encargados de ampliar, gestionar y controlar la utilización del hidrógeno es clave
En términos generales, se espera que la energía del hidrógeno se utilice de dos maneras.
La primera es la utilización directa de la energía térmica obtenida por la combustión del hidrógeno. Ya se está desarrollando una tecnología que permite utilizar el hidrógeno como combustible para alimentar turbinas, motores, calderas, etc., de forma segura y eficiente. Este primer enfoque es adecuado para aplicaciones en las que se requiere una potencia comparativamente grande.
El segundo es el uso de pilas de combustible para convertir la energía química del hidrógeno en energía eléctrica. Se trata de una reacción química inversa a la de la electrólisis del agua, conocida por las demostraciones de las clases de ciencias. El hidrógeno y el oxígeno de la atmósfera se convierten en agua y electricidad.
Este enfoque suele ser adecuado para aplicaciones que utilizan una potencia comparativamente baja. Los límites prácticos son tales que la producción de una sola pila de combustible puede utilizarse como fuente de energía para un vehículo, por ejemplo un autobús. Además, cuando el hidrógeno se convierte en energía eléctrica para su uso, controlar la salida es más fácil que cuando el hidrógeno se quema, por lo que el segundo enfoque también se utiliza para aplicaciones en las que se requiere un control preciso del accionamiento.
Para utilizar el hidrógeno de manera eficaz, eficiente y estable, y permitir su adopción en una amplia gama de escenarios de uso, los sistemas eléctricos y electrónicos que gestionan y controlan la utilización adecuada del hidrógeno deben interoperar entre sí. Por ejemplo, los equipos que intervienen en la producción, almacenamiento, distribución y uso del hidrógeno cuentan con componentes auxiliares como fuentes de alimentación estabilizadas, convertidores de potencia, sensores y circuitos de supresión de ruido. Además, estas tecnologías deben ser cada vez más sofisticadas a medida que se amplía la utilización del hidrógeno.
Las energías renovables y la energía del hidrógeno son complementarias
El hidrógeno utilizado como fuente de energía se divide en tres tipos en función de cómo se produce (Fig. 2), aunque la composición química de los distintos tipos es la misma. Se trata del "hidrógeno gris", el "hidrógeno azul" y el "hidrógeno verde", cada uno de los cuales contribuye a la descarbonización en distinto grado.
*Esta página está en japonés.
Las materias primas para la producción de hidrógeno gris son combustibles fósiles como el carbón y el gas natural. El hidrógeno también puede obtenerse como subproducto del refinado del petróleo o de la producción de coque en una acería. También puede producirse mediante reformado por tratamiento químico o térmico. Un ejemplo conocido serían las pilas de combustible domésticas (sistemas ENE-FARM), que utilizan hidrógeno gris producido a partir de gas ciudad. Sin embargo, como la producción de hidrógeno gris genera CO2, no puede decirse que contribuya directamente a la descarbonización. Por el contrario, el hidrógeno azul se fabrica de manera que el CO2 generado en su producción no se libera a la atmósfera. Los sistemas utilizados para producirlo incluyen mecanismos para recuperar, almacenar y utilizar el CO2 generado. Esto reduce las emisiones de CO2, pero la recuperación, el almacenamiento y el uso del CO2 conllevan los costes correspondientes.
Por otro lado, el hidrógeno verde se produce a partir del agua mediante electrólisis, empleando energías renovables como la luz solar o la energía eólica como fuente de la electricidad utilizada. Con el hidrógeno verde, las emisiones de CO2 pueden reducirse a cero. Además, dado que los métodos de generación de energía como la solar son medios inestables de generar electricidad, son adecuados para aplicaciones que requieren almacenar el excedente de energía para utilizarlo más tarde cuando se necesite. Los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) de gran capacidad que emplean baterías también se utilizan para este tipo de aplicaciones, pero el hidrógeno verde se considera adecuado para su uso como fuente de alimentación de emergencia en casos que requieran una gran capacidad de almacenamiento, fábricas, centros de datos y similares.
Puede decirse que las energías renovables y la energía del hidrógeno son complementarias. En este contexto, los gobiernos de muchos países y regiones están avanzando con políticas y proyectos destinados a promover la utilización del hidrógeno verde. Por ejemplo, la Comisión Europea y la Alianza Europea para el Hidrógeno Limpio, un grupo de empresas relacionadas con el hidrógeno dentro de la UE, anunciaron el 5 de mayo de 2022 un plan para aumentar la capacidad de producción de hidrógeno verde de las empresas de electrólisis hasta 10 veces el nivel actual para 2025.
Cómo puede contribuir la industria electrónica a la utilización del hidrógeno
La tecnología eléctrica y electrónica puede ayudar de muchas maneras a impulsar la utilización del hidrógeno.
En primer lugar, para aumentar la eficiencia en la producción de hidrógeno verde, se necesitan fuentes de alimentación de corriente continua por su alta eficiencia energética. Sólo se necesita un bajo nivel de potencia, 1,23 V o más, para realizar la electrólisis del agua. Sin embargo, para producir hidrógeno verde en grandes volúmenes aprovechando la energía procedente de instalaciones de energía renovable de alto rendimiento, como los proyectos de energía Mega Solar, se necesitan fuentes de alimentación de CC capaces de suministrar energía de CC de alto voltaje y alto amperaje de forma constante, sin pulsaciones, a un gran número de electrodos de electrólisis conectados en serie y en paralelo.
Esta tecnología se ha desarrollado utilizando como base la tecnología de alimentación de corriente continua existente en los ámbitos industrial y manufacturero, incluido el tratamiento de superficies, como el chapado de metales, y la producción de productos químicos, como la sosa cáustica. La mayoría de las instalaciones de producción de hidrógeno utilizan actualmente fuentes de alimentación de corriente continua con tensiones de varios voltios a varios cientos de voltios y amperajes de 10 amperios a varios miles de amperios.
La escala de estas instalaciones varía, pero va desde la baja capacidad de las estaciones de hidrógeno compactas in situ hasta la gran capacidad de las plantas de producción de hidrógeno de megavatios. Aumenta la demanda de fuentes de alimentación de corriente continua con distintos niveles de capacidad. Muchos de los sistemas de gran capacidad se conectan a la red de corriente alterna, lo que requiere medidas para minimizar los efectos de los armónicos en las líneas eléctricas. Además, para generar corriente continua estabilizada de forma más eficiente, se están estudiando configuraciones de circuitos de potencia que incorporan dispositivos semiconductores de potencia de alto rendimiento, como los IGBT o los MOSFET basados en SiC.
Además, después de que una pila de combustible convierta la energía del hidrógeno en energía eléctrica, para utilizarla se necesita un convertidor de potencia que la convierta en corriente continua o alterna, que se adapte al fin para el que se va a utilizar la salida y que la suministre de forma estable. Además, se necesitan sistemas de gestión y control para supervisar la serie de procesos que van desde la generación de energía por la pila de combustible hasta su consumo por los motores, etc., así como un control de seguridad para evitar problemas como fugas de gas hidrógeno, cortocircuitos o embalamiento térmico. Esto requiere un gran número de sensores para detectar el gas, la presión, el flujo, etc.
Reducción del tamaño de los equipos que utilizan hidrógeno para convertirlo en una fuente de energía más familiar
La utilización del hidrógeno se inició en aplicaciones que requerían un rendimiento relativamente alto, y su adopción se está extendiendo en la actualidad. Sin embargo, una vez que madure la tecnología para generar hidrógeno ecológico, hacer más eficientes las pilas de combustible y reducir su coste, cabe esperar que se reduzcan los sistemas de utilización y sea posible utilizar el hidrógeno como fuente de energía para dispositivos que requieran una menor producción.
En general, si el hidrógeno se produce en grandes cantidades en centrales situadas en regiones alejadas de las grandes ciudades y luego se transporta hasta el lugar donde se consumirá, se pierde una gran cantidad de energía durante el proceso de transporte. Esto se debe a que es necesario comprimir el hidrógeno gaseoso generado y luego refrigerarlo hasta convertirlo en líquido. Existen otros métodos de transporte que consisten en convertir el hidrógeno en sustancias químicas más fáciles de transportar, pero estas aplicaciones también consumen una cantidad proporcional de energía. Por estas razones, permitir la producción local para el consumo local de hidrógeno siempre que sea posible es una mejor manera de aumentar la eficiencia de uso.
Ya se han instalado aquí y allá estaciones de hidrógeno muy parecidas a las gasolineras convencionales, y avanzan los esfuerzos para hacer realidad el concepto de producción local de hidrógeno y su suministro como combustible para diversos tipos de aplicaciones de movilidad. Un ejemplo de este intento es la comercialización de una pila de combustible portátil que puede utilizarse como batería móvil para cargar dispositivos como teléfonos inteligentes. También se está estudiando el desarrollo y la colocación descentralizada de equipos compactos de generación de hidrógeno basados en la tecnología fotocatalítica que utiliza la luz solar para realizar la fotólisis del agua.
El hidrógeno complementa a las energías renovables como fuente de energía indispensable para alcanzar la neutralidad de carbono. Sin embargo, es necesario adoptar medidas adecuadas para que los consumidores puedan utilizar el gas hidrógeno de forma segura en entornos familiares. Para que sea posible una utilización segura y altamente eficiente, deben establecerse normas de seguridad y legislación, al tiempo que debe sofisticarse la utilización de la tecnología eléctrica y electrónica, incluidos los sistemas de gestión y control que hacen uso de sensores de diversos tipos, fuentes de alimentación de CC de alta eficiencia y circuitos de convertidores de potencia. En consecuencia, hay grandes expectativas en cuanto al desarrollo y la propuesta de nuevas tecnologías por parte de las empresas relacionadas con la electrónica.
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