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Cambiar una ciudad del gas natural al hidrógeno

Gas flame
  • El programa H21 ha demostrado que el suministro de gas natural de una ciudad se puede descarbonizar utilizando hidrógeno al 100%.
  • Convertir las redes de gas existentes a hidrógeno es técnica y económicamente viable
  • Las pruebas están demostrando el caso de seguridad para tal interruptor
  • El programa podría respaldar el caso de que el hidrógeno con bajas emisiones de carbono y sin emisiones de carbono se convierta en el principal portador de energía del mundo.

Mientras que la combustión de gas natural emite aproximadamente la mitad del carbono de una cantidad equivalente de petróleo o carbón, la combustión del gas hidrógeno (H2) no emite nada en el punto de uso.

El reformado con vapor-metano (SMR) es el proceso principal utilizado para separar el gas natural, que es principalmente metano, para producir H2 y dióxido de carbono (CO2). Luego, el hidrógeno puede usarse como combustible con menos carbono, mientras que el CO2 capturado puede transportarse y almacenarse en campos de petróleo y gas agotados a través de la captura y almacenamiento de carbono (CCS; Figura 1).

Algunos operadores de sistemas de distribución de gas (DSO) creen que H2 puede hacer que el uso económico continuo de la infraestructura de gas existente sea más aceptable social y políticamente en un mundo descarbonizado.

Uno de esos operadores es Northern Gas Networks (NGN) del Reino Unido, cuyo director del programa H21, Dan Sadler, gestiona el programa H21. Esta iniciativa financiada por el gobierno, dirigida por NGN en nombre de los DSO de Gran Bretaña, está investigando y probando la distribución de H2 en las redes de gas natural existentes en el Reino Unido. “El objetivo es brindar a los clientes todos los beneficios del gas sin la huella de carbono”, dijo.

Figure 1: Carbon footprint of mains gas
Figura 1: Comparación de la huella de carbono del 100% de gas natural en la red de gas con la del gas natural mezclado con porcentajes variables de hidrógeno procedente de la reformación de metano de vapor (SMR) vinculado a la captura y almacenamiento de carbono. (Gráfico: DNV GL a partir de datos publicados por DECC / Communities SAP 2012
Si la red de distribución existente no se puede reutilizar en una combinación de energía descarbonizante, podría convertirse efectivamente en un activo varado por el que los clientes ya han pagado
Dan Sadler,
  • H21 programme director
  • Northern Gas Networks

El programa H21 se basa en el proyecto original H21 Leeds City Gate. El proyecto utilizó un enfoque de modelado para demostrar la viabilidad técnica y económica de convertir la red de gas natural (predominantemente metano) en esta gran ciudad del Reino Unido en hidrógeno 100% bajo en carbono (Figura 2).

En la visión de H21, el H2 bajo en carbono sería suministrado inicialmente por SMR o por un proceso llamado reformado autotérmico. El suministro pasaría a H2 totalmente sostenible a partir de fuentes renovables globales en la última parte del siglo.1,2

El mundo está observando el H21, señaló Sadler: “Los países de todo el mundo tienen el mismo gran desafío de cumplir con las obligaciones establecidas por el Acuerdo de París y el Protocolo de Kioto. Muchos obtienen entre el 40 y el 60% de su energía total del gas natural, y la visión detrás del H21 ha despertado el interés mundial en el hidrógeno porque la solución es aplicable a nivel mundial y permite la disponibilidad masiva de hidrógeno en el punto de uso".

Como en otras naciones con redes de distribución de gas establecidas, la mayor parte de la infraestructura para usar H2 en el Reino Unido ya existe. Sadler explicó: “Desde la perspectiva de la infraestructura, necesitamos nuevas instalaciones de producción de hidrógeno, CCS y un nuevo sistema de tuberías de transmisión de hidrógeno. Esto es muy pequeño en comparación con la longitud de los activos de la red de distribución de gas del Reino Unido que se pueden reutilizar. Pero primero necesitamos respuestas basadas en evidencia a importantes casos de seguridad y preguntas estratégicas".

Haciendo el caso de seguridad

Un proyecto importante dentro del programa H21 tiene como objetivo producir evidencia cuantitativa basada en la seguridad para confirmar, para 2021, que una red 100% H2 conllevaría un riesgo de seguridad comparable a las redes actuales que suministran gas natural y / o gas urbano. El último de estos gases es una mezcla de combustible gaseoso inflamable que contiene un 50% de hidrógeno. Se elabora, por ejemplo, mediante la combustión libre de oxígeno de carbón, o de nafta o una materia prima de gas natural / nafta.

La investigación de seguridad es el foco de la iniciativa de Competencia de Innovación de Red (NIC) de GBP10 millones (m) H21 que involucra a todos los DSO del Reino Unido y está respaldada por el regulador de los mercados de gas y electricidad del país, Ofgem. DNV GL se encuentra entre las cinco organizaciones involucradas como socios principales. El Centro de Investigación y Pruebas Spadeadam de la empresa está involucrado en estudios críticos cuyos hallazgos se utilizarán en el análisis cuantitativo de riesgos.

Figure 2: A concept for piped hydrogen gas distribution based on the H21 Leeds city gate project
Figura 2: La infraestructura de la red de gas existente puede transportar gas natural, que es principalmente metano (CH4), y una mezcla de metano / hidrógeno (H2). El proyecto H21 Leeds City Gate demostró que sería factible convertir la red de gas natural de la ciudad del Reino Unido en 100% de H2 suministrado por reformado de metano a vapor y almacenado en cavernas de sal en tierra. El dióxido de carbono del proceso se capturaría y almacenaría en alta mar en depósitos de gas agotados. (Gráfico: DNV GL basado en el concepto H21 Leeds City Gate de NGN)
Si queremos lograr los objetivos inminentes del cambio climático, debemos reforzar la voluntad y la forma de hacer realidad la energía del hidrógeno limpio; es un gran desafío
Andy Cummings,
  • principal consultant
  • DNV GL - Oil & Gas

"Estamos buscando realizar una serie de experimentos diferentes para examinar el comportamiento del hidrógeno, como las tasas de dispersión, las posibles fuentes de ignición y el análisis de grandes emisiones", explicó Andy Cummings, consultor principal de DNV - Energy Systems, quien es proyecto que gestiona la construcción en curso de instalaciones de prueba para H21 en Spadeadam. "Estos resultados ayudarán a evaluar los aspectos operativos y de seguridad, y se incorporarán a la evaluación cuantitativa general del riesgo que está llevando a cabo el equipo asesor de DNV".

El trabajo se basa en la investigación experimental que se ha llevado a cabo para el gas natural como parte de la conversión de gas ciudad y permitirá mitigar cualquier cambio en el riesgo de seguridad.

Nuevo concepto para suministrar gas hidrógeno a una gran región del Reino Unido

Una vez que la evidencia de seguridad está en su lugar, no hay "nada más que voluntad política" para dejar de convertir las redes de distribución de gas al 100% H2, dijo Sadler.

Habiendo demostrado la viabilidad técnica de convertir la red de gas natural de una gran ciudad al 100% de H2, el proyecto H21 ahora está configurado para describir en detalle cómo el suministro de gas podría transformarse de manera similar en toda una región.

NGN publicará el proyecto H21 North of England (NoE) en noviembre de este año (2018). Esto presenta un "diseño conceptual" para convertir una región completa en H2 entre 2028 y 2035. La región consume alrededor de 85 teravatios hora (TWh) de gas al año. Tiene 3,7 millones de puntos de medición de gas y el 12,5% de la población del Reino Unido en áreas como Bradford, Huddersfield, Hull, Leeds, Liverpool, Manchester, Teesside, Tyneside, Wakefield y York.

El diseño del proyecto incluye una instalación de producción de H2 de 12,15 gigavatios; 8 TWh de almacenamiento entre estaciones; toda la infraestructura en tierra asociada; y los requisitos del esquema de CAC asociado a escala de 20 millones de toneladas por año para 2035.

Una opción política creíble para el gobierno

El proyecto H21 NoE podría representar una primera opción de política creíble para el gobierno del Reino Unido, luego de la finalización de las últimas piezas de evidencia crítica de seguridad proporcionada por los programas H21 NIC e Hydrogen for Heat (Hy4Heat) para 2023, sugirió Sadler. Hy4Heat es un proyecto de demostración de 25 millones de libras esterlinas dirigido por el gobierno "aguas abajo del medidor". Su objetivo es establecer si es técnicamente posible y seguro reemplazar el metano con H2 en edificios comerciales y residenciales y aparatos de gas.

De manera alentadora para los defensores de H2, el "Plan de crecimiento limpio" del gobierno del Reino Unido de octubre de 2017 muestra la conversión de las redes de gas natural al 100% de H2 como una de las opciones creíbles a gran escala para la descarbonización.

Como la mayoría de las naciones, el Reino Unido está comprometido en virtud del Acuerdo de París a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Se enfrenta a un desafío conocido en todo el mundo: en 2017, el 44% del consumo de energía de 1.600 TWh del Reino Unido se destinó al calor, y el gas representó dos tercios (67%) de ese consumo.3

“Es difícil descarbonizar la demanda de calefacción”, enfatizó Sadler. "De ahí la importancia del proyecto H21, que en el próximo informe H21 NoE mostrará cómo ese 100% de hidrógeno en las redes de distribución de gas del Reino Unido significaría un 94% menos de emisión de gases de efecto invernadero a partir del calor utilizando tecnología de referencia probada".

Un nuevo plan maestro de gas

Educar al público ha sido el principal desafío hasta ahora para H21, dijo Sadler: “Necesitamos cambiar la percepción de que siempre debe darse el caso de que una fuente de energía sea la 'ganadora', como la electricidad, el gas o el petróleo. Realmente necesitamos todo para proporcionar un suministro seguro de energía sostenible y asequible. La elección debe basarse en qué sistemas garantizados con bajas emisiones de carbono se pueden construir en los plazos disponibles ".

El sistema energético mundial simplemente debe cambiar si se quieren cumplir las obligaciones del cambio climático, agregó: “El hidrógeno es mucho menos perturbador y mucho más barato que cualquier otra alternativa a una escala comparable. Se puede hacer a la escala adecuada y en el momento adecuado para cumplir con las obligaciones nacionales e internacionales de descarbonizar la energía”.

El hidrógeno se puede comerciar y transportar fácilmente, y su producción a gran escala catalizaría una amplia gama de nuevas oportunidades económicas y respaldaría una mayor propagación más rápida de los vehículos de celda de combustible H2, concluyó: “Cuando se observan todos los beneficios, simplemente pregúntate: ¿por qué no querrías hacer eso? "

Referencias
  1. "H21 Leeds City Gate: informe completo", NGN, Wales & West Utilities, Kiwa, Amec Foster Wheeler, julio de 2016
  2. ‘H21 Update’, RIIO: NIC, Cadent, NGN, SGN, Wales & West Utilities, marzo de 2018
  3. 'Consumo de energía en el Reino Unido: actualización de 2018', Departamento de Estrategia Comercial, Energética e Industrial, julio de 2018

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