Estudio real: ¿Cómo debe ejecutarse el proceso de mezcla de hidrógeno con gas natural?

En el día de hoy, voy a hablar sobre qué efecto tiene el blending de hidrógeno en el gas natural, entrando a analizar cómo cambian las propiedades más significativas de cara a su uso como combustible en la industria o uso residencial.

El gas natural consiste en una mezcla de gases, en proporciones variables, pero donde el metano (CH₄) constituye el elemento principal con un porcentaje superior al 90%, y el resto otros hidrocarburos gaseosos como etano (C₂H₆), propano (C₃H₈), butano (C₄H₁₀) y/o nitrógeno (N₂) o hidrógeno (H₂), entre otros.

Para el caso de estudio que voy a describir en las siguientes líneas, he establecido una corriente de metano 100%, siendo está una suposición acertada, dado que he comprobado los cálculos con composiciones reales de gas natural, y los resultados son iguales.

Análogamente, quiero resaltar que las propiedades del gas están ligadas a la temperatura y la presión a la que se encuentre la mezcla gaseosa. Es por ello, que voy a destacar que los cálculos que aquí presento han sido realizados a 15ºC (288 K) y 1 bar (0,1 MPa).

Contexto del blending

Evidentemente, en un mundo descarbonizado la gran infraestructura gasista que España dispone está condenada a la irrelevancia si los combustibles fósiles se descartan.

En ese escenario, se baraja la adicción del hidrógeno al gas natural para aprovechar las tuberías que están en operación. La combustión del hidrógeno (H₂), al no disponer de carbono en su estructura, no emite dióxido de carbono (CO₂). Así pues, son muchos los que abogan por el blending de hidrógeno para descarbonizar las redes de distribución, y sus posteriores usos aguas abajo.

Mediante el análisis que seguidamente vais a leer, quiero que todos dispongáis de DATOS OBJETIVOS Y CON RIGOR TÉCNICO para que sepáis las implicaciones reales del blending en el gas natural.

Cuando me puse a elaborar los cálculos, inconscientemente, mi cabeza espera finalizar con un gráfico con esta tendencia lineal. Donde, cada 10% en volumen de hidrógeno que incluimos en el gas natural, reduciría en un 10% en volumen las emisiones de CO₂.

Pero mis conclusiones no eran del todo acertadas. Ahora entenderéis porque. La gráfica en sí está bien, ya que, si quito 10% en volumen de CH₄ en la mezcla inicial, para meter otro 10% en volumen de H₂ (que NO emite CO₂), evidentemente, las emisiones de CO₂, se reducirán en un 10%. Hasta aquí, todos de acuerdo, ¿verdad?

Pero porque digo que las conclusiones no eran del todo acertadas: porque en ese gráfico no he tenido en consideración los cambios que ocurren en el poder calorífico en la mezcla nueva que se genera. Por ende, en el gráfico arriba descrito las emisiones que se generan, descienden de manera lineal, pero la mezcla de gases que genera el bleding de hidrógeno NO aporta el mismo calor que la corriente inicial de 100% CH₄.

No debemos olvidar, que la finalidad de una combustión siempre es la misma: obtener un calor, ya sea para un proceso industrial o para la calefacción; pero sobre todo, un calor constante.

Para comprender esto, lo mejor es analizar las diferencias entre los dos gases en sus estados puros, como podéis observar en la siguiente tabla, debido a su naturaleza, tienen diferentes características.

En la siguiente gráfica podéis ver cómo cambia el peso molecular de la mezcla H₂-CH₄, y análogamente, la evolución del poder calorífico másico de la mezcla.

El peso molecular de la mezcla desciende de manera constante, a medida que gradualmente incluimos el hidrógeno a la mezcla, aritmética pura. En cambio, el poder calorífico másico se ve muy influenciado por la densidad energética másica del hidrógeno. No nos olvidemos, que el hidrógeno pesa muy poco y ocupa mucho volumen a condiciones atmosféricas.

¿Qué ocurre con el caudal másico al hacer blending de hidrógeno?

Por lo tanto, he establecido una caldera de 1 MW que nos aporte un calor (1000 MJ/h) como objetivo de la mezcla, para de ese modo, normalizar los datos teniendo en cuenta la variación de cada una de los componentes. De este modo, con la corriente inicial de 100% CH₄, necesitaremos un caudal másico de 17,994 kg/h para obtener el calor fijado de 1000 MJ/h en el quemador.

Cual es la primera particularidad que se cruza en nuestro camino, a medida que vamos incluyendo 1, 2, 3, 4, 5 … 99% de Hidrógeno, y reduciendo en igual proporción el contenido en CH₄, ( por ejemplo 99% CH₄ + 1% H₂, 98% CH₄ + 2% H₂ … ), que el peso molecular del hidrógeno es 8 veces menor que el metano. Por lo tanto, cuando miramos el caudal másico (es decir, el caudal en masa), el meter hidrógeno no tiene apenas impacto, como podréis observar en la siguiente gráfica.

Como podéis comprobar, de la corriente inicial de 100% CH₄ a la corriente final de 100% H₂, se necesita 2,55 veces MENOS masa para obtener el mismo calor en la combustión. Sin embargo, el hidrógeno no se encuentra en estado sólido, sino en gas. Por lo que sería, más adecuado hablar en volumen, que en masa.

¿Pero entonces qué ocurre con el caudal molar al hacer blending de hidrógeno?

Bueno, en ese caso es diferente. Ya que, en el caudal másico era relevante la densidad energética gravimétrica (MJ/kg), pero en el caudal molar, lo relevante es la densidad energética volumétrica (MJ/m³). De este modo, con la corriente inicial de 100% CH₄, necesitaremos un caudal másico de 1,122 kmol/h para obtener el calor fijado de 1000 MJ/h en la combustión.

Todos os acordareis que en el colegio en la asignatura de Química se daba la ley de los gases ideales, la cual se regia por PV = n RT. De esa formula podemos sacar, que 1 mol de gas, ocupa 22,4 L a condiciones estándares de presión y temperatura.

Como podéis comprobar, de la corriente inicial de 100% CH₄ a la corriente final de 100% H₂, se necesita 3,11 veces MÁS moles (= volumen) para obtener el mismo calor en la combustión.

Entonces, qué observamos, que para lograr el mismo calor que lográbamos con 100% CH₄, la tendencia de la reducción de emisiones de CO₂ al hacer blending de Hidrógeno, NO ES LINEAL, tiene FORMA DE TIRO PARABÓLICO.

Descarbonización lograda por blending de hidrógeno

En la siguiente gráfica podemos comprobar lo poco que descarboniza hacer blending de hidrógeno en una corriente de 100% metano. Pensad que el gas natural es +90% metano, y el resto lo conformar otros hidrocarburos como etano, propano, butano… Por lo que, estamos ante el mismo escenario.

Como podéis observar en el gráfico:

-Un 25% de adicción de H₂, descarboniza un 10%.

-Un 50% de adicción de H₂, descarboniza un 24%.

-Un 75% de adicción de H₂, descarboniza un 48%.

Por lo que, si queremos convertir en más sostenible el gas natural (combustible fósil) el blending de hidrógeno tiene un impacto limitado. Ya que como se ha demostrado durante este análisis, la reducción de emisiones que se logra es mínima. Otra cosa distinta es, que sea una corriente 100% hidrógeno, eso si descarboniza.

Por concluir, y por si alguien le ha picado la curiosidad como a mí, esta es la descarbonización que genera el blending de hidrógeno en el resto de hidrocarburos gaseosos (corrientes 100%).

Es evidente que cuanto mayor es el peso molecular del hidrocarburo gaseoso, menor es la descarbonización que se logra con el blending de hidrógeno, y por lo tanto, menor es la reducción de las emisiones de CO₂ asociado a ello.