Medición de hidrógeno y gas natural enriquecido con hidrógeno con caudalímetros ultrasónicos

Las energías renovables, como la eólica, la hidráulica o la solar juegan un papel cada vez más relevante en la descarbonización del suministro energético. Para mantener un suministro de energía estable y asequible, el gas natural es y seguirá siendo muchos años una fuente de energía necesaria. En la búsqueda de alternativas, el hidrógeno como fuente de energía adicional lleva tiempo en el punto de mira. Además, el almacenamiento de energía se ha convertido en un factor que cobra cada vez más importancia, no solo para acercarnos al objetivo de obtener energía limpias sin CO2, sino también para hacer frente a las fluctuaciones en la generación de energía, sobre todo debido a la climatología, y también a las variaciones estacionales en el consumo.

Hidrógeno en la red de gas

La generación de hidrógeno a partir de fuentes renovables y su suministro a las redes de gas existentes juegan un importante papel en el camino hacia un mundo alimentado con energías limpias sin CO2. El hidrógeno puede generarse en lugares con una alta disponibilidad de energías renovables y, además, puede almacenarse y transportarse hasta el consumidor como fuente de energía adicional a través de las redes de gas existentes. Los sistemas actuales de distribución de gas natural permiten el almacenamiento y transporte de hasta un 30 % de volumen de hidrógeno.

Las redes para transportar hidrógeno puro se implantarán primero a nivel regional e irán creciendo poco a poco para poder formar redes mayores. Las estimaciones para una red de transporte de hidrógeno en toda Europa parten de 40.000 km, que podrían estar disponibles en 2040.

Consecuencias para la medición del caudal de gas

Por estas razones, hoy en día es cada vez más importante poder contar con una medición estable y fiable del caudal de gas natural con mezcla de hidrógeno. La variación en la composición del gas supone nuevos desafíos en la técnica de medición para las distintas tecnologías de contadores, ya que el hidrógeno añadido afecta a las propiedades del gas natural: la densidad, la viscosidad, la capacidad de explosión y las velocidades de flujo y del sonido varían. Esto supone una serie de exigencias totalmente nuevas para tuberías, compresores, juntas, válvulas, sistemas de medición, etc. Por ejemplo, en lo que atañe al riesgo de fugas o de explosiones, o para el cálculo del poder calorífico. Con este panorama, las empresas operadoras y suministradoras de gas se preguntan en qué medida se verá afectado el rendimiento de sus caudalímetros.

En las últimas dos décadas, la medición ultrasónica del caudal ha marcado nuevos estándares en cuanto a fiabilidad, sostenibilidad y exactitud de medición tanto en el sector del gas natural como en la industria del gas de proceso.

La adición de hidrógeno al gas natural aumenta notablemente la velocidad del sonido (SOS) de la mezcla de gases. Con un 100 % del volumen de hidrógeno, es de unas tres veces mayor que la del gas natural. Los diagramas en la figura 1 muestran la SOS para el gas natural, para una mezcla de este con un 30 % de hidrógeno y para hidrógeno puro.

De aquí se derivan más exigencias para el diseño de los USM. Es necesario poder garantizar tanto el campo de medición equivalente del gas natural como la incertidumbre de medición requerida. Esto incluye la reducción de la dispersión de los valores medidos, la reducción de la sensibilidad cruzada frente a las oscilaciones de presión, temperatura y medios y la reducción de la influencia de la mecánica de fluidos

En el gas natural con mezcla de hidrógeno hasta un 30 % es posible aún compensar estos efectos.

Medición de caudal ultrasónica: preparados para los retos del futuro

Para las mediciones futuras y calibradas de las mezclas de gas con hidrógeno y de hidrógeno puro, cabe esperar que se aplicarán las mismas especificaciones y los mismos requisitos, en especial en cuanto a exactitud de medición, que para la medición del gas natural. Por eso, los caudalímetros de gas ultrasónicos (USM en sus siglas en inglés) deberán que adaptarse a las nuevas mediciones.

Por otra parte, las conducciones destinadas específicamente al transporte de hidrógeno no se van a diferenciar esencialmente de las de gas natural. Los requisitos se corresponden más o menos con los de los contadores actuales de gas natural. Para conseguir una capacidad de transporte energéticamente equivalente harán falta o bien diámetros más pequeños o bien caudales mayores en las conducciones. Por esta razón, los USM diseñados para el hidrógeno deberán permitir mayores velocidades del gas.

Puesto que todos estos requisitos son perfectamente asumibles, los USM resultan ideales para la medición del caudal en la transferencia de custodia en las redes futuras de transporte y distribución, tanto con mezclas de hidrógeno como con hidrógeno puro.

Las ventajas de la medición de caudal con los USM son:

• Mayor rango de diámetro nominal (DN50 a DN1400)
• Mayor intervalo de medición de ≥ 1:100
• Sin bloqueos, sin pérdida de presión
• Sin piezas con movimiento mecánico, sin pulsación
• Mayor velocidad de flujo con el hidrógeno
• Calibración transferible a otros medios

Además de la clasificación según el contenido de hidrógeno, los USM también se diferencian en función del uso en aplicaciones de gas de proceso, en las redes de transporte y en las redes de distribución:

A. Medición del gas de proceso

Los USM se utilizan desde hace años en las plantas de gas de proceso para la medición de gases con distintos porcentajes de hidrógeno. Se diferencian de los equipos de medición estándar diseñados para certificación obligatoria en las restricciones para las mediciones en gases con un alto contenido de hidrógeno. Estas afectan a las condiciones de entrada, a la incertidumbre de medición y a las restricciones del rango de presión y de caudal. Con el desarrollo de nuevos sensores de ultrasonido para el uso en hidrógeno puro, dejarían de aplicarse las restricciones anteriores frente a los contadores estándar también en estas aplicaciones.

B. Medición de gases con hidrógeno en redes públicas

En las redes de transporte circulan grandes volúmenes de gas en tuberías con un diámetro nominal a partir de DN400 con altas presiones. Los caudalímetros de última generación como el FLOWSIC600-XT miden también gases con un contenido de hasta el 30 % de vol. de hidrógeno y están aprobados para la transferencia de custodia. El requisito para ello es que a la fiabilidad y la calidad de los resultados de medición no les afecten (o les afecten mínimamente) las variaciones de densidad, velocidad de flujo y la SOS.

C. Medición de gases con contenido de hidrógeno en las redes de distribución

Los USM en las redes de distribución se diferencian en su rango de presión (típicamente <20 bar) y su diámetro nominal (≤ DN150). El FLOWSIC500 está especialmente diseñado para el uso en la distribución de gas natural. Está cualificado para la medición de hasta un 30 % de vol. de hidrógeno para todo el rango de especificación ya que se ha adaptado la evaluación de señales y ampliado el rango de SOS.

Gas Quality Indicator (GQI): determinación del contenido de hidrógeno

Además de medir una serie de valores primarios y de alcanzar la exactitud de medición requerida, los caudalímetros de gas ultrasónicos (USM) ofrecen otras ventajas:

La implementación de un indicador de calidad del gas (GQI) en los USM ofrece la posibilidad de registrar variaciones en la composición del gas a través del valor de velocidad del sonido (SOS). El alto valor de SOS del hidrógeno permite que puedan detectarse incluso pequeñas variaciones de su contenido con gran precisión. Si se conocen la composición del gas de referencia o su valor de SOS (sin hidrógeno), puede también determinarse el contenido de hidrógeno con mucha exactitud. El dispositivo compara el valor de SOS medido con el valor de SOS de referencia y parte de la base de que las diferencias solo pueden atribuirse a la adición de hidrógeno para determinar así su contenido en la mezcla. Esta aproximación se obtiene mediante una fórmula empírica que está implementada en el firmware de los USM.

La imagen de abajo muestra como ejemplo un USM FLOWSIC500 en la estación de mezclado del proyecto piloto "Hidrógeno en la red de gas" de la región de Fläming, en el estado alemán de Sajonia-Anhalt. En este proyecto colectivo se realizan adiciones de hidrógeno a la red pública de gas natural de hasta un 20 % de vol. Con el contador se mide el volumen de la mezcla de ambos gases y, al mismo tiempo, con ayuda del GQI se registra el contenido de hidrógeno en el gas natural.

Resumen

Los caudalímetros de gas ultrasónicos se utilizan con éxito desde hace más de 20 años para la medición del volumen de gas en un gran número de aplicaciones. Estas incluyen aplicaciones para gases con distintos contenidos de hidrógeno. Los dispositivos utilizados en estas aplicaciones, así como otros de la gama FLOWSIC de SICK, ya se han adaptado y autorizado para la medición fiscal del gas natural con hasta un 30 % de volumen de hidrógeno. Las operadoras públicas de gas pueden sumarse a esta tendencia y suministrar, transportar o almacenar hidrógeno regenerado en sus redes de gas existentes sin tener que invertir en caudalímetros nuevos.

Las posibilidades de diagnóstico de los USM permiten, además de la medición de cantidad, una determinación de la calidad del gas. De esta forma es posible disponer de no solo un método de análisis complementario del hidrógeno, sino que también permite prescindir en algunas aplicaciones de costosas técnicas de análisis para el cálculo de porcentaje de hidrógeno, como la cromatografía de gases extractiva.

En los dispositivos ya instalados se recomienda comprobar el estado en que se encuentran para evaluar las consecuencias de una alimentación de hasta el 30 % de hidrógeno. La influencia del envejecimiento, las condiciones de la instalación o los reguladores de presión deben también comprobarse. El servicio de SICK ofrece la asistencia necesaria en la valoración.

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