¿Qué tipo de refrigeración seleccionar en una planta de hidrógeno?

Centrándonos en el caso de la producción, si habéis leído otros artículos de AtlantHy Academy ya sois conscientes de la gran cantidad de ineficiencias que tenemos en nuestros proyectos, lo que nos obliga a disipar grandes cantidades de calor a baja temperatura. De este modo, los sistemas de refrigeración cobran muchísima importancia en este tipo de instalaciones, pese que a veces los consideremos como secundarios.

En artículos anteriores os hemos hablado sobre el consumo de agua en proyectos relacionados con el hidrógeno y el metanol, destacando la importancia de una gestión eficiente de este recurso en los sistemas de refrigeración. En esta ocasión, nos centraremos en profundizar en estas tecnologías, explorando las diferentes tipologías que pueden ser requeridas según las características específicas de cada instalación, y el papel que desempeñan en la viabilidad técnica y económica de los proyectos.

Sistemas de refrigeración

La refrigeración es requerida en este tipo de procesos de producción, igual que es requerida en otros tipos de industria como la automovilística, la alimentaria, etc. Como no se trata de una materia prima ni de un producto final, tradicionalmente no se ha reparado en su importancia. Sin embargo, es necesario destacar que su ineficiencia repercute en un sobrecoste del proceso que puede ser muy significativo, además de estar íntimamente relacionada con el impacto ambiental asociado, por un mayor consumo energético y/o de agua, llegando a poder tirar abajo algún que otro proyecto.

La demanda de refrigeración de las instalaciones va a variar en función de la tecnología de electrólisis seleccionada, ya que en parte depende de la eficiencia y de las pérdidas de energía asociadas (efecto Joule), siendo crucial para poder garantizar la estabilidad del sistema. Es por este motivo, por lo que se requieren sistemas de enfriamiento durante su operación para evitar posibles degradaciones por sobrecalentamiento de los equipos.

El funcionamiento del proceso de refrigeración se basa en el intercambio de calor entre la fuente caliente del proceso (circuito principal), como un electrolizador, y una fuente fría que se encarga de absorber el exceso de calor generado (circuito auxiliar de refrigeración). Este proceso es clave para mantener el sistema en equilibrio térmico, asegurando que opere dentro de los rangos adecuados y equilibrados que son requeridos.

A su vez, los sistemas de refrigeración se encargan de enfriar esa fuente fría, que al absorber el calor del proceso ha sido calentada [punto 4] permitiendo que el fluido refrigerante recupere su capacidad de enfriamiento [punto 3], y pueda ser reutilizado en un ciclo continuo.

Es en esta última etapa, donde entran en juego las tecnologías que mencionaremos a continuación, las cuales suelen emplear agua o aire como medio principal para reducir nuevamente la temperatura del fluido.

De forma esquemática, os lo hemos resumido a continuación en la Ilustración 1 ya que, pese a que se trata de procesos paralelos, ambos se integran para conseguir la refrigeración de la planta.

Ilustración 1. Refrigeración en los procesos de producción.

Métodos de refrigeración utilizados

La selección de un sistema de refrigeración adecuado depende de diversos factores, entre los que destacan las condiciones ambientales de la planta y los requerimientos específicos de refrigeración, tanto en términos de la temperatura objetivo como de la cantidad de energía térmica que debe disiparse. Además, es fundamental considerar la disponibilidad de recursos, como agua o aire, y las normativas locales que puedan influir en la elección del sistema.

Todo esto es importante tenerlo en mente desde la elección del electrolizador, ya que, por ejemplo, si en una ubicación determinada no pudiésemos refrigerar con agua, no sería una mala idea seleccionar un electrolizador con necesidades de cooling a mayor temperatura, en lugar de uno que trabaje con intercambios a bajas temperaturas. Esto nos permitiría seguir usando sistemas de refrigeración por aire y operar incluso en los meses de verano, donde más les cuesta a los aerorrefrigeradores liberar calor al ambiente.

Para un mismo caso, cada sistema de refrigeración presenta un rendimiento distinto, así como variaciones en los consumos de recursos y los requerimientos de espacio. En términos generales, para las fuentes frías se suele disipar calor hasta que alcanzan temperaturas que oscilan entre aproximadamente 25 y 45 ºC [punto 3] desde su temperatura inicial [punto 4].

De forma general existen dos tipos de refrigeración que son los más utilizados en este tipo de proyectos, que se basan en la utilización de la propia temperatura del aire, o en la utilización de agua. Estos son en los que vamos a profundizar a continuación en este apartado. En él, intentaremos dar respuesta a preguntas como: ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de usar agua frente a aire? ¿Qué criterios son los más restrictivos de los sistemas de refrigeración? ¿Qué refrigeración industrial necesita de mayores inversiones?, etc.

Refrigeración con agua

Cuando hablamos de sistemas de refrigeración con agua, la tecnología utilizada en este caso son las torres de refrigeración o enfriamiento, que tienen por finalidad enfriar una corriente mediante la vaporización parcial del agua.

Es una tecnología que aprovecha tanto la propia temperatura a la que se encuentra el agua, como la energía que se consume durante el proceso de evaporación de parte del agua, que posteriormente es arrastrada a la atmósfera por el aire utilizado en el propio sistema. Este principio, combina la transferencia de calor sensible y de calor latente, maximizando la eficiencia en la disipación térmica. El agua caliente, generalmente se rocía dentro de la torre, donde entra en contacto con aire más frío [punto 4]. Esto reduce su temperatura antes de recircularla al proceso [punto 3].

En función de la forma en la que el aire sea suministrado al sistema, a grandes rasgos las torres de refrigeración pueden ser clasificadas como de dos tipos: de tiro natural (Ilustración 2) o de tiro forzado (Ilustración 3). Estas últimas apoyan el paso de aire mediante la utilización de ventiladores, aumentando su velocidad, de forma que se reduce considerablemente el tamaño y el coste de inversión. Por este motivo, dentro de esta categoría de refrigeración son la opción más utilizada a escala industrial, además de que resulta más sencillo controlar la temperatura en función del caudal de aire impulsado.

Ilustración 2. Torre de refrigeración de tiro natural.

Asimismo, su clasificación puede llevarse a cabo de manera simultánea según las características de su operación:

• Las torres de circuito abierto hacen posible que el agua caliente esté en contacto directo con el aire, promoviendo la evaporación y alcanzando una alta eficiencia en términos de pérdida de calor.
• Las torres de circuito cerrado permiten que el agua caliente u otro fluido refrigerante circule a través de un serpentín, previniendo su contacto directo con el aire. Esto no solo disminuye la pérdida de agua por evaporación, sino que también disminuye el riesgo de contaminación. El agua del sistema de refrigeración se pulveriza de manera separada de la correspondiente a la fuente fría.

Ilustración 3. Torre de refrigeración de tiro forzado. Fuente: (BALTIMORE AIRCOIL COMPANY, 2024)

Las torres de refrigeración están diseñadas con varios componentes esenciales para garantizar su funcionamiento eficiente.

• Los rellenos, que aumentan el área de contacto entre el agua y el aire, mejorando significativamente la transferencia de calor.
• Los distribuidores de agua se encargan de dispersar el agua caliente de manera uniforme sobre los rellenos, maximizando su eficiencia.
• La bandeja recolectora recoge el agua enfriada, preparándola para su recirculación en el sistema.
• Los ventiladores facilitan el flujo de aire necesario para la evaporación.
• Los separadores de gotas minimizan la pérdida de agua en forma de gotas arrastradas por el aire.

Además, en este tipo de tecnologías es necesario tener en consideración que su utilización está sujeta a las reglamentaciones sanitarias vigentes para la prevención de la proliferación y difusión de legionela en los equipos mediante el control de la calidad del agua. Sus condiciones no deben favorecer el desarrollo de la bacteria y se deben aplicar los bactericidas y los sistemas de purificación apropiados.

Ilustración 4. Esquema funcionamiento torre refrigeración

La calidad del agua generalmente se requiere que cumpla con los parámetros de agua de red potable, aunque es algo más flexible y que varía en función del tipo de relleno que se use en estos equipos. Debe de ser aquel que permita minimizar el ensuciamiento, la corrosión y los crecimientos orgánicos. Es importante destacar en este punto que un relleno que permita una más baja calidad de agua, implica una menor eficiencia del proceso y por consiguiente, un aumento en el caudal que va a ser necesario.

Refrigeración con aire

La tecnología de refrigeración por aire (“dry coolers”) se basa en el enfriamiento de la fuente fría utilizando únicamente aire y la temperatura ambiente para retirar calor de la corriente. Este equipo, dado su principio de funcionamiento, cuenta con la principal ventaja de obviar la utilización de agua, aunque conlleva un aumento en el área de contacto necesaria para disipar grandes cantidades de energía.

Dado que no se está utilizando agua en el proceso, se necesita un mayor caudal de aire para poder refrigerar la misma energía del proceso principal. La transmisión de calor en estos casos se debe exclusivamente a la diferencia de calor sensible con el aire.

En este punto, pasa a ser más relevante la temperatura del ambiente en el que se instale la planta, ya que el margen de temperatura mínima que se puede alcanzar con la fuente fría es más reducido que en aquellos casos en los que se utiliza agua también en los sistemas de refrigeración. Esto se basa en las diferencias que puede haber entre la temperatura del aire seco, con respecto a la temperatura del aire húmedo (relacionado con la humedad ambiente).

Ilustración 5. Funcionamiento aerorrefrigeradores

Concretamente, estos equipos pueden tener distintas configuraciones diferenciadas por la dirección y el punto por el que se realiza la entrada del flujo de aire, trabajando con ventiladores para modular la velocidad del aire para obtener la temperatura deseada. En el caso de la Ilustración 6, el aire se introduce en el equipo a través de los paneles oscuros de los laterales. El agua caliente del proceso auxiliar se pone en contacto a través de unos serpentines colocados en su interior.

Ilustración 6. Tecnología de refrigeración en seco ("dry coolers"). Fuente: (TORRAVAL, 2024)

Refrigeración mixta

Por último, una refrigeración mixta es una solución intermedia con forma similar a los “dry coolers”, pero que sí que implica la utilización de agua en los equipos. La principal ventaja de esta tecnología, los “adiabatic coolers”, es que permite el funcionamiento del equipo exclusivamente con aire mientras la temperatura de la localización lo permita, para cuando esto no sea posible, comenzar a operar como una refrigeración con agua. Se trata de una solución híbrida que permite un mayor rango de temperaturas de refrigeración, reduciendo el consumo de agua necesario para la operación de una torre de refrigeración.

De esta forma, se optimiza significativamente el consumo de agua a lo largo del año, lo cual suele ser un parámetro crítico en España ya que existen diferentes zonas que se encuentran o están en riesgo frecuentemente en situación de estrés hídrico.

Selección de la tecnología

A la hora de escoger una tecnología de refrigeración, será necesario tener en cuenta la situación específica del proyecto que se esté evaluando. Para poder seleccionar de forma más eficiente y segura la refrigeración de la planta de hidrógeno, se debe evaluar las ventajas que ofrecen los distintos sistemas de enfriamiento. De forma gráfica, lo hemos recogido a continuación en la Ilustración 7.

Ilustración 7. Parámetros clave para escoger un sistema de refrigeración.

Consumo de agua: una cuestión crucial

El consumo de agua es una de las diferencias más notables entre estos sistemas. En el caso de las torres de enfriamiento, este consumo es considerablemente elevado. Sin embargo, esta alta demanda de agua se traduce en un enfriamiento eficiente, lo que las hace ideales para aplicaciones de gran escala, como plantas industriales, en los casos en los que este punto no sea una restricción.

Por otro lado, los sistemas adiabáticos destacan por su bajo consumo de agua. Solo utilizan agua en momentos específicos, como en días de calor extremo, lo que los hace mucho más sostenibles. Son una opción que permite trabajar en temperaturas similares, con un consumo de entre un 80 y un 95% menos de agua que en torres de refrigeración. Sin embargo, la calidad admisible del agua en este sistema también es más estricta.

En cuanto al consumo de agua, el ganador por excelencia es la refrigeración en seco utilizando “dry coolers”, aunque en ciertas climatologías, como las que se dan en parte de España, no serían suficientes para obtener las bajas temperaturas que se pueden necesitar en el proceso durante los meses de verano.

Siempre será necesario evaluar temperaturas y humedades en el entorno para poder saber qué sistema será el más adecuado. Desde AtlantHy hemos podido obtener diseños muy interesantes jugando con este tipo de variables.

Consumo eléctrico

Teniendo en cuenta las características mencionadas de los diferentes sistemas, destaca especialmente el elevado consumo energético asociado a la refrigeración en seco. Esto se debe a la mayor potencia requerida y al número superior de equipos necesarios para alcanzar un rendimiento similar. En este sentido, las torres adiabáticas ofrecen una ventaja significativa: aunque presentan un alto consumo de agua, compensan este aspecto con un consumo eléctrico considerablemente menor. Por el contrario, la instalación de sistemas de refrigeración en seco, como los "dry coolers", implica un incremento notable en los gastos energéticos derivados de su funcionamiento continuo.

Tamaño de los equipos y flexibilidad de instalación.

El espacio requerido para la instalación de torres de enfriamiento es significativamente menor en comparación con lo necesario para disipar la misma cantidad de calor utilizando sistemas como los "dry coolers" o los "adiabatic coolers". Esto convierte a las torres en una de las opciones más atractivas, especialmente cuando el espacio disponible es limitado, ya que esta restricción podría impedir la instalación de la capacidad necesaria con los otros sistemas. Sin embargo, los "dry coolers" y los "adiabatic coolers" tienen la ventaja de poder instalarse sobre estructuras elevadas que aseguren un flujo de aire adecuado entre los equipos. Por ello, estas soluciones más compactas también pueden ser utilizadas en casos donde el espacio sea un desafío, instalándolas, por ejemplo, en azoteas sobre estructuras diseñadas para soportar su peso.

Inversión inicial

El precio de los sistemas "adiabatic coolers" suele ser mayor que el de las torres de enfriamiento debido a su diseño avanzado y la tecnología involucrada en su funcionamiento.

Aunque esta inversión inicial es mayor, puede justificarse en proyectos donde la disponibilidad de agua es limitada o donde las condiciones de instalación exigen soluciones más flexibles y tecnológicamente avanzadas.

Conclusión

Elegir entre una refrigeración u otra depende de varios factores, como el consumo y la calidad del agua, el espacio disponible y las necesidades de enfriamiento específicas. Las torres ofrecen mayor capacidad y eficiencia en grandes instalaciones, pero con un alto consumo de agua. En cambio, los adiabáticos son compactos, consumen menos agua y son ideales para regiones con limitaciones hídricas, aunque con mayores requerimientos de espacio. De forma similar, la refrigeración en seco sería la opción que no consumiría agua, pero que en ciertas regiones no resultaría suficiente.

En definitiva, conocer las diferencias entre estos sistemas es clave para tomar la mejor decisión según las condiciones y prioridades de cada proyecto, ya que dependiendo de cada caso la elección es diferente.

Si quieres saber más sobre refrigeración en proyectos de hidrógeno, escucha nuestro episodio número 79 de El Podcast del Hidrógeno.

En AtlantHy estamos inmersos en el desarrollo de diferentes proyectos, en donde el análisis de este factor clave permite mejorar y asegurar los estudios de viabilidad y desarrollo asociados. Además, en caso de tener alguna duda o consulta sobre el tema no dudes en contactarnos. ¿Hablamos?

Referencias

BALTIMORE AIRCOIL COMPANY. (2024). Torres de enfriamiento abiertas. Obtenido de https://www.baltimoreaircoil.eu/es/productos/torres-de-enfriamiento-abiertas

TORRAVAL. (2024). Dry Coolers. Obtenido de https://www.torraval.com/dry-coolers-2/