La necesidad de comprimir
Los compresores son equipos diseñados para aumentar la presión, en este caso de hidrógeno gaseoso para que pueda ser transferido y utilizado. Son unidades muy maduras debido a su uso en plantas industriales durante los últimos 100 años.
Características y funcionamiento
Los compresores de hidrógeno mediante diversas tecnologías: pistones, diafragmas, tornillos y turbocompresores. A continuación, te comentamos acorde a cada tipo de compresor su funcionamiento enfocándonos en aquellos de carácter mecánico.
Compresores mecánicos: son los compresores más empleados en la actualidad y están basados en la conversión directa de la energía mecánica en presión de gas; los más comunes son el desplazamiento positivo cuyo funcionamiento está basado en la reducción del volumen donde está confinado el gas mediante un pistón, haciendo así, que las colisiones entre las partículas aumenten y, por ende, también la presión del gas (Sdanghi, 2019).
Figura 1. Tipos de compresores mecánicos esquematizados en base como se realiza la compresión del gas (Don, W.G,2008).
Desplazamiento positivo
Compresores reciprocantes de pistón: constan de un sistema pistón-cilindro equipado con dos válvulas automáticas, una de ellas dedicada a la admisión y la otra a la entrega, a su vez, está unido a un cigüeñal por una biela de forma que le movimiento rotativo es traducido a uno lineal. Este proceso de compresión requiere de energía, suele ser proporcionada mediante una máquina eléctrica o térmica. El movimiento hacia el lado superior del cilindro crea un vacío en la parte inferior de este, lo que abre la válvula de admisión para que el gas entre, la siguiente fase es la llamada fase de succión que tiene lugar mientras el pistón se desliza a la parte inferior hasta que la válvula de admisión se cierra.
Ilustración 1. Diagrama de funcionamiento compresor reciprocante de pistón (Sdanghi, 2019).
Compresores de diafragma: ofrecen un alto rendimiento con un bajo consumo de energía y bajos requisitos de enfriamiento (Ahmed S, 2017). La compresión se realiza mediante el movimiento del diafragma, con el que, al reducir el espacio en la cavidad donde se tiene el gas se aumenta su presión.
Ilustración 2. Diagrama de funcionamiento de un compresor de diafragma (Sdanghi, 2019).
Compresores hidráulicos: son un tipo de compresores con una alta eficiencia y disipación térmica que permiten alcanzar altas presiones. Emplean un fluido hidráulico para la compresión del gas (aceite), el cual al ser impulsado por una bomba ejerce fuerza sobre el pistón logrando que este se desplace.
Ilustración 3. Diagrama del funcionamiento de compresores hidráulicos (HydroPac).
Compresores lineales: tienen como ventaja que el pistón y el cilindro están separados por un sistema de cojinete de gas y su funcionamiento consta en impulsar una porción establecida del gas, ejerciendo una fuerza mediante un pistón, mientras una porción establecida del gas funciona como cojín para evitar la fricción. Suelen tener aplicaciones criogénicas, y a diferencia de los ya mencionados reciprocantes, el pistón está directamente conectado a un motor lineal acoplado con un sistema de resorte resonante, al tener un sistema simple, de pocos componentes permite la reducción de costes (Broerman EL, 2015).
Ilustración 4. Diagrama de funcionamiento de un compresor lineal.
Compresores de líquido iónico: antes de comentar lo referente al compresor ¿Qué son los líquidos iónicos? En pocas palabras, los líquidos iónicos son sales de bajo punto de fusión, por lo que se encuentran en estado líquido a temperatura ambiente, gracias a que la solubilidad del hidrógeno en estas sales es muy baja se logran eficiencias volumétricas, energéticas y relaciones de compresión altas. A efectos del compresor, estos líquidos sustituyen al pistón sólido del que hablábamos en los dispositivos de desplazamiento positivo, lo que va de la mano de un buen rendimiento.
Ilustración 5. Diagrama del funcionamiento de un compresor de líquidos iónicos.
Compresores rotatorios
Compresores centrífugos: se caracterizan por su eficiencia isotérmica, permiten trabajar con alta capacidad de caudal y una relación de compresión moderada. En este caso, una hélice rotatoria comprime el hidrógeno a medida que gira, generando un flujo de hidrógeno a alta velocidad, que se convierte en presión por medio de un difusor.
Ilustración 6. Compresor centrífugo centrífugo (Kaishan , 2023).
Compresores rotativos: conocidos por su alta eficiencia, diseño compacto y altos niveles de ruido, funcionan atrapando gas en un volumen y luego se reduce ese volumen, dando lugar a la compresión a medida que los rotores giran. Esta categoría incluye: compresores de tornillo rotativo, compresores de paletas rotativas y compresores scroll.
Ilustración 7. Compresores de tornillo (Atlas Copco, 2023), de paletas (SAVREE) y scroll (IndiaMart)
Por último…
La compresión del hidrógeno es una parte esencial de su almacenamiento y transporte para que se pueda aprovechar todos los beneficios que la molécula promete. La elección del compresor adecuado está sujeta a diversos factores y se debe contemplar la casuística ante un amplio abanico de opciones.
Te recomendamos escuchar el Episodio 58 de nuestro podcast: Compresores de hidrógeno con Javier Cuevas (Burckhardt Compression) para complementar esta información.
¡Te esperamos en la segunda parte para hablar de compresores no mecánicos!
Referencias
Sdanghi, G. (2019). Review of the current technologies and performances of hydrogen compression for stationary and automotive applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews.
Green, Don W., Perry, Robert H.. (2008). Perry’s Chemical Engineers’ Handbook : eighth edition (Ed. 8th). New York: McGraw Hill.
Ahmed S, S. E. (2017). Hydrogen Compression, Storage and Dispensing Cost. Washington: U.S. Department of Energy.
Broerman EL, B. J. (2015). Hydrogen Compression Application of the Linear Motor Reciprocating Compressor. DOE Hydrogen and Fuel Cells Program.
HydroPac. (s.f.). High Pressure Hydrogen Compressors. Obtenido de http://hydratechcorp.com.my/wp-content/uploads/2015/08/High_Pressure_Hydrogen_Compressors.pdf
Atlas Copco. (2023). Compresor de tornillo, ¿Cómo funciona? Obtenido de https://www.atlascopco.com/es-es/compressors/air-compressor-blog/compresor-de-tornillo-como-funciona.
SAVREE. (s.f.). Rotary Vane Pump. Obtenido de https://savree.com/en/encyclopedia/rotary-vane-pump
IndiaMart. (s.f.). Scroll Compressor. Obtenido de https://www.indiamart.com/proddetail/scroll-compressor-11521392573.html
Kaishan . (2023). CENTRIFUGAL AIR COMPRESSORS. Obtenido de https://kaishanusa.com/centrifugal-air-compressors/