El hidrógeno es muy prometedor como fuente de combustible de bajas emisiones. Se quema limpiamente, generando sólo agua como subproducto, y cuando se produce por electrólisis dividiendo el agua en hidrógeno y oxígeno, todo el ciclo de vida puede ser muy respetuoso con el medio ambiente.
Pero el uso del hidrógeno nunca ha alcanzado su potencial como combustible renovable, sobre todo porque su proceso de producción encarece el coste. La mayor parte del hidrógeno actual se sigue produciendo como subproducto del refinado de combustibles fósiles, utilizando metano con monóxido de carbono como subproducto.
¿Cómo los gemelos digitales podrían bajar los costos del hidrógeno?
Mientras tanto, el hidrógeno producido por electrólisis representa menos del 1% de toda la producción mundial de hidrógeno. Para que el hidrógeno sea una fuente viable de energía limpia, el coste de la electrólisis debe ser mucho menor.
Sharaf Alsharif, investigador del Instituto de Tecnología de la Información Oldenburger OFFIS de Oldenburg (Alemania), cree que los gemelos digitales podrían ayudar a abaratar la producción de hidrógeno limpio.
Los gemelos digitales son programas informáticos de simulación que pueden seguir y ajustar con gran detalle el funcionamiento de un dispositivo físico.
La estrecha supervisión de los electrolizadores de hidrógeno que ofrecen los gemelos digitales podría ayudar a racionalizar el funcionamiento de los dispositivos y, en consecuencia, reducir el coste de la electrólisis.
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Una de las formas en que los gemelos digitales podrían reducir el coste de la electrólisis es controlando el estado de salud de los electrolizadores. Los gemelos digitales pueden hacer un seguimiento del funcionamiento de los componentes de los electrolizadores, como electrodos, membranas o bombas, para ver qué piezas pueden fallar y hacer recomendaciones proactivas para programar el mantenimiento.
Según Alsharif, estas funciones de mantenimiento predictivo podrían ahorrar a los operarios muchas horas de producción, ya que de otro modo los electrolizadores tendrían que desconectarse para solucionar problemas no programados.
Para fomentar la adopción de gemelos digitales para la electrólisis, Alsharif y sus colegas de OFFIS presentaron una arquitectura de software -una especie de plano arquitectónico para construir sistemas de software- para desarrollar gemelos digitales de monitorización de la electrólisis de hidrógeno en la conferencia ETG Congress 2023 celebrada en Alemania.
Los investigadores imaginaron un futuro en el que los operadores de electrólisis de hidrógeno dispondrían de cuadros de mando que controlarían el rendimiento de los electrolizadores en funcionamiento sobre el terreno.
Los gemelos digitales proporcionarían los datos del cuadro de mandos supervisando a distancia los electrolizadores y emitiendo alertas cuando se detectara un comportamiento anómalo.
Y disponer de una arquitectura de software bien definida, afirma Alsharif, podría ayudar a los operadores a construir más fácilmente gemelos digitales para sus sistemas de electrólisis de hidrógeno.
Los gemelos digitales también pueden ayudar a los operadores al tener un control directo sobre los electrolizadores, afirma Alsharif. Una aplicación útil de dicho control directo es ajustar el consumo de energía de los electrolizadores en función de la matriz energética actual.
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Cuando haya más fuentes de energía renovables, los gemelos digitales pueden hacer que los electrolizadores aumenten la producción, con lo que la producción de hidrógeno será más ecológica en general.
La producción también puede reducirse durante los picos de consumo, cuando sube el precio de la energía de la red, lo que reduciría el coste global de la producción de hidrógeno por electrólisis.
Los investigadores tuvieron en cuenta estos casos de uso al crear una arquitectura de software de gemelo digital apta para cualquier tipo de electrolizador de hidrógeno, explica Alsharif.
La arquitectura tenía que cumplir requisitos como conexiones de datos bidireccionales con los electrolizadores, actualizaciones en tiempo real del estado de los componentes de los electrolizadores y recomendaciones de programas de mantenimiento.
Se decidieron por una arquitectura orientada a servicios para crear gemelos digitales de electrólisis de hidrógeno. Una arquitectura orientada a servicios consiste en un programa de software central que acepta peticiones de otros programas más pequeños y “orquesta” las peticiones entre todos los componentes.
Este diseño se impuso a otros estilos arquitectónicos por su flexibilidad. Se pueden añadir fácilmente nuevas funciones al gemelo digital en forma de nuevos servicios que simplemente se conectan al programa central.
“Ahora mismo no se nos ocurren todos los casos de uso que hacen que un electrolizador sea eficiente”, afirma Alsharif. “Pero esa es la cuestión: que se puede aplicar cualquier servicio y hacerlo posible con este gemelo digital”.
Las arquitecturas orientadas a servicios también son lo suficientemente rápidas como para soportar la conexión de datos bidireccional en directo que necesitan los electrolizadores.
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A diferencia de una arquitectura de microservicios, por ejemplo, que provoca retrasos debido a un mayor volumen de peticiones enviadas entre servicios, afirma Alsharif.
Los operadores que deseen utilizar gemelos digitales para supervisar los electrolizadores pueden seguir este modelo arquitectónico a la hora de crear el software para sus gemelos digitales.
Además, añade, la investigación futura podría incluir el uso de gemelos digitales para ayudar en el proceso de fabricación de electrolizadores. Según Alsharif, si se quiere aumentar realmente la producción de hidrógeno limpio, también habrá que ampliar la fabricación de grandes electrolizadores, que actualmente es un proceso semimanual.
Noticia tomada de: IEEE Spectrum / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
Imagen de pikisuperstar en Freepik
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