Horizonte Europa: Compatibilidad de los materiales metálicos de las redes de gas de distribución con el hidrógeno

Resultados esperados

En su visión estratégica para una UE climáticamente neutra (para cumplir con la neutralidad del carbono en 2050) presentada por la Comisión Europea el 28 de noviembre de 2018, se prevé que la proporción del hidrógeno en la combinación energética de Europa crezca desde el actual menos del 2 % hasta el 13-14 % en 2050. Para que el hidrógeno reclame esa posición en el mix energético y como se menciona explícitamente en la Estrategia del Hidrógeno de la UE, es esencial que el hidrógeno se convierta en una parte intrínseca de un sistema energético integrado. El hidrógeno tendrá que utilizarse para el almacenamiento diario o estacional, proporcionando funciones de amortiguación y mejorando así la seguridad del suministro a medio plazo. La estrategia también exige una infraestructura logística a escala de la UE que debe desarrollarse para transportar el hidrógeno desde las zonas con gran potencial renovable hasta los centros de demanda de toda Europa. Por consiguiente, habrá que crear una red paneuropea.

Para ello, es muy beneficioso para el sistema energético utilizar los activos de gas natural existentes en toda Europa, ya que tienen un gran potencial de almacenamiento estacional y también pueden gestionar fácilmente las grandes oscilaciones de la demanda diaria. Para suministrar este hidrógeno, los operadores de la red de gas europea pretenden aumentar el contenido de las mezclas de hidrógeno en el gas natural de las redes de gas existentes (incluidas las redes de transporte y distribución de gas, pero también, por extensión, sus conexiones con las instalaciones de producción de hidrógeno y los nuevos usuarios finales). Paralelamente, los operadores de la red de gas europea también trabajan en la reutilización de los activos existentes para transportar el 100 % de hidrógeno.

Teniendo en cuenta estos retos, se espera que los resultados del proyecto contribuyan a todos los siguientes resultados previstos:

• Reducción de los riesgos de la reutilización de las redes de gas europeas existentes para el hidrógeno y la posibilidad de ampliar las nuevas infraestructuras dedicadas al hidrógeno puro;
• Aumento de la confianza del operador, el regulador, las autoridades y el usuario final en la seguridad de las redes de gas reutilizadas mediante datos científicos consolidados y exhaustivos;
• Disponer de directrices armonizadas para evaluar el efecto del hidrógeno en los materiales metálicos presentes en las redes de gas, a fin de obtener una visión completa de la compatibilidad de la red. Estas directrices aportarían información a las acciones prenormativas llevadas a cabo a través de las organizaciones europeas y permitirían una interconexión sin fisuras entre las redes de gas.

Se espera que los resultados del proyecto contribuyan a todos los siguientes objetivos de la ERA de la Empresa Común de Hidrógeno Limpio:

• Desarrollo de tecnologías y materiales para facilitar el transporte de hidrógeno a través de la red de gas natural.
• Permitir, a través de actividades de investigación y demostración, el transporte de hidrógeno a través de la red de gas natural, ya sea mediante la mezcla o a través de la reutilización al 100 % de hidrógeno.

Alcance

Los resultados de la bibliografía pública y los programas de pruebas anteriores (por ejemplo, los proyectos NaturalHY, HYready, MultiHy o Higgs) han identificado un efecto de fragilidad en los materiales de la red de acero utilizados para las tuberías o los equipos de la red, directamente relacionado con la presión parcial del hidrógeno (comúnmente expresada en términos de porcentaje de hidrógeno en el volumen total de gas a una presión específica). Sin embargo, este efecto de fragilidad en los diversos materiales metálicos utilizados en las redes de distribución de gas (acero, pero también hierro fundido, cobre, plomo…) no se ha documentado hasta la fecha, ya que la mayoría de los programas de pruebas existentes han investigado únicamente los materiales no metálicos. Por lo tanto, es muy necesario documentar el efecto del hidrógeno sobre los materiales metálicos a baja presión, teniendo en cuenta la gran diversidad de las redes existentes en la Unión Europea, en cuanto a los grados de material utilizados, los protocolos de construcción (por ejemplo, las soldaduras) o los parámetros operativos actuales y futuros (por ejemplo, el nivel de presión).

No se han estudiado completamente todos los tipos de materiales metálicos (acero, hierro fundido, cobre, latón, plomo, aluminio) ni los parámetros operativos representativos del funcionamiento de las redes de distribución. Deberían cubrirse todas las características de las redes de gas y los escenarios de carga para evaluar mejor la vida útil de las infraestructuras existentes.

En la actualidad se pueden utilizar diferentes normas para el diseño de componentes metálicos (ISO 11114-4, ASME B31.12) o para evaluar sus propiedades mecánicas en presencia de hidrógeno (ANSI/CSA CHMC 1, ASTM G142). Esta amplia gama de normas y la falta de directrices mecánicas comúnmente acordadas están ralentizando la definición de criterios armonizados para evaluar la preparación para el hidrógeno de las redes de gas europeas.

Por lo tanto, las propuestas deben centrarse en todos los materiales metálicos no metálicos que constituyen las redes de distribución (como el hierro fundido, el cobre, el latón, el plomo, el aluminio, etc.).

En particular, las propuestas deberían:

• Entregar un inventario preliminar de los materiales metálicos no metálicos constitutivos de la red europea de distribución de gas natural y entregar un análisis de clasificación de prioridades para evaluar la estrategia más rentable (adaptación o sustitución) para cada uno de ellos;
• Proponer un enfoque de ensayo que cubra la mayoría de los grados metálicos no metálicos relevantes (hierro fundido, cobre, latón, plomo, aluminio) constitutivos de las redes europeas de distribución de gas natural y sus diferentes condiciones de funcionamiento (presión máxima, ciclos de presión, etc.). Las propuestas deben abarcar una amplia gama de mezclas de gas natural e hidrógeno, centrándose en contenidos de hidrógeno de hasta el 20 % y el 100 %. Este enfoque debe combinar los ensayos mecánicos y la modelización, por ejemplo, utilizando cálculos de primeros principios o el método de la mecánica de la fractura de la interacción del hidrógeno con los materiales. Debería realizarse una revisión bibliográfica preliminar para identificar el análisis de las lagunas al inicio de la acción, teniendo en cuenta los resultados existentes de proyectos anteriores y otros en curso;
• Proponer protocolos armonizados y realizar ensayos de materiales para medir las propiedades mecánicas afectadas por la presencia de hidrógeno y críticas para su integración en las redes (deben incluir, por ejemplo, la propagación de grietas, la fatiga, la tenacidad y los impactos en las soldaduras y las zonas afectadas por el calor (HAZ)) y el impacto de la composición química para los componentes de la red. Los protocolos deberían ponerse a disposición del público y garantizar que todos los resultados sean comparables entre los distintos laboratorios de ensayo implicados. Además, debería servir como guía de referencia estandarizada para futuras investigaciones.

Tras las actividades de ensayo, las propuestas deben poner a disposición una base de datos sobre el comportamiento de los materiales metálicos de la red de gas en presencia de hidrógeno, asociada a las condiciones de funcionamiento de la red, que evalúe la compatibilidad de las tuberías de gas antiguas y nuevas. También debe haber un plan que garantice la actualización de la base de datos una vez finalizado el proyecto con los resultados de las pruebas futuras.

Los proyectos también deben identificar los criterios de aceptación, incluyendo el tamaño permitido de los defectos, en función de la presión y la concentración de hidrógeno.

Las propuestas deben garantizar el intercambio regular de conocimientos con otros temas dedicados a la inyección de hidrógeno en las redes de gas que requerirán los resultados de esas pruebas, y especialmente HORIZON-JTI-CLEANH2-2022-02-02, HORIZON-JTI-CLEANH2-2022-05-03 y HORIZON-JTI-CLEANH2-2022-05-04.

En el consorcio deben incluirse al menos dos instituciones de investigación diferentes para garantizar la comparabilidad de los resultados de las pruebas.

Se espera que las propuestas contribuyan a las actividades de la Misión Innovación 2.0 – Misión Hidrógeno Limpio. Se fomenta la cooperación con entidades de los países miembros de la Misión Hidrógeno Limpio que no sean Estados miembros de la UE ni países asociados a Horizonte Europa (véase la sección 2.2.6.8 Cooperación internacional).

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