¿En qué consiste la ingeniería criogénica?
La ingeniería criogénica es considerada la ciencia de las bajas temperaturas, y se basa en la refrigeración de elementos por debajo de los -100º y en la consiguiente licuefacción de gases. El sector criogénico engloba toda la cadena de valor; desde el diseño a la fabricación, montaje y mantenimiento de plantas criogénicas.
El primer Dewar fue inventado hace casi 130 años, con el objetivo de contener gases licuados a temperaturas extremadamente bajas. Era el año 1892 y James Dewar estaba ya inmerso en su estudio sobre los gases líquidos. Unos años después, en 1898 y aún en el curso de su investigación criogénica, se convirtió en la primera persona en crear hidrógeno líquido.
Mucho ha llovido desde entonces, tanto que los tanques de almacenamiento (aún llamados Dewars) y la tecnología criogénica se han convertido en una pieza fundamental de inestimables sectores y proyectos industriales.
Evolución en los últimos años de la ingeniería criogénica
Diversos informes globales, incluyendo un estudio publicado en APNews el año pasado, confirman que el mercado criogénico exhibirá un crecimiento lucrativo entre 2020 y 2029 debido a la creciente demanda de diversas aplicaciones entre las empresas para impulsar la eficiencia operativa.
En la urgente transición hacia energías más limpias, la necesidad de conseguir procesos estables y de alta productividad ha puesto en el punto de mira la investigación en cuanto a técnicas avanzadas de criogenización, las cuales explicaremos más adelante en este artículo.
En la línea de contribuir a acelerar el proceso de descarbonización y a combatir el cambio climático a través de energías más limpias, Cristina González, directora de Innovación y Advocacy de la FEIQUE, hablaba sobre la captura criogénica de CO2 para evitar que éste salga a la atmósfera, en una entrevista realizada por Ambientum con motivo del foro de ‘Smart Chemistry, Smart Future’ de 2021.
Además de la importancia criogénica asociada a la sostenibilidad y preservación necesarias para un futuro mejor, el sector criogénico está en auge en una gran variedad de industrias con naturalezas muy distintas.
Sectores que más utilizan tecnología criogénica
Sector aeroespacial
Refrigeradores criogénicos espaciales han demostrado un gran rendimiento y capacidad hasta la fecha, lo que ha llevado a un mayor uso de la refrigeración activa en el espacio.
El uso de superconductores, sistemas de hidrógeno criogénico para propulsar aviones eléctricos, pilas de combustible de hidrógeno y el hidrógeno como combustible en la propulsión de cohetes están revolucionando el sector.
Sector alimentario
Diferentes industrias agroalimentarias, como la cárnica, la lechera, la agrícola, o la pescadera se benefician cada vez más del procesamiento de alimentos criogénico para la conservación de éstos. El uso de los gases puros criogénicos se aplica en la refrigeración, congelación y estabilización de todo tipo de alimentos y bebidas, incluso en la producción de helados.
Mediante nitrógeno o CO2 líquido de calidad alimentaria se puede llegar a reducir la temperatura de los productos por debajo de los -18 °C, permitiéndoles mantener sus cualidades nutricionales y gustativas.
Sector metalúrgico
Estos gases se usan en las industrias de soldadura y corte para regular la temperatura y las reacciones de los materiales, mejorando de forma significativa sus características principales. Principalmente se utiliza tecnología criogénica en materiales y procesos con elevada carga térmica.
Poniendo como ejemplo el mecanizado de materiales como aceros inoxidables y aceros templados, los resultados muestran que los trabajos realizados con herramientas criogénicas muestran mejores cualidades; principalmente en cuanto a niveles de desgaste, tolerancias dimensionales y acabado superficial.
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Nuevos avances para el futuro de la ingeniería criogénica
1. Tecnología HMI
La incorporación de la tecnología ‘interfaz hombre-máquina’ (HMI) supone un nuevo nivel de sofisticación en los procesos criogénicos gracias a la combinación de transformación digital y criogenia.
Esta avanzada tecnología permite operar directamente sobre los procesos de los sistemas criogénicos y sobre la maquinaria que los hace posible, pudiendo monitorizar y controlar los procesos en tiempo real. Gracias a un interfaz digital de fácil acceso, intuitivo y programable, la información es transmitida al operario en una intuitiva pantalla.
2. Tecnología CCS
La destilación criogénica implica una tecnología prometedora para el cumplimiento de objetivos energéticos y climáticos. Tal y como hemos mencionado previamente, abarca un conjunto integrado de tecnologías que pueden evitar que se liberen grandes cantidades de CO2 en la atmósfera por el uso de los populares y dañinos combustibles fósiles.
La cadena CCS consta de tres partes: la captura del dióxido de carbono, su transportación a un lugar de almacenamiento, y su uso como recurso para crear productos y servicios valiosos o para almacenarlo bajo tierra en formaciones geológicas.
3. Procesos de destilación criogénica
La destilación criogénica ha desarrollado varios procesos patentados, y su investigación se ha centrado principalmente en la optimización de costos. El proceso de destilación criogénica separa el CO2 de otros gases ligeros, se comprime a una presión alta de 100 a 200 veces la presión atmosférica y la cantidad de CO2 recuperado puede alcanzar el 90-95% del gas de combustión.
Dado que la destilación se lleva a cabo a una temperatura extremadamente baja y a alta presión, es un proceso intensivo en energía que se estima en 600-660 kWh por tonelada de CO2 recuperado en forma líquida, por lo que es apropiado para altos contenidos de éste. El resultado que obtiene son grandes beneficios en el transporte de CO2, ya que no se necesitan compresores, si no que se utilizan bombas en su lugar.
4. Nuevos propulsores en la industria aeroespacial
Agencias aeroespaciales están transicionando de los sistemas de propulsión tradicionales y tóxicos a base de petróleo hacia la propulsión eléctrica de base líquida; utilizando combustibles más limpios como el hidrógeno o el oxígeno.
El uso del nitrógeno líquido y la combinación de oxígeno líquido y metano a temperaturas de entre -200º y -160ºC ha supuesto un enorme avance en la propulsión aeroespacial. Ambas sustancias se emplean como propulsores, es decir, sustituyen al tradicional combustible de los cohetes logrando propiedades superiores y más empuje por cada kg de propulsor.
5. Electricidad criogénica como combustible
Más allá de las aeronaves y cohetes, el combustible de hidrógeno líquido criogénico supone un gran avance para la industria eléctrica en cuanto a eficiencia y costes a gran escala. Tal y como explica un artículo del National Geographic, la aviación verde es una realidad cada vez más cercana. Y es que un proyecto de la NASA está trabajando para crear un avión que funcionará con un sistema de pila de combustible criogénico.
La celda de combustible convertirá la energía química del hidrógeno y el oxígeno ambiental para generar energía en los motores eléctricos. Los sistemas de los aviones basados en hidrógeno contendrán hidrógeno comprimido para iniciar el proceso de las pilas de combustible PEM y podrán ofrecer un mayor alcance.
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