SOLUCIONES DE EMISIÓN

Los imanes impulsan la innovación en válvulas hacia un futuro de cero emisiones

Este artículo explora los avances en la tecnología de válvulas, particularmente el potencial de la actuación magnética, para lograr cero emisiones e impulsar la sostenibilidad en la industria del petróleo y el gas.

Por Bronson Pate, vicepresidente de MagDrive Technologies, y Gobind Khiani, presidente de GAPV Incorporated

La tecnología de válvulas ha evolucionado significativamente desde sus inicios, impulsada por la necesidad de regular el vapor y la alta presión en el siglo XVIII. La creación del Instituto Americano del Petróleo (API) en 1919 y la Organización Internacional de Normalización (ISO) en 1947 condujo al desarrollo de normas clave, como la ISO 15848-1, API 622, 624 y 641, que han desempeñado un papel crucial en la reducción del impacto ambiental de las emisiones fugitivas. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA) reconoció los "equipos sin fugas" en la década de 1980, aunque no fueron ampliamente aceptados en su momento debido a la excesiva reducción de emisiones por costo de control.

A mediados de la década de 2000, se introdujeron los Decretos de Consentimiento que exigían la Tecnología Certificada de Bajas Fugas (CLLT) para válvulas y empaquetaduras en servicios de Compuestos Orgánicos Volátiles (COV), Vapor de Gas (GV) o Líquido Ligero (LL), limitando las fugas a <100 ppm. La USEPA, actualmente bajo la dirección del presidente Biden, propone cambios a la Ley de Aire Limpio, 40 CFR 60, para revisar los nuevos estándares de rendimiento de las fuentes de emisiones de gases de efecto invernadero y COV de la industria del petróleo y el gas. Estas revisiones propuestas a la Ley de Aire Limpio buscan reducir las emisiones de metano y COV al prohibir el uso de controladores de gas natural en fuentes de emisión nuevas, reconstruidas y modificadas.

Además, según el Inventario de Emisiones y Sumideros de Gases de Efecto Invernadero (GEI) de EE. UU. de 2021, los controladores neumáticos en sistemas de petróleo y gas natural son responsables de una parte significativa de las emisiones de metano en sus respectivas industrias. Un informe de Carbon Limits identificó a los controladores neumáticos como la segunda fuente más importante de emisiones de metano en la industria del petróleo y el gas, después de las fugas de componentes. Si bien las normas sobre válvulas ayudan a reducir las emisiones fugitivas, que representan el 90 % de todas las emisiones según la USEPA, aún no se ha alcanzado el objetivo de cero fugas.

Tanto los actuadores como los sistemas neumáticos de gas natural, tradicionalmente utilizados en instalaciones y oleoductos y gasoductos, liberan metano y gases de efecto invernadero (GEI) a la atmósfera, lo que contribuye al calentamiento global. Los documentos de la USEPA clasifican los controladores neumáticos de gas natural en de alto sangrado, de bajo sangrado e intermitentes, siendo los controladores intermitentes responsables del 88 % de todas las emisiones de metano. Nuevas regulaciones, como las Normas de Rendimiento de Nuevas Fuentes OOOOb y las Directrices de Emisiones OOOOc, restringirán la instalación de controladores emisores de gases. Varios estados de EE. UU. y provincias de Canadá ya han implementado restricciones a los controladores emisores, exigiendo el uso de alternativas sin emisiones o de cero emisiones.

Respuesta de la industria a las regulaciones y presiones

Estas regulaciones propuestas, junto con la presión pública y financiera generada por los requisitos ESG, afectarán a todos los segmentos de la industria del petróleo y el gas y, por lo tanto, están siendo analizadas exhaustivamente por organizaciones industriales y de cumplimiento normativo. Como ocurre con la mayoría de las aplicaciones de actuadores, existen múltiples opciones de reducción según la ubicación de la unidad, el número de controladores, el tipo de controladores ya instalados, el medio operativo, la filosofía del cliente, el historial con diversos productos y la economía. El factor económico puede desglosarse en varias categorías, como el coste inicial del material, el coste total de instalación, el coste total de propiedad, etc.

Debido a estas presiones, la industria del petróleo y el gas está considerando las siguientes opciones:

• Conversión de aire de instrumentación: Uso de un sistema de aire comprimido para operar los sistemas neumáticos (si el sitio está conectado a la red eléctrica, esta es una opción económica).

• Compresores de aire de instrumentación autónomos alimentados por energía solar para su uso con controladores accionados por aire de instrumentación.

• Nitrógeno: Conversión, al igual que con el aire de instrumentación, mediante la modernización de los sistemas neumáticos existentes para que utilicen nitrógeno.

• Accionamiento eléctrico: Esto implica reemplazar un controlador neumático a gas por un controlador accionado por motor eléctrico (alimentado por la red eléctrica o con energía solar).

• Operadores eléctricos con retorno por resorte (alimentados por la red eléctrica o con energía solar).

• Operadores de engranajes de alta eficiencia.

El mejor enfoque depende de las necesidades y recursos específicos de cada planta. Implementar una estrategia de ventilación cero puede ayudar a minimizar el impacto ambiental en estas emisiones de GEI y metano, lo que idealmente resulta en una industria sostenible.

La búsqueda de cero emisiones

Las regulaciones propuestas por la USEPA se centran en el "mejor sistema de reducción de emisiones", que generalmente requiere el uso de controladores de purga cero, con pocas excepciones. Tres actuadores comunes (gas sobre petróleo, gas directo y baja presión accionado por gas natural) requerirán modificaciones para las nuevas instalaciones. Los controladores autónomos accionados por gas natural con sistemas de recompresión y aquellos con sistemas de recuperación de ventilación seguirán permitidos, pero los propietarios deberán realizar inspecciones trimestrales y mantener registros.

A pesar de que la USEPA permite componentes de "emisiones no detectables" (NDE) y las normas de prueba demuestran que las válvulas funcionan a menos de 100 ppm en promedio, muchos componentes aún presentan fugas superiores a 500 ppm con el tiempo. La declaración de la USEPA durante los comentarios públicos de NSPS VVa indica que los componentes NDE se considerarían en violación si se detectan fugas, lo que desalienta su uso. Esto plantea la pregunta: ¿qué pasaría si la industria pudiera encontrar un componente NDE real o uno que nunca supere la lectura del aire ambiente?

La producción de componentes de cero emisiones es una realidad que se ha mantenido durante muchos años en las bombas. La producción de componentes de válvulas ha mostrado una mejora significativa en comparación con los estándares de la USEPA, pero aún no se ha alcanzado una verdadera posibilidad de cero emisiones. ¿Qué pasaría si la tecnología finalmente se hubiera puesto al día con las válvulas? Las válvulas magnéticas están diseñadas para cumplir con los requisitos de los entornos de emisiones cero y de END. Para alcanzar el objetivo global de cero emisiones netas para 2050, estos avances tecnológicos serán un elemento estratégico para lograr un objetivo viable de cero emisiones netas.

Abrazando el magnetismo y el cambio

Para que la industria se mantenga al día con las regulaciones en constante cambio, debe ser ágil y estar dispuesta a buscar alternativas o avances. El método tradicional puede parecer funcionar a la perfección, pero no se mantiene al día con las mejoras tecnológicas ni con una mejor comprensión del impacto ambiental. Al considerar nuevas tecnologías, surgen dudas sobre las capacidades de los imanes en el funcionamiento de las válvulas. Los imanes tienen un gran potencial, con un eje de media pulgada de diámetro capaz de cizallarse cuando la actuación magnética genera un par de 900 a 1000 in-lbs. Esto permite calcular un cizallamiento infinito, lo que permite que los imanes salten cuando se alcanza el par máximo, ya sea al abrir o cerrar. Los imanes también pueden funcionar a altas y bajas temperaturas; algunos alcanzan hasta un 40 % más de resistencia a temperaturas criogénicas y otros operan a más de 1000 grados Fahrenheit, donde las fugas suelen ser un problema importante.

Dado que la válvula no depende de un empaque dinámico con imanes, las pruebas han demostrado que una válvula magnética puede accionar más de 40,000 accionamientos adicionales, incluso después de completar una prueba de fuego API 6FA. Con algunas tecnologías nuevas, es necesario modificar las estructuras existentes. Como con la mayoría de las tecnologías nuevas, también es necesario modificar las estructuras existentes. Estos cambios en el espacio pueden ser costosos y, en ocasiones, la infraestructura existente puede limitar las oportunidades de rediseño para la instalación de nuevas tecnologías. Con los componentes magnéticos, no es necesario rediseñar la infraestructura de la válvula; los componentes magnéticos se instalan sobre las válvulas ya instaladas, y ya no hay que preocuparse por el riesgo de seguridad que supone que el vástago sobresalga.

Cero emisiones fugitivas con accionamiento magnético

Entonces, con algunas de las preguntas más desafiantes respondidas, la única pregunta posible es: ¿Cómo se puede realmente tener cero emisiones fugitivas? Al explorar una válvula tradicional, al menos el 90% de todas las fugas se pueden encontrar desde la empaquetadura hasta el área del vástago, ya que ambas áreas son dinámicas. Las válvulas tradicionales también pueden tener fugas en la junta del bonete, pero al ser un sello estático, este tipo de fugas son menos frecuentes. Los actuadores magnéticos se pueden integrar en la mayoría de las válvulas estándar como una actualización. Con esta actualización, la única interfaz de fuga potencial sería la junta utilizada al fijarse al bonete. Se han eliminado todas las interfaces de fuga dinámicas y el actuador magnético está completamente encapsulado con una pared sólida. No tiene ningún accionamiento externo, lo que hace que una válvula accionada magnéticamente se parezca más a una válvula de retención. La USEPA coincide, como se publicó en el “Manual de Inspección: Regulaciones Federales sobre Fugas de Equipos para la Industria de Fabricación de Productos Químicos”, de diciembre de 1998, en que “Dado que una válvula de retención no tiene vástago ni prensaestopas posterior, no se considera una fuente potencial de emisiones fugitivas y no está sujeta a las normas”. Por lo tanto, se podrían tomar dos direcciones al poner en servicio una válvula magnética de cero emisiones. La primera podría ser designar este componente como NDE, lo que permite al usuario final monitorear el componente solo una vez al año. En segundo lugar, sin ningún accionamiento externo, se podría clasificar categóricamente una válvula magnética de cero emisiones, de compuerta, de globo, de tapón o de bola como válvulas de retención. Esto eliminaría todo el monitoreo requerido para ese componente indefinidamente.

Impulsando la reducción de emisiones

Impulsar la reducción de emisiones hacia soluciones de cero emisiones será una estrategia de futuro. Las emisiones fugitivas se han catalogado como una "Alerta de Cumplimiento" en relación con las refinerías desde 1999. Desde el año 2000, las refinerías se han sometido a acuerdos conocidos como Decretos de Consentimiento (CD). Estos CD han ayudado a disminuir las emisiones de las refinerías, pero cada instalación alcanza un punto muerto en la reducción de emisiones. Las soluciones de cero emisiones pueden interrumpir estas tendencias y comenzar a generar una reducción de emisiones nuevamente. Por ejemplo, si solo el 5% de las válvulas con fugas en una instalación se reemplazan por una solución de cero emisiones, se puede lograr una disminución del 63% en las emisiones fugitivas. Se puede lograr la misma reducción si se busca una disminución de CO2e para los objetivos de Cero Emisiones Netas para 2050.

Esta reducción no es una estimación. Los factores se obtuvieron utilizando los datos de emisiones reportados de las válvulas en ambas instalaciones. Además de ofrecer una reducción sustancial de emisiones, las soluciones de cero emisiones también eliminan la necesidad de contar con personal en una instalación operativa para su monitoreo. Dado que, como se mencionó anteriormente, las soluciones de cero emisiones, como la actuación magnética, eliminan la ruta de fuga, los requisitos de monitoreo se reducen significativamente o son inexistentes.

Considerando la evolución y los avances en la industria, los procesos se han vuelto más complejos; hemos profundizado más, operamos a temperaturas y presiones más extremas, y procesamos materiales más dañinos y letales a un ritmo sin precedentes. Por ello, debemos equiparar estos avances con los avances en la tecnología de cumplimiento normativo. En conjunto, ahora comprendemos el grave impacto de una falla en estos sistemas gracias a los avances en monitoreo y estudios generales de impacto ambiental. Las soluciones que funcionaban bien hace 50 años pueden no ser la mejor solución hoy o mañana.