La seguridad en el mundo del hidrógeno

por Laura López | Ene 20, 2022 | Artículo técnico

El hidrógeno renovable es ya una realidad en España. En los últimos meses hemos sido testigos de cómo autobuses propulsados por hidrógeno están tomando las calles de diferentes puntos de nuestro país. Zaragoza ha realizado una prueba de 10 días de duración en la línea del aeropuerto transportando en total a 972 pasajeros. La industria empieza también a apostar por generación de hidrógeno verde: Puertollano ha sido testigo de la llegada de los primeros tanques para almacenar hidrógeno para el uso en procesos industriales.

Así que, ya que el hidrógeno está llegando a nuestro día a día para quedarse, vamos a hablar de su seguridad. ¿Es el hidrógeno más peligroso que otros combustibles como el gas natural o el gasóleo?

En primer lugar, conviene recordar que el hidrógeno no ha surgido en los últimos 30 años, sino que fue descubierto en 1766 por Henry Cavendish y desde hace aproximadamente 100 años se usa en la industria química, especialmente para la producción de fertilizantes y para el refino del petróleo. Esto supone una garantía: hay mucha experiencia disponible en el manejo de este gas.

El hidrógeno renovable no sólo se postula como sustituto de ese hidrógeno gris que ya se usa actualmente (en España se producen 500.000 toneladas de hidrógeno mediante reformado del metano) para reducir sus emisiones asociadas, sino que viene llamado a usarse en otros sectores como la movilidad.

En otro de nuestros artículos (Recorrido de una molécula de H2 desde una HRS hasta la pila de un FCEV) ya hablamos del viaje de una molécula desde el tanque de una hidrogenera (HRS) hasta la pila de combustible, y hoy nos vamos a detener en por qué ese viaje es tan seguro como montarse en el Dragon Khan.

Seguridad en el diseño de las instalaciones

El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro e insípido, por lo que la seguridad es una parte crucial en las instalaciones que trabajan con este elemento. Todos los equipos que componen una HRS instalada en España disponen de su marcado CE individual, y antes de su instalación han pasado un test en fábrica (FAT). Tras la instalación se realiza otro test in situ por parte de un organismo acreditado para certificar el normal funcionamiento de la instalación (SAT).

El diseño de la instalación se hace con el propósito de evitar la formación de Atmósferas Explosivas (ATEX) que puedan ocasionar incidentes. El hidrógeno es el gas más ligero que existe (su densidad es de 89 g/m3 frente a los 1.293 g/m3 del aire en condiciones normales). Su alta viscosidad provoca altas velocidades de escape si se filtra a través de un orificio. Por suerte, su difusividad en el aire es también alta, favoreciendo su dilución en el aire en espacios bien ventilados. Un buen dimensionado de las zonas clasificadas como ATEX y el uso de medidas de seguridad adecuadas minimiza los peligros.

Por supuesto, la mejor forma de evitar riesgos es evitando tener zonas ATEX de tipo 0 y 1 en la instalación, así como tener una ventilación clasificada como buena e impedir la simultaneidad de escapes. Aun así, las zonas ATEX no son algo extraño y remoto, pese a que pueda sorprender, es más que probable que el lector visite frecuentemente una zona ATEX catalogada como de tipo 1 si reposta su coche con gasolina o diésel.

Pero podemos estar tranquilos, ya que toda instalación de producción y almacenamiento de hidrógeno debe cumplir siempre la normativa nacional en lo relativo a dispositivos a presión, producción de químicos, almacenamiento de gases, etc. y ser instalada por instaladores acreditados, lo que minimiza los riesgos.

La Comisión Europea, en base a su apuesta por el hidrógeno, está realizando avances significativos en materia de legislación y regulación en materia de seguridad. El European Hydrogen Safety Panel (EHSP) es uno de los organismos encargados de establecer pautas comunes de buen uso y manejo de este elemento dentro de los países de la Unión elaborando plantillas, guías y estudios al respecto.

Seguridad ante un accidente

Pero, vayamos al grano: ¿y si ocurre una fuga? Esta es una pregunta que se hace todo encargado de la parte de seguridad en el diseño de una instalación de hidrógeno y no es para menos, porque seguro que a más de uno le vendrá a la cabeza la imagen del Zeppelin Hindenburg. Por suerte no estamos en 1937 y las técnicas de análisis de riesgos (HAZOP) y elementos de seguridad se anticipan a cualquier casuística.

El hidrógeno es un gas combustible y puede ocurrir una deflagración o una detonación en caso de fuga al reaccionar con el aire. El hidrógeno se almacena a alta presión, y en caso de escape por un orificio se expandirá al bajar la presión. El hidrógeno es uno de los tres únicos gases (los otros son el helio y el neón) que tienen un coeficiente Joule Thomson negativo, lo cual provoca que se calienten cuando se expanden desde una alta presión a una baja presión. Sin embargo, esta NO es la causa primaria de que se pueda incendiar, ya que este fenómeno no lo lleva a su temperatura de autoignición (585ºC).

¿Entonces, por qué puede encenderse en caso de fuga? El hidrógeno saldrá disparado en forma de chorro (jet) a velocidades subsónicas y supersónicas, dependiendo de las condiciones de presión, temperatura y de la geometría de la fuga. El alto rango de su umbral de combustibilidad y la riqueza del oxígeno (que actúa como comburente) en el aire puede provocar que se inflame. Pero eso ya lo habrán previsto los técnicos, así como habrán calculado y modelado la longitud y forma del gas fugado y, en consecuencia, habrán delimitado las zonas peligrosas y enfocado las salidas de evacuación de las válvulas de sobrepresión a lugares seguros lejos de otros equipos o de lugares de tránsito, garantizando la seguridad de equipos y personas.

Y, por último, la pregunta del millón: ¿es más peligroso el hidrógeno que otros combustibles? Esa pregunta se la hicieron los investigadores de Ulster en el centro HySAFER y montaron un experimento que los llevó a las siguientes conclusiones, que responden de una forma muy gráfica:

Es un experimento tremendamente interesante, ahora veremos por qué. Las imágenes superiores son imágenes termográficas para poder medir la radiación térmica de las diferentes llamas (hidrógeno a 200 bar frente a CNG (gas natural comprimido) a 200 bar y propano a 10 bar). Con ellas podemos ver que el propano tiene una huella térmica muy significativa si se compara con el hidrógeno y que el CNG también tiene una huella térmica superior al hidrógeno. Atención, hay que tener en cuenta que las imágenes inferiores están retocadas: ¡la llama de hidrógeno es apenas visible! En la combustión de hidrógeno (0.5 O2 + 2H+ + 2e ↔ H2O) la formación de carbono es inexistente, lo que da lugar a llamas incoloras y poco radiantes, aunque sean grandes.

Algunos elementos de seguridad para la operación de instalaciones de hidrógeno

Pero estas situaciones extremas no tienen por qué darse. Se trabaja mucho para minimizar las posibilidades de que ocurran. Para su correcto funcionamiento todas las instalaciones de este tipo cuentan con elementos de seguridad y protocolos que ayudan a reaccionar ante situaciones inesperadas protegiendo a las personas y activos. De hecho, al igual que otras industrias se usan medidas de seguridad redundantes y poder elevar la protección lo máximo posible.

Breakaway

Es un dispositivo que se sitúa en la manguera que impide que todo el hidrógeno se escape a la atmósfera en el caso de que el usuario se olvide la manguera conectada al receptáculo del vehículo y arranque, “llevándose la manguera puesta”. Es una válvula de cierre automático de seguridad.

Válvulas de alivio de presión y temperatura

Son válvulas que cuentan con sensores de presión y temperatura y evacúan el hidrógeno a la atmósfera para evitar sobrecalentamientos o sobrepresiones que puedan dañar los diferentes elementos de la instalación, provocando roturas.

Inertización de la instalación

Esta maniobra está extendida en muchas industrias de ahí su aplicación en materia de prevención. Antes de proceder a introducir el hidrógeno en cualquier parte de la instalación se procede a desplazar el oxígeno que haya podido quedar en las tuberías y depósitos mediante un gas inerte, generalmente nitrógeno, con el propósito de evitar que la mezcla de oxígeno e hidrógeno tenga concentraciones que puedan provocar una explosión

Este protocolo se activa también automáticamente en caso de fugas, limitando las concentraciones y evitando por tanto atmósferas explosivas. Para esto no sólo se usan detectores de hidrógeno sino también detectores de oxígeno, para comprobar las concentraciones de ambos gases.

En conclusión, el hidrógeno no es más peligroso que otros productos combustibles que utilizamos habitualmente, e incluso en muchas situaciones, es más seguro que el CNG o los LPGs. El conocimiento de las propiedades del hidrógeno, una tecnología adecuada y unos protocolos de utilización seguros, hacen que manejar el hidrógeno sea seguro como vector energético.

Desde SynerHy, nuestra labor es asesorar y formar a las empresas para que entiendan cómo se comporta y cómo se opera con hidrógeno, para que sea la solución energética definitiva.

Con la colaboración de Juan Palencia, Álvaro Reyes y Yago Reglero.