Hidrógeno, riesgos y mantenimiento

Rafael Díaz Villarejo 22 de noviembre de 2024

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11 min. de lectura

Rafael Díaz Villarejo
Responsable Oil&Gas e Instrumentación
ELEKTRA Andalucía XXI S.L.

INTRODUCCIÓN AL HIDRÓGENO

El hidrógeno es el elemento químico más simple y abundante en el universo. Aquí hay una descripción de algunas de sus propiedades y características principales:

1. Símbolo químico y número atómico: El hidrógeno se representa con el símbolo H y tiene el número atómico 1 en la tabla periódica.
2. Estado físico: A temperatura y presión ambiente, el hidrógeno es un gas incoloro, inodoro e insípido.
3. Peso atómico: El hidrógeno tiene un peso atómico de aproximadamente 1.008 u, lo que lo convierte en el elemento más ligero.
4. Densidad: El hidrógeno tiene una densidad muy baja en forma gaseosa, siendo aproximadamente 0.08988 g/l a 0 °C y 1 atmósfera de presión.
5. Punto de ebullición y punto de fusión: El hidrógeno tiene un punto de ebullición de -252.87 °C y un punto de fusión de -259.14 °C. Estas temperaturas extremadamente bajas hacen que el hidrógeno se encuentre en estado gaseoso en la mayoría de las condiciones terrestres.
6. Solubilidad: El hidrógeno es ligeramente soluble en agua y otros disolventes polares.
7. Comportamiento químico: El hidrógeno es altamente reactivo y puede formar enlaces químicos con la mayoría de los elementos. En su forma molecular, el hidrógeno está compuesto por moléculas diatómicas (H₂). Puede reaccionar con el oxígeno para formar agua (H₂O) o con otros elementos para formar compuestos como hidrocarburos, amoniaco, ácido clorhídrico, entre otros.
8. Potencial energético: El hidrógeno es una fuente de energía potencialmente importante debido a su alta densidad energética por unidad de masa. Puede ser utilizado como combustible en celdas de combustible para producir electricidad de manera limpia y eficiente, sin generar contaminantes atmosféricos (si se produce a partir de fuentes renovables).
9. Concentraciones de poco más del 1%. A esto hay que añadir que, mientras el hidrógeno tiende a subir y dispersarse en el ambiente, otros gases más pesados como el propano o los vapores de la gasolina tienden a acumularse cerca del suelo, lo que aumenta el riesgo de una explosión.

El hidrógeno es un elemento químico que tiene varios riesgos asociados, especialmente peligrosas son la Inflamabilidad y explosividad. El hidrógeno es altamente inflamable y puede formar mezclas explosivas con el aire en una amplia gama de concentraciones. Esto significa que incluso pequeñas fugas de hidrógeno pueden provocar incendios o explosiones si entran en contacto con una fuente de ignición.

1. Temperatura de autoignición: o autoinflamación es la temperatura mínima a la que una sustancia en contacto con el aire arde espontáneamente sin necesidad de una fuente de ignición, a presión de una atmósfera.: Temperatura de autoignición: 560°C.
2. Rango de inflamabilidad: El hidrógeno tiene un rango de inflamabilidad muy amplio (entre el 4% y el 74% de concentración en el aire) y requiere muy poca energía (0.02 mJ) para iniciar la combustión. Como ejemplo, en concentraciones inferiores al 10% la inflamabilidad es similar a la del gas natural o la gasolina ampliamente utilizados en todo tipo de situaciones y aplicaciones en el día a día.
3. Riesgo de una explosión: es mucho menor que otros combustibles más habituales ya que se vuelve explosivo en concentraciones entre el 18,3% y el 59% En comparación, los vapores de gasolina pueden explotar en una concentración de entre el 1,4% y el 7,6%.

Estos riesgos hacen que el hidrógeno y toda su cadena de valor (Producción – distribución – consumo) , estén sujetas a las directivas ATEX.

Estas son solo algunas de las propiedades y características del hidrógeno. Su versatilidad y potencial como una fuente de energía limpia hacen que sea un área de interés en investigación y desarrollo en el ámbito de la energía sostenible. Sin embargo, su manipulación segura requiere precauciones debido a su inflamabilidad y otros riesgos asociados.

TIPOS DE HIDRÓGENO

El hidrógeno es una fuente de energía prometedora que puede producirse de diversas maneras, cada una con diferentes impactos ambientales. Los tipos de hidrógeno se suelen clasificar por colores para indicar el método de producción y las emisiones asociadas. Aquí se explican los principales tipos:

1. Hidrógeno Gris:

• Producción: Se produce principalmente a partir de gas natural mediante un proceso llamado reforma de metano con vapor (SMR).
• Emisiones: Este proceso emite una cantidad significativa de dióxido de carbono (CO₂). Aproximadamente, por cada kilogramo de hidrógeno producido, se emiten alrededor de 9-12 kilogramos de CO₂.

2. Hidrógeno Azul:

• Producción: También se produce a partir de gas natural mediante SMR, pero incorpora captura y almacenamiento de carbono (CCS) para reducir las emisiones de CO₂.
• Emisiones: Aunque se reduce considerablemente el CO₂ liberado a la atmósfera, no es totalmente libre de emisiones. La efectividad de la captura puede variar, pero se estima que se pueden capturar hasta un 90% de las emisiones.

3. Hidrógeno Verde:

• Producción: Se genera a través de la electrólisis del agua usando electricidad proveniente de fuentes renovables como la solar, eólica o hidroeléctrica.
• Emisiones: Es prácticamente libre de emisiones de CO₂, dado que no se utiliza combustibles fósiles en su producción y la electricidad proviene de fuentes renovables.

4. Hidrógeno Marrón o Negro:

• Producción: Se obtiene a partir de carbón o lignito mediante gasificación.
• Emisiones: Este es el método más contaminante, emitiendo grandes cantidades de CO₂ y otros contaminantes como el monóxido de carbono (CO) y óxidos de nitrógeno (NO_x).

5. Hidrógeno Turquesa:

• Producción: Se produce a través del pirólisis del metano, que descompone el gas natural en hidrógeno y carbono sólido.
• Emisiones: Las emisiones de CO₂ son prácticamente nulas si el proceso se lleva a cabo utilizando energía renovable y el carbono sólido es manejado adecuadamente.

6. Hidrógeno Amarillo:

• Producción: Se refiere al hidrógeno producido mediante electrólisis utilizando electricidad proveniente de la energía nuclear.
• Emisiones: Las emisiones de CO₂ son muy bajas, similares al hidrógeno verde, dado que la electricidad nuclear no genera emisiones de CO₂ durante su producción.

Cada tipo de hidrógeno presenta ventajas y desventajas en términos de costos, infraestructura y emisiones. La elección del tipo de hidrógeno para una aplicación específica dependerá de factores como la disponibilidad de recursos, las políticas ambientales y los costos económicos asociados. 

LEGALMENTE, ¿CÓMO SE DESCRIBE EL HIDRÓGENO VERDE?

Según el artículo 2.22 del Real Decreto 376/2022, de 17 de mayo, el hidrógeno renovable consiste en hidrógeno procedente de fuentes renovables (energía solar, geotérmica, hidroeléctricas, etc.)

HABLEMOS DE LOS RIESGOS DEL HIDRÓGENO

Los riesgos asociados a la inflamabilidad del hidrógeno son significativos y deben tomarse en cuenta en entornos donde se maneje este gas. Algunos de los riesgos más importantes incluyen:

1. Incendios y explosiones: El hidrógeno es altamente inflamable y puede formar mezclas explosivas con el aire en una amplia gama de concentraciones. Incluso una pequeña chispa o fuente de ignición puede provocar la ignición del hidrógeno, lo que resulta en incendios o explosiones que pueden ser extremadamente peligrosos.
2. Fugas y acumulaciones: Las fugas de hidrógeno pueden ocurrir en sistemas de almacenamiento, transporte o manipulación. Debido a que el hidrógeno es un gas muy ligero, puede acumularse en áreas confinadas, aumentando el riesgo de incendios o explosiones si se enciende.
3. Dificultad de detección: El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro e insípido, lo que dificulta su detección a simple vista. Esto significa que las fugas pueden pasar desapercibidas hasta que se produce una acumulación lo suficientemente grande como para causar un problema.
4. Reactividad con otros materiales: El hidrógeno puede reaccionar con una variedad de materiales, incluidos metales, plásticos y algunos gases, lo que puede aumentar el riesgo de incendios o explosiones si no se maneja correctamente.
5. Presión de almacenamiento: El hidrógeno se almacena típicamente a alta presión para lograr una mayor densidad energética. Esto significa que los contenedores de almacenamiento pueden representar un riesgo adicional si no se manejan correctamente, ya que pueden explotar si se exponen a temperaturas extremas o a daños físicos. Además, Por ejemplo, los tanques de almacenamiento superiores a 5T deben de tomar medidas de control inherentes a los accidentes graves en los que intervengan sustancias peligrosas (RD 840/2015)

ESTADO NORMATIVAS APLICABLES A LA CADENA DE VALOR DEL H₂

La escasez de reglamentación y normativas relativas a las nuevas tecnologías referentes a hidrógeno dificultan la comercialización de tecnología, además existen divergencias entra normas nacionales y regionales.

Como se ha comentado anteriormente, el almacenamiento y distribución debe de cumplir muchas regulaciones pues el H₂ es catalogado como peligroso y debe ser controlado permanentemente por las autoridades reguladoras.

Es necesario normalizar:

• Especificaciones producto H₂

• Infraestructura de almacenaje y distribución para aplicaciones móviles y estacionarias (vehículo y estaciones de servicio)

• Aplicaciones finales (cédulas de combustible, motores de combustión interna, quemadores)

• Tecnologías de producción del hidrógeno a partir de las fuentes primarias renovables

• Tecnologías de producción en pequeña escala

• Dispositivos de detección y seguridad relacionados
  
• Seguridad y propiedades relevantes del H2

La reglamentación y estandarización ayudan a asegurar el manejo y uso seguro del hidrógeno. Ellos son por lo tanto importantes para promocionar el uso del hidrógeno a una escala más amplia.

El trabajo de estandarización en tecnologías del hidrógeno se lleva fundamentalmente a cabo a nivel internacional. La organización internacional de estandarización (ISO) y la comisión internacional electrotécnica (IEC) están implicadas. Los estándares internacionales pueden finalmente, convertirse en estándares europeos, con o sin modificaciones, que reemplazarían cualquier estándar nacional en Europa. Ask europea. Las organizaciones equivalentes son el comité europeo de estandarización (CEN) y el comité europeo de estandarización Electrotécnicas (CENELEC). La IEC está especializada en las aplicaciones eléctricas y electrónicas, y, por lo tanto regula las células de combustible, incluida la seguridad. El comité técnico ((TC) 105 se encarga de las células de combustible específicamente. Pero la mayoría de los temas relacionados con el hidrógeno, almacenamiento, distribución, suministro, están llevados a cabo por la ISO, y más concretamente por la ISO TC 197 entre estas organizaciones existen vínculos de trabajo.

A nivel europeo, el CEN/CENELEC comité técnico conocido como Fuel Cell appliances que regula las células de combustible domésticas con capacidades hasta 70 kW

NORMAS EN DESARROLLO

ISO/DIS 13985.3 Hidrógeno líquido - Tanques para vehículos terretres.

ISO/CD 13986 Tanques para transporte multimodal de H₂ líquido.

ISO/DPAS 15594 Instalaciones de carga de hidrógeno para aeropuertos.

ISO/DIS 17268 Hidrógeno gaseoso - Conectores para carga de combustible para vehículos terrestres.

ISO/DIS 15869 1/2/3/4/5 Hidrógeno gaseoso y mezclas de H₂ gaseoso - Tanques de combutible para vehículos terrestres.

ISO/WD 20012 Hidrógeno gaseoso - Estaciones de Abastecimiento.

ISO/CD 16110.1/2 Generadores de hidrógeno usando tecnologías de procesamiento de combustibles.

ISO/CD 22734 Generadores de hidrógeno que emplean procesos de electrolisis del agua.

IEC/CD 62282 Tecnologías de Celdas de combustible. (Liaison con IEC 105)

ISO/WD 16111 Dispositivos transportables para almacenamiento de gas. Absorción reversible de hidrógeno en hidruros metálicos.

ISO/CD 16110-1 Generación de hidrógeno utilizando tecnologías de procesamiento de combustibles -- Parte 1 Seguridad

ISO/CD 16110-2 Generación de hidrógeno utilizando tecnologías de procesamiento de combustibles -- Parte 2 Procedimientos de determinación de la eficiencia

NORMAS DESARROLLADAS

ISO 13984: 1999 Hidrógeno líquido – Interface del sistema de carga para vehículos terrestres.

ISO 14687: 1999 Hidrógeno combustible - Especificaciones del producto.

ISO 14687: 1999/ Cor 2001 Hidrógeno combustible – Especificaciones del producto.

ISO/PAS 15594:2004 Instalaciones de abastecimiento de hidrógeno en aeropuertos.

ISO/TR 15916:2004 Consideraciones Básicas para Ia Seguridad en Sistemas de Hidrógeno

RECOMENDACIONES Y CONSIDERACIONES PARA ASEGURAR LA SEGURIDAD EN ZONAS CON PRESENCIA DE HIDRÓGENO

Para asegurar la seguridad en zonas donde se maneja o existe la posibilidad de presencia de hidrógeno, es fundamental implementar una serie de medidas preventivas y protocolos de seguridad. Aquí tienes algunas recomendaciones:

1. Capacitación del personal: Todos los trabajadores que manipulen o estén expuestos al hidrógeno deben recibir una formación exhaustiva sobre los riesgos asociados y las medidas de seguridad necesarias. Esto incluye el manejo adecuado del gas, la identificación de posibles fugas, y la respuesta a emergencias.
2. Detección de fugas: Instalar sistemas de detección de fugas de hidrógeno en áreas donde se almacena, maneja o utiliza este gas. Estos sistemas deben ser capaces de detectar incluso pequeñas concentraciones de hidrógeno para tomar medidas preventivas de inmediato.
3. Ventilación adecuada: Asegurar una adecuada ventilación en todas las áreas donde pueda acumularse hidrógeno. La ventilación adecuada ayuda a prevenir la acumulación de gas en espacios confinados, reduciendo así el riesgo de incendios o explosiones.
4. Diseño seguro de instalaciones: Asegurarse de que las instalaciones donde se maneje hidrógeno estén diseñadas y construidas de acuerdo con los estándares de seguridad aplicables. Aplicar Régimen legal de los transportistas, distribuidores, comercializadores y consumidores de gas natural al suministro de hidrógeno verde (RD-ley 06/2022).
   Esto incluye el uso de materiales resistentes al hidrógeno, la instalación adecuada de equipos y la implementación de sistemas de seguridad contra incendios y explosiones.
5. Equipos adecuados: Utilizar equipos y herramientas diseñados y certificados específicamente para trabajar con hidrógeno de manera segura (normativa ATEX). Esto incluye equipos eléctricos y mecánicos certificados para su uso en atmósferas potencialmente explosivas.
6. Mantenimiento regular: Realizar inspecciones y mantenimiento regular de todos los equipos, sistemas y dispositivos relacionados con el manejo del hidrógeno. Esto ayuda a identificar y corregir posibles problemas antes de que se conviertan en riesgos para la seguridad.
7. Protección personal: Proporcionar al personal equipos de protección personal adecuados (antiestática, anti-chispas, etc.) como gafas de seguridad, guantes resistentes a productos químicos/ agentes agrasivos y equipos de respiración en caso de emergencia.
8. Plan de emergencia: Desarrollar y practicar regularmente un plan de emergencia que incluya procedimientos de evacuación, métodos de extinción de incendios y acciones específicas en caso de fuga de hidrógeno o incendio.
9. Cumplimiento normativo: Asegurarse de cumplir con todas las normativas y regulaciones locales, nacionales e internacionales relacionadas con el manejo seguro del hidrógeno.

Al seguir estas recomendaciones y tomar medidas proactivas para mitigar los riesgos asociados al hidrógeno, se puede garantizar un entorno de trabajo seguro en zonas donde este gas está presente.