Escuela Superior de Ingenieros Industriales INTRODUCCIÓN

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2. INTRODUCCIÓN

2.1. Tecnología del hidrógeno

El hidrógeno está llamado a jugar un papel importante en el sector energético mundial en

los próximos años. Su utilización como combustible presenta, respecto a los fósiles tradicionales,

ventajas desde el punto de vista medioambiental debido a la reducción en las emisiones de CO2,

óxidos de nitrógeno y azufre.

El desarrollo de las tecnologías de hidrógeno lleva asociada actuaciones de I+D en la

producción, el almacenamiento y la conversión de la energía química contenida en el hidrógeno en

energía térmica o eléctrica. Todas las tecnologías relacionadas con su producción, en especial

aquellas técnicas medioambientales sostenibles, serán objeto de atención prioritarias los próximos

años.

Entre otros métodos el hidrogeno puede obtenerse del agua mediante electrólisis

empleando energía eléctrica producida a partir de fuentes renovables (solar fotovoltaica, eólica,

hidráulica, etc). Este proceso químico tiene lugar en un ambiente ácido o básico, y precisa de un

electrolito que facilite el intercambio iónico. De forma simplificada, la reacción es la siguiente:

Para la producción de energía mecánica, eléctrica o de calor, el hidrógeno se puede utilizar

en procesos químicos de combustión y en motores de combustión interna, aunque la forma que

presenta mayor interés es la producción de electricidad en pilas de combustibles. Las pilas de

combustibles son unos dispositivos electroquímicos capaces de convertir la energía química que

contiene un combustible en electricidad con una eficiencia elevada, ya que no está limitada por el

ciclo de Carnot. Además, cuentan con rendimientos en torno al 80% y rendimientos prácticos en

torno al 40-60%, por lo que tienen un gran potencial de aplicación. De todos los combustibles

aplicables a pilas de combustibles, el hidrógeno es que presenta mayores ventajas.

Una pila de combustible está formada por la unión en serie de varias celdas individuales.

Cada una de las celdas consta por dos electrodos (ánodo y cátodo) donde se produce

respectivamente la oxidación del hidrogeno y la reducción del oxígeno. Cuentan además con un

electrolito, que puede ser un medio ácido o básico, que permite el intercambio iónico de ambas

reacciones. Uniendo una celda con la siguiente se encuentra la placa bipolar que permite la

circulación de electrones, que pasando por circuito externo, completa las reacciones dando

electricidad. En la Figura 2. 1, se muestra esquemáticamente el funcionamiento de una pila de

combustible tipo PEM.

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Figura 2. 1. Funcionamiento de una pila de combustible tipo PEM.

El funcionamiento de una pila tipo PEM si se centra en el recorrido de una molécula de H2,

que entra en el ánodo es el siguiente. En primer lugar, la molécula cruza la placa bipolar por los

canales mecanizados en ella, éstos le guían hasta el difusor de gases, que es un material altamente

poroso que facilita la difusión del hidrógeno de manera que cada molécula individual tenga acceso

a una partícula de catalizador que se encuentre libre. En presencia del catalizador tiene lugar la

descomposición del H2 en 2 protones (H+) y dos electrones. Los protones continúan su camino a

través de la membrana de intercambio protónico, pero los electrones no pueden cruzarla debido a

que no es conductora electrónica y buscan salida a través del DG y de la PB hasta el circuito

externo, donde aparecen en forma de corriente eléctrica disponible para la realización de un

trabajo. Al otro lado de la membrana los protones continúan su camino hacia el cátodo, dónde

también llegan los electrones del circuito exterior y el oxígeno que al encontrarse con el

catalizador rompe su enlace. Al encontrarse estos dos componentes se forma agua y calor que son

evacuados por los sistemas adecuados fuera de la pila.

El funcionamiento reflejado aquí es muy simplificado y en la práctica presenta muchas

dificultades técnicas. Para los sistemas actuales la correcta presencia de agua es muy importante

ya que lo procesos de conducción protónica dependen decisivamente de ella, así pues un punto

crítico se halla en el control de los sistemas de gestión de agua ya que tanto un exceso como un

defecto de agua va en detrimento del funcionamiento de la pila.

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La clasificación de las pilas de combustibles se realizan en base al electrolito que utilizan,

en la Tabla 2. 1, se muestra los diferentes tipos de pilas de combustibles así como algunos datos

de interés de cada una de ellas.

Tabla 2. 1. Clasificación de las pilas de combustibles

El tipo de pila de combustible más apto para el funcionamiento de un vehículo son las pilas

tipo PEM debido a que su alta densidad de potencia y a que su reducida temperatura de trabajo

(<80ºC) facilitan un rápido encendido y una buena capacidad de respuesta a los cambios de

solicitación. Además los materiales que la componen le confieren unas características mecánicas

que la hacen aptas para soportar vibraciones e impactos.

Un ejemplo real de esta tecnología a nivel nacional es el proyecto Hércules. Dicho

proyecto contribuye la implantación del hidrógeno en el sector del transporte mediante el diseño

de una estación de servicio (hidrogenera) que dispensará hidrógeno a un vehículo comercial,

adecuadamente preparado, para ser propulsado por hidrógeno.

El aprovechamiento de la energía del sol para la producción del hidrógeno se realizará

fundamentalmente mediante paneles fotovoltaicos y un sistema Stirling que generarán la energía

eléctrica empleada por el sistema electrolizador, que se encarga de disociar la molécula del agua

en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno renovable producido se adecuará mediante los sistemas e

instalaciones de control, transporte y almacenamiento de modo que se dispense en una estación

de servicio (hidrogenera) para vehículos eléctricos que tengan la capacidad de propulsarse

mediante este gas.

La sustitución del sistema de propulsión convencional de un vehículo comercial por un

nuevo sistema de potencia compuesto por una pila de combustible de polímero sólido y un

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conjunto de baterías pretende asegurar el mismo nivel de prestaciones del vehículo por lo que

implica un amplio desarrollo de sistemas, adecuación de materiales, estudios de seguridad, etc.

Tabla 2. 2. Santana 350 en su presentación.

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2.2. ¿Por qué es necesario un análisis de seguridad?

En todos los ámbitos relacionados con la tecnología del hidrógeno, es de vital importancia

desarrollar un análisis de seguridad debido a las características que posee el hidrogeno. Las

propiedades más relevantes del hidrógeno relativas a la seguridad se resumen en los siguientes

puntos.

Densidad: Es el más ligero de todos los elementos químicos. A 25 ºC y 1 bar, la densidad

del aire es 14 veces superior a la del hidrógeno.

Flotabilidad: Al ser el elemento más ligero, su flotabilidad es muy elevada. La flotabilidad

depende de la diferencia de densidades del aire y del hidrogeno. Esta propiedad física es la

responsable que el hidrógeno tienda a acumularse en las zonas elevadas.

Difusión: Aunque el transporte de gas por difusión es mucho menor que el debido a la

diferencia de densidades con el aire, el hidrógeno se difunde en aire mucho más deprisa

que otros gases combustibles. El coeficiente de difusión del hidrógeno es de 0,61 cm2/s.

Este fenómeno es el responsable de que el hidrógeno se esparza por todo el recinto en un

periodo de tiempo relativamente bajo.

Viscosidad: La baja viscosidad del hidrógeno, junto a su pequeño tamaño, es la razón

principal para explicar la probabilidad de que se produzca fugas de hidrógeno en juntas y

sellos.

Inflamabilidad y características de la llama: El hidrógeno es inflamable en aire en un

rango de concentraciones del 4% al 75% y arde, en ausencia de impurezas, con una llama

casi invisible.

Energía de ignición: El hidrógeno puede entrar en ignición con una cantidad de energía

muy pequeña. La energía mínima de ignición del hidrógeno es de 0,02 mJ.

Límites de detonación: El hidrógeno puede detonar en un rango de concentraciones

bastante amplio cuando está confinado pero es muy difícil que detone en espacios

abiertos. Los límites de detonación del hidrógeno se sitúan en un rango de

concentraciones volumétricas del 18.3 % al 59 %.

Velocidad de la llama: El hidrógeno, para concentraciones medias, tiene una velocidad de

llama mayor que los combustibles comunes.

Temperatura de ignición: El hidrógeno tiene una temperatura de ignición superior a la de

los combustibles comunes (858 K).

El riesgo principal de usar el hidrógeno como combustible es el problema asociado a las fugas.

Una fuga de hidrógeno, a priori, no sabemos ni donde se produce ni cuanto caudal está liberando.

Además la gran flotabilidad del hidrógeno afecta al movimiento del gas considerablemente más

que su alta difusividad. La flotabilidad del hidrógeno, cuando se le permite ascender, creará

corrientes de convección. Debido a estas propiedades, el hidrógeno gaseoso se dispersará

rápidamente y forma con el aire mezclas inflamables cuando el recinto es cerrado.

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Algunas medidas de prevención que se suelen usar en sistemas que trabajan con hidrogeno

como combustible según la normativa existente en España sobre seguridad frente al hidrógeno es

la UNE-ISO/TR 15916 IN son los siguientes:

Eliminación de hidrógeno: El hidrógeno debería ser eliminado de acuerdo con un método

aprobado.

Añadir colorantes y aditivos que den olor al hidrógeno, escogidos con cuidado para evitar

eliminar las propiedades de limpieza ambiental inherentes al hidrógeno puro.

Ventilación: El sistema de ventilación debe de eliminar el hidrógeno del espacio confinado.

Instalar sistemas de detección de hidrógeno y alarma.

La norma existente en España sobre seguridad frente al hidrógeno es la UNE-ISO/TR 15916

IN cuyo título corresponde a Consideraciones básicas de seguridad de los sistemas de hidrógeno.

Dicha normativa proporciona una guía para el uso del hidrógeno en su forma gaseosa y líquida y

además, identifica los riesgos básicos y describe las propiedades del hidrógeno que son relevantes

para la seguridad. Sin embargo, esta norma, no está totalmente desarrollada y aunque da

conciencia de la peligrosidad de este combustible, no proporcionales niveles mínimos a cumplir

reglamentariamente sino que tan solo describe los tipos de precauciones que son necesarias

establecer cuando se trabaja con hidrógeno. A continuación se resumirán algunos de los puntos

más importantes de esta normativa. A continuación, se resumen los puntos 5 y 7.

En el punto 5, la normativa clasifica de forma priorizada los principales peligros y sus

consecuencias asociadas a los sistemas de hidrogeno en el siguiente orden:

1. Combustión: El principal problema que presenta los sistemas de hidrógeno es la

combustión incontrolada de fugas accidentales de hidrógeno. Esto se debe al alto

potencial del hidrógeno para fugar y formar mezclas combustibles, a la facilidad para la

ignición de dichas mezclas y al potencial de liberación de energía que puede producir en

forma de fuego o explosión.

2. Presión: El hidrógeno gaseoso se puede comprimir a presiones muy elevadas. Bajo esas

presiones, el hidrógeno tiene una considerable energía potencial almacenada. La

liberación de esta energía puede generar una onda expansiva dependiendo de la tasa de

energía liberada.

3. Baja temperatura: Se debe tener cuidado de asegurar que los materiales estructurales

tienen suficiente tenacidad y que el diseño del sistema tiene en cuenta la contracción de

materiales. El fallo de estos materiales puede llevar a la liberación de hidrógeno tanto

interno al sistema como externo al sistema.

4. Fragilización por hidrógeno: Los materiales usados en recipientes u otros componentes

pueden experimentar una pérdida significativa de su resistencia estructural cuando se

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expone al hidrógeno. Este fenómeno tiene lugar cuando el hidrógeno penetra en la

estructura de la red del material. Fallos debidos a la fragilización del hidrógeno pueden

resultar catastróficos para estructuras de contención tales como depósitos de

almacenamiento. Se puede contrarrestar con un apropiado diseño y selección de

materiales.

5. Exposición: El hidrógeno en contacto directo puede provocar quemaduras frías y a alta

temperatura así como asfixia en áreas confinadas como resultado del agotamiento de

oxigeno.

Por último, el punto 5 de la norma da una serie de consejos para evitar accidentes como

puede ser una formación adecuada en su área de trabajo.

En el punto 7, la norma expone una serie de actuaciones que se pueden realizar para

mitigar el riesgo. Para ello se propone una serie de consejos.

1. Minimizar la cantidad de hidrógeno que se almacena y que está involucrada en la

operación.

2. Aislar el hidrogeno de los oxidantes, materiales peligrosos y equipos peligrosos.

3. Separar al personal y las instalaciones de los potenciales efectos del fuego, explosión,

o detonación por el fallo del equipamiento de hidrógeno.

4. Elevar los sistemas de detección de hidrogeno y ventearlo.

5. Diseñar los recipientes de almacenamiento a presión según normativa.

6. Las tuberías deben de estar diseñadas, fabricadas y ensayadas de acuerdo con normas

de reconocido prestigio.

7. Las tuberías no deben de estar situadas bajo líneas eléctricas.

8. El venteo del hidrógeno se debería de realizar al aire libre mediante sistemas de

venteo debidamente localizados y diseñados.

9. Un espacio cerrado, en el cual el hidrógeno se pudiera acumular debería de tener una

ventilación adecuada para prevenir la formación de una mezcla combustible.

10. Evitar el confinamiento donde se pudiera formar mezclas inflamables de hidrógeno.

11. Ubicar sensores donde se pueda producir una fuga de hidrógeno.

12. Ubicar sensores donde se pueda acumular el hidrógeno.

13. Los sensores deberían tener una gran exactitud y fiabilidad, tener límites superior e

inferior de detección y un tiempo de respuesta adecuado.

14. Sistemas de seguridad: Se debería instalar sistemas y equipamiento de seguridad para

controlar automáticamente el equipamiento necesario para reducir el peligro indicado

por los sistemas de advertencia y precaución. Los controles manuales del sistema

deberían estar restringidos por dispositivos automáticos para prevenir el exceder los

parámetros del sistema.

15. La ventilación debería ser establecida antes de introducir el hidrógeno en un espacio

confinado y continuar hasta que el hidrógeno sea eliminado del espacio confinado.

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16. La ventilación no debería ser cortada como consecuencia de un procedimiento de

parada de emergencia, a menos que la fuente de hidrógeno esta fuera del espacio

confinado.

17. Falsos techos y bóvedas deberían ser evitados o adecuadamente ventiladas en

espacios confinados.

18. El equipamiento eléctrico del sistema de ventilación debería cumplir las disposiciones

adecuadas para operar en un medio combustible.

2.3. Estado del arte del análisis de seguridad frente a fugas de

hidrógeno mediante fluidodinámica computacional.

Diversos autores han desarrollado estudios de seguridad frente a fugas de hidrógeno en

diferentes escenarios usando herramientas fluidodinámicas. Todos los autores coinciden en la idea

del diseño de un sistema de ventilación, el cual sea capaz de disminuir el riesgo de inflamación en

el interior del recinto. Obviamente, cada sistema de ventilación es diseñado dependiendo de la

geometría del recinto y del riesgo a inflamación al que está expuesto. A continuación, se

resumirán algunos trabajos de interés describiendo las medidas de seguridad que se decidieron

tomar para reducir la peligrosidad en el interior del recinto.

Prankul Middha (2009) realiza un trabajo sobre la modelización mediante fluidodinámica

computacional de un análisis de seguridad frente a fugas de hidrógeno en un garaje. En este

trabajo se comparan resultados obtenidos mediante fluidodinámica computacional con resultados

experimentales, obteniéndose resultados muy similares con un porcentaje de error muy bajo.

Figura 2. 2. Comparación de resultados experimentales y simulados mediante fluidodinámica computacional.

Además, también se realiza un estudio variando el ratio de ventilación para estudiar de

qué forma se dispersa y se elimina la nube inflamable de hidrógeno.

L.M.Erviti (2010) estudia la evolución de una fuga de hidrógeno en un recinto de grandes

dimensiones y en un recinto de dimensiones reducidas. Como sistema de detección y

descontaminación de hidrógeno para el recinto de grandes dimensiones se usan tres sensores de

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hidrógeno situados en la zona superior del recinto y dos compuertas de extracción que se abren

cuando alguno de los sensores detecta hidrógeno. Además, también se consideran dos tipo de

fugas, una de caudal elevado y otro de caudal bajo. En el caso de que el caudal de fuga es elevado,

los sensores detectan rápidamente el hidrógeno y la descontaminación también es rápida, sin

embrago, en el caso de que el caudal de fuga sea pequeño, los sensores tardan mucho tiempo en

detectar el gas y se produce la estratificación del hidrogeno en zonas elevadas del recinto (Ver

Figura 2. 3).

Figura 2. 3. Estratificación del hidrógeno en las zonas elevadas.

En el caso del recinto de dimensiones reducidas se utiliza un extractor de aire funcionando

de manera continua. Al igual que en el caso del recinto de grandes dimensiones, también se

estudia una fuga de caudal elevado y otra de caudal pequeño. En el caso de una fuga con caudal

elevado, al colocar la entrada de aire de ventilación en el lado opuesto de la fuga, se produce un

cortocircuito del aire de ventilación que no consigue descontaminar la parte central del recinto,

sin embargo, cuando el caudal de fuga es pequeño, al funcionar el sistema de extracción de forma

continua hace que la fuga nunca sea detectada alcanzándose un estado estacionario.

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M.Heitsch (2010), realiza un análisis de seguridad en el interior de un laboratorio de

hidrógeno con el software comercial ANSYS-CFX. En dicho trabajo se simula el tamaño de la nube

inflamable de hidrógeno y el tiempo que esta permanece en el interior del laboratorio hasta ser

detectada por los sensores y ser expulsada mediante el sistema de ventilación.

Figura 2. 4. Nube inflammable de hidrógeno en el interior del laboratorio.

Desde el punto de vista de la seguridad, M.Heitsch propone mantener constante la

presión en el depósito durante el vaciado de este, de esta forma, el caudal de contaminante

siempre será superior al real. El sistema de ventilación usado es sencillo y consta de una serie de

extractores situados en la zona superior del laboratorio.

Otro trabajo de interés es llevado a cabo por Shigeki Kikukawa (2008). Aunque trata de un

análisis de seguridad en un hidrogenera (Ver Figura 2. 5), se realiza un estudio sobre el modelado

de la fuga mediante fluidodinámica computacional.

Figura 2. 5. Geometría de la hidrogenera.

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En primer lugar, el autor modela la fuga con un modelo de flujo incompresible y en

segundo lugar con un modelo de flujo compresible. El modelo de fuga que más se ajustara a este

tipo de problemas, en los cuales el hidrogeno suele estar almacenado en un tanque de más 40 bar,

es el de flujo compresible, sin embargo, el modelo de este tipo de flujo es complejo y además

requiere un tiempo computacional elevado. El autor resuelve ambos tipos de fugas obteniéndose

resultados muy similares (Ver Figura 2. 6) en zonas muy próximas a la fuga (del orden de 1 mm) y

resultados exactamente iguales en zonas alejadas de la fuga.

Figura 2. 6. Comparación de resultados obtenidos con flujo incompresible y compresible.

El tiempo de cálculo para la resolución de la fuga con flujo compresible fué

aproximadamente de una hora mientras que el cálculo con flujo compresible duró apenas 10

segundos. Por lo tanto, si lo que se quiere estudiar es la dispersión de hidrógeno dentro de un

recinto, se llega a la conclusión de que no es viable modelar la fuga con flujo compresible ya que

este solo aporta información relevante en zonas muy próximas a la fuga y se necesita de un

tiempo de cálculo excesivamente alto.

Tchouvelev simula mediante fluidodinámica computacional una fuga de hidrógeno en el

interior de un garaje y compara los resultados obtenidos con medidas experimentales. En el

interior del garaje, el autor coloca un total de 9 sensores de hidrógeno tal y como se muestra en la

Figura 2. 7.

Figura 2. 7. Localización de los nueves sensores de hidrógeno en el garaje.

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Debido a que el autor solo pretende comprobar si los resultados mediante fluidodinámica

computacional se asemejan a los datos experimentales, la fuga se realiza de manera controlada y

para dispersarla por la habitación se usa un ventilador de 42 W (Ver Figura 2. 8)

Figura 2. 8. Posición del ventilador en el garaje.

Los resultados que obtenidos mediante fluidodinámica computacional para cada sensor se

asemejan a los resultados experimentales (Ver Figura 2. 9. Comparación de resultados.). Por

último, el autor destaca que en ocasiones, la fluidodinámica computacional puede dar resultados

de mejor calidad que los datos experimentales debido a los errores de medida en los sensores.

Figura 2. 9. Comparación de resultados.

Por último, se va a comentar un trabajo realizado por Willard Schreiber (2008) en el cual

se estudia el efecto de ventilar el interior de un Chrysler antes una fuga de hidrógeno. El autor

realiza un estudio sobre la dispersión del hidrogenó dentro del habitáculo ante una fuga cuya

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abertura es de 2 cm con una velocidad de salida de 10 m/s y una ventilación de aire cuya velocidad

de impulsión es de 2m/s.

Figura 2. 10. Contorno molar de hidrógeno en el interior del Chrysler.

El autor propone realizar un análisis de seguridad con extracción forzada para garantizar la

seguridad en el interior del habitáculo.

Como se ha podido comprobar en esta revisión del estado del arte, existen pocas referencias

sobre temas relacionados con seguridad ante fugas inflamables mediante fluidodinámica

computacional y tan solo se ha encontrado un artículo sobre análisis de seguridad en el interior de

un vehículo, por lo que se puede concluir que dicho tema de estudio se encuentra muy poco

desarrollado y existe muy poco información al respecto.