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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.