¿Se puede producir hidrógeno, transportarlo y usarlo de manera segura?

Vicente Cortés, Presidente de Inerco y Catedrático de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad de Sevilla

Paloma Cortés, Head of Strategic Projects, Corporate Development and Strategic Coordination, Inerco

¿Cuáles son las propiedades más relevantes del hidrógeno en relación con su transporte? 

El hidrógeno es el gas más ligero que existe, con una densidad (masa por unidad de volumen) en estado gaseoso que es la décima parte de la del gas natural. En estado líquido (a -253ºC) su densidad es seis veces menor que la del gas natural licuado (GNL, a -160ºC) y 10 veces menor que la de la gasolina. Ello quiere decir que, la masa de hidrógeno licuado que se puede almacenar en un determinado recipiente (cisterna, por ejemplo) es apreciablemente menor que la que ese mismo recipiente podría contener de ambos combustibles. 

Como consecuencia de su baja densidad, la cantidad de energía que es posible obtener de un volumen de hidrógeno licuado (densidad energética volumétrica) es aproximadamente la cuarta parte de la obtenida a partir del mismo volumen de gasolina. Cabe la posibilidad de comprimir el hidrógeno a altas presiones (350 y 700 bar), pero la densidad energética volumétrica obtenida así, es aún menor que la del hidrógeno líquido (Figura 1).  La consecuencia de ello es que es preciso transportar mayores volúmenes de hidrógeno que de otros combustibles para disponer de la misma cantidad de energía, utilizando para ello recipientes criogénicos o capaces de soportar las elevadas presiones requeridas.   

La densidad energética por unidad de peso (120 MJ/kg equivalentes a 33,3 kWh/kg[mfn]1[/mfn]) es casi tres veces mayor que la de la gasolina, pero desde un punto de vista práctico ello no tiene gran significación desde el punto de vista de los sistemas de almacenamiento y transporte (cisternas, tanques), que tienen como condicionante fundamental para su diseño y costes el volumen del que es posible dotarlos y la sección y la velocidad del flujo admisible en el caso de tuberías [mfn][2].[/mfn] 

¿Se puede transportar el hidrógeno de forma distinta? 

Hay dos alternativas principales para transportar hidrógeno formando parte de otras sustancias fabricadas a partir de él: amoníaco y portadores de hidrógeno líquidos orgánicos (LOHCs en sus siglas en inglés)[mfn][3,4][/mfn]. 

El amoníaco (NH3) se fabrica mediante un proceso ampliamente utilizado en la industria, especialmente de fertilizantes. Requiere nitrógeno, obtenido por licuefacción de aire, proceso muy intensivo en electricidad. Si ésta es renovable, el amoníaco obtenido será “verde”. La obtención de amoníaco requiere entre el 7 y el 18% de la energía equivalente contenida en el hidrógeno y un porcentaje similar adicional si el amoníaco es transformado en hidrógeno en destino. No obstante, la tecnología para ello no está disponible a gran escala y es intensiva en electricidad renovable.

Su densidad energética en volumen es 1/3 de la de los hidrocarburos líquidos usados en transporte, aunque aproximadamente el doble que la del hidrógeno a presión (Figura 1). Contiene 1,7 veces más hidrógeno por m3 que el hidrógeno puro, por consiguiente más barato de transportar- especialmente teniendo en cuenta que su temperatura de licuefacción (-33ºC a presión atmosférica, similar a la del propano) es fácilmente alcanzable.

El almacenamiento y transporte de amoníaco utiliza tecnología y medios existentes, pero su manipulación requiere especiales precauciones por su toxicidad-aunque su olor punzante permite la detección de fugas- su inflamabilidad y corrosividad. Adicionalmente, puede usarse directamente para transporte marítimo o producción de electricidad, pero en su combustión se generan NOx que pueden necesitar unidades de depuración. 

Por otro lado, el empleo de LOHCs implica “cargar” con hidrógeno las moléculas de un portador, transportarlo y extraer el hidrógeno en destino. Las opciones consideradas recurren a productos líquidos fáciles de transportar. La carga del portador con hidrógeno y la descarga posterior requieren entre el 35 y el 40% de la energía contenida en el hidrógeno transportado. La opción de menor coste de entre las barajadas es la del tolueno transformado en metilciclohexano en el proceso de carga. Tras la descarga el portador ha de ser transportado de nuevo al origen para repetir el proceso. La disponibilidad de esta opción requiere aún considerables esfuerzos hasta alcanzar la disponibilidad comercial de la tecnología.

¿Qué es preciso tener en cuenta sobre la seguridad del hidrógeno? [mfn]*[/mfn]

Como los otros vectores energéticos, el hidrógeno presenta ciertos riesgos sobre la seguridad especialmente de cara a su empleo a gran escala, que pueden afectar a su despliegue si no se gestionan convenientemente [mfn][5][/mfn].

Dado que está constituido por moléculas de tamaño muy pequeño, se requieren equipos y procedimientos especiales para su manipulación. No es corrosivo, pero puede fragilizar algunos metales- aceros, aluminio, níquel y sus aleaciones- y difundirse a través de determinados materiales. Fuga con mayor facilidad que el gas natural a través de sellos y empaquetaduras. 

El hidrógeno es incoloro, no es tóxico y es inodoro como el gas natural y el propano. A éstos se les añaden sustancias odoríferas para facilitar la detección de fugas, pero para el hidrógeno no se han identificado compuestos que se puedan usar con esta finalidad dada su elevada velocidad de difusión.

Adicionalmente, y como se ha indicado anteriormente, tiene una densidad muy baja. Es 14 veces más ligero que el aire y 22 veces más ligero que el propano (Figura 2) y se difunde muy rápidamente. En caso de fuga se elevará y dispersará rápidamente (a más de 20m/s), a diferencia de lo que ocurre, por ejemplo, con las fugas de propano, que tienden a acumularse cerca del suelo al ser más denso que el aire. En cualquier caso, es imprescindible abordar una evaluación de riesgos de explosión (normativa ATEX), incorporando las medidas adecuadas (equipos aptos para uso en atmósferas clasificadas, ventilación, etc.) para garantizar una adecuada prevención frente a los riesgos de explosión.

La combustión de hidrógeno tiene algunas particularidades relevantes. 

• La temperatura de autoignición, temperatura más baja a la que una sustancia entra en ignición espontáneamente sin necesidad de chispa o llama, es muy parecida a la del gas natural y mucho más alta que la del vapor de gasolina (Figura 3), lo cual supone una ventaja desde el punto de vista de la seguridad.

• Por otro lado, el hidrógeno presenta un amplio rango de concentraciones en aire en el que puede producirse la ignición (rango de inflamabilidad, entre el 4 y el 75% en volumen), mucho mayor que el de otros combustibles gaseosos (Figura 4).  Sin embargo, la concentración de hidrógeno a partir de la cual la mezcla es inflamable (el límite inferior de inflamabilidad) es mayor que la del propano y la de vapores de gasolina, lo que también supone un punto a favor desde el punto de vista de la seguridad. 

• La energía requerida, en las condiciones de combustión óptimas, para iniciar la combustión es mucho más baja que para otros combustibles, por lo que una pequeña chispa puede iniciar la combustión (Figura 5), lo que debe ser tenido en cuenta al dotarse de equipos de trabajo que puedan actuar como potenciales fuentes de ignición, a pesar de que la elevada velocidad de difusión pueda jugar a nuestro favor, en su caso.

• Por último, la combustión de hidrógeno da origen a una llama invisible para el ojo humano, por lo que se usan detectores de gas y de llama y cámaras de visión térmica para poder identificarla. La necesidad de estos equipos es relevante pues la radiación térmica originada no produce sensación de calor, por estar mayoritariamente en el rango UV. 

¿Existe experiencia industrial sobre la producción y empleo de hidrógeno? 

Las industrias del refino, petroquímica y química, entre otras, tienen muchas décadas de experiencia en la producción a gran escala de hidrógeno, en el transporte por tubería y en el empleo de la sustancia como materia prima de sus procesos, muchos de ellos a alta o muy alta presión. 

Esos procesos van destinados en refinería a mejorar las propiedades de los combustibles, a eliminar impurezas y a transformar productos excedentarios en otros de mayor demanda.  Y en la industria química a la fabricación de fertilizantes y otros productos como el metanol, base para innumerables transformaciones. Adicionalmente, las refinerías cuentan con redes de hidrógeno para mejorar la utilización de este recurso esencial, redes que en ocasiones se integran con las de plantas químicas adyacentes [mfn][6][/mfn]. 

Los operadores de estas instalaciones aplican conceptos de seguridad que van más allá del mero cumplimiento de obligaciones legales, reglamentos, normativas y estándares de diseño. Se emplean herramientas avanzadas de análisis y gestión de riesgos que permiten que las plantas sean intrínsecamente seguras, incorporando detectores de fuego e hidrógeno de última tecnología y estrategias optimizadas de mantenimiento, fiabilidad y respuesta ante incidentes [mfn][7][/mfn] complementadas en los últimos tiempos con metodologías específicas para minimizar el impacto del factor humano sobre la seguridad.

Para los nuevos proyectos de hidrógeno verde se cuenta ya con un terreno abonado para dotar a las instalaciones de estándares de seguridad como lo descritos que, no obstante, han de seguir mejorando y armonizándose continuamente, como recoge la estrategia del hidrógeno de la UE[mfn][8][/mfn].                                 

Conclusiones

El hidrógeno es el gas más ligero que existe, con densidades extraordinariamente bajas. Como consecuencia, la cantidad de energía que es posible obtener de un determinado volumen de hidrógeno, aún licuado a muy baja temperatura es muy reducida. Por tanto, es preciso transportar mayores volúmenes de hidrógeno (licuado o a presión) que de otros combustibles para obtener la misma cantidad de energía o realizar la producción de hidrógeno descentralizada cerca de los puntos de consumo.

Por otro lado, existe la posibilidad de transportar el hidrógeno incorporado a sustancias fabricadas a partir de él. Como ejemplo, tenemos el amoníaco que puede obtenerse y transportarse recurriendo a tecnologías maduras. Los procesos de fabricación en origen (y eventual descomposición en destino) consumen una fracción significativa de la energía contenida en el hidrógeno y la manipulación debe hacerse por personal y medios especializados dada su toxicidad e inflamabilidad.

Desde el punto de vista de la seguridad, el hidrógeno presenta un conjunto de propiedades diferenciales con respecto a otros combustibles. Es incoloro, inodoro, no es tóxico, se dispersa muy rápidamente y tiene una temperatura de autoignición muy elevada, lo que son características favorables. No obstante, tiene un rango de inflamabilidad muy amplio y la energía de ignición en condiciones óptimas es muy reducida. 

La industria del refino, entre otras, acredita décadas de experiencia en la producción, transporte y utilización de hidrógeno. Los conceptos de seguridad y las herramientas de análisis y gestión de riesgos que se emplean son muy avanzados y la gestión de las plantas utiliza estrategias optimizadas de mantenimiento, fiabilidad y respuesta ante incidentes. Es evidente que estos estándares de seguridad son perfectamente aplicables a las nuevas plantas de hidrógeno verde venideras, que tienen así una fuente de experiencia en la que basar sus buenas prácticas.  

* Para una información más detallada puede consultarse la web del Center for Hydrogen Safety, organización sin ánimo de lucro dedicado a la promoción de la seguridad del empleo de hidrógeno.   https://www.aiche.org/chs

Referencias

1. https://www.engineeringtoolbox.com/fuels-higher-calorific-values-d_169.html
2. Energy and the Hydrogen Economy. Bossel,U., Eliasson, B.                                                           afdc.energy.gov/files/pdfs/hyd_economy_bossel_eliasson.pdf
3. Path to hydrogen competitiveness. The Hydrogen Council, 2020
4. Raksha, T. et al.: International Hydrogen Strategies. A study commissioned by and in cooperation with the World Energy Council Germany (2020).
5. The Future of Hydrogen. IEA, 2019
6. Zhang, Q. et al.: The integration of hybrid hydrogen networks for refinery and synthetic plant of chemicals. . Int J.of Hydrogen Energy..46(2), 1473-1487, 2021. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.10.063
7. https://revistas.eleconomista.es/energia/2020/septiembre/la-seguridad-en-la-industria-del-hidrogeno-verde-LD4713296
8. A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe. European Commission. COM (2020) 301 Final