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Articulo de referencia

Seguridad del hidrógeno

El desastre del Hindenburg es un ejemplo de una gran explosión de hidrógeno. La seguridad del hidrógeno abarca la producción, manipulación y uso seguros del hidrógeno , en parti...

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El desastre del Hindenburg es un ejemplo de una gran explosión de hidrógeno.

La seguridad del hidrógeno abarca la producción, manipulación y uso seguros del hidrógeno , en particular del hidrógeno gaseoso y el hidrógeno líquido . El hidrógeno posee la calificación más alta de la NFPA 704 , de cuatro, en la escala de inflamabilidad , ya que es inflamable incluso cuando se mezcla con aire común en pequeñas cantidades. La ignición puede ocurrir con una proporción volumétrica de hidrógeno a aire tan baja como el 4%, debido al oxígeno presente en el aire y a la simplicidad y propiedades químicas de la reacción. Sin embargo, el hidrógeno no tiene una calificación de riesgo intrínseco por reactividad o toxicidad . El almacenamiento y uso del hidrógeno plantea desafíos únicos debido a su facilidad de fuga como combustible gaseoso , su ignición de baja energía , su amplia gama de mezclas combustibles de combustible y aire, su flotabilidad y su capacidad para fragilizar metales, factores que deben tenerse en cuenta para garantizar una operación segura. [ 1 ]

El hidrógeno líquido plantea desafíos adicionales debido a su mayor densidad y a las temperaturas extremadamente bajas necesarias para mantenerlo en estado líquido. Además, su demanda y uso en la industria —como combustible para cohetes, fuente alternativa de almacenamiento de energía , refrigerante para generadores eléctricos en centrales eléctricas , materia prima en procesos industriales y químicos, incluyendo la producción de amoníaco y metanol , etc.— ha seguido aumentando, lo que ha llevado a una mayor importancia de las consideraciones sobre protocolos de seguridad en la producción, almacenamiento, transferencia y uso del hidrógeno. [ 1 ]

El hidrógeno tiene uno de los rangos de mezcla explosiva/de ignición más amplios con el aire de todos los gases, con pocas excepciones como el acetileno , el silano y el óxido de etileno , y en términos de energía de ignición mínima necesaria y proporciones de mezcla, tiene requisitos extremadamente bajos para que ocurra una explosión. Esto significa que, independientemente de la proporción de mezcla entre aire e hidrógeno, cuando se enciende en un espacio cerrado, una fuga de hidrógeno probablemente provocará una explosión, no una simple llama. [ 2 ]

Existen numerosos códigos y normas sobre la seguridad del hidrógeno en su almacenamiento, transporte y uso. Estos abarcan desde regulaciones federales, [ 3 ] ANSI/AIAA, [ 4 ] NFPA, [ 5 ] y normas ISO [ 6 ] . El Programa Canadiense de Seguridad del Hidrógeno concluyó que el suministro de hidrógeno es tan seguro como, o más seguro que, el suministro de gas natural comprimido (GNC), [ 7 ].

Prevención

Hay varios aspectos a considerar para ayudar a diseñar sistemas y procedimientos que eviten accidentes al manipular hidrógeno, ya que uno de los principales peligros del hidrógeno es que es extremadamente inflamable . [ 10 ]

Inertización y purga

Las cámaras de inertización y las líneas de gas de purga son procedimientos de seguridad estándar importantes que deben tomarse al transferir hidrógeno. Para inertizar o purgar correctamente, deben tenerse en cuenta los límites de inflamabilidad , y los del hidrógeno son muy diferentes a los de otros tipos de gases. A presión atmosférica normal es del 4% al 75%, basado en el porcentaje en volumen de hidrógeno en oxígeno es del 4% al 94%, mientras que los límites del potencial de detonación del hidrógeno en el aire son del 18,3% al 59% en volumen. [ 1 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] De hecho, estos límites de inflamabilidad a menudo pueden ser más estrictos que esto, ya que la turbulencia durante un incendio puede causar una deflagración que puede crear una detonación . A modo de comparación, el límite de deflagración de la gasolina en el aire es del 1,4-7,6%, y el del acetileno en el aire, [ 15 ] del 2,5-82%.

Por lo tanto, cuando el equipo está expuesto al aire antes o después de una transferencia de hidrógeno, existen condiciones únicas que deben tenerse en cuenta y que podrían haber sido seguras con otros tipos de gases. Se han producido incidentes debido a que la inertización o purga no fue suficiente, o porque se subestimó la entrada de aire en el equipo (por ejemplo, al añadir polvos), lo que provocó una explosión. [ 16 ] Por esta razón, los procedimientos y equipos de inertización o purga suelen ser específicos para el hidrógeno, y a menudo las conexiones o el marcado en una línea de hidrógeno deben ser completamente diferentes para garantizar que este y otros procesos se sigan correctamente, ya que muchas explosiones han ocurrido simplemente porque una línea de hidrógeno se conectó accidentalmente a una línea principal o porque la línea de hidrógeno se confundió con otra. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]

Gestión de la fuente de ignición

La energía mínima de ignición del hidrógeno en el aire es una de las más bajas entre las sustancias conocidas, con 0,02 mJ, y las mezclas de hidrógeno y aire pueden encenderse con 1/10 del esfuerzo necesario para encender mezclas de gasolina y aire. [ 1 ] [ 11 ] Debido a esto, cualquier posible fuente de ignición debe ser examinada minuciosamente. Cualquier dispositivo eléctrico, conexión a tierra o puesta a tierra debe cumplir con los requisitos de clasificación de áreas peligrosas aplicables . [ 20 ] [ 21 ] Cualquier fuente potencial (como algunos diseños de sistemas de ventilación [ 22 ] ) de acumulación de electricidad estática también debe minimizarse, por ejemplo, mediante dispositivos antiestáticos . [ 23 ]

Los procedimientos de trabajo en caliente deben ser robustos, completos y bien aplicados; además, deben purgar y ventilar las áreas altas y muestrear la atmósfera antes de comenzar el trabajo. Los equipos montados en el techo también deben cumplir con los requisitos de áreas peligrosas (NFPA 497). [ 16 ] Finalmente, no se deben usar discos de ruptura, ya que han sido una fuente común de ignición para múltiples explosiones e incendios. En su lugar, se deben usar otros sistemas de alivio de presión, como una válvula de alivio . [ 24 ] [ 25 ]

Integridad mecánica y química reactiva

Existen cuatro propiedades químicas principales que deben tenerse en cuenta al tratar con hidrógeno, que puede entrar en contacto con otros materiales incluso a presiones y temperaturas atmosféricas normales:

  • La química del hidrógeno es muy diferente de la de los productos químicos tradicionales. Por ejemplo, con la oxidación en ambientes ambientales. Y descuidar esta química única ha causado problemas en algunas plantas químicas. [ 26 ] Otro aspecto a considerar también es el hecho de que el hidrógeno puede generarse como subproducto de una reacción diferente que puede haber sido pasada por alto, por ejemplo, circonio y vapor creando una fuente de hidrógeno . [ 27 ] [ 28 ] [ 14 ] Este peligro puede ser evitado en cierta medida mediante el uso de recombinadores autocatalíticos pasivos .
  • Otro aspecto importante a considerar es la compatibilidad química del hidrógeno con otros materiales de construcción comunes como el acero . [ 29 ] [ 30 ] Debido a la fragilización por hidrógeno, se considera especialmente la compatibilidad de los materiales con el hidrógeno. [ 14 ]
  • Estas consideraciones pueden cambiar aún más debido a reacciones especiales a altas temperaturas . [ 14 ]
  • La difusividad del hidrógeno es muy diferente a la de los gases comunes, por lo que los materiales de las juntas deben elegirse cuidadosamente. [ 31 ] [ 32 ]
  • Las fuerzas de flotación y las tensiones en los cuerpos mecánicos involucrados suelen ser opuestas a las de los gases estándar. Por ejemplo, debido a la flotabilidad, las tensiones suelen ser pronunciadas cerca de la parte superior de un gran tanque de almacenamiento. [ 33 ] [ 14 ]

Estos cuatro factores se consideran durante el diseño inicial de un sistema que utiliza hidrógeno, y generalmente se logra limitando el contacto entre metales susceptibles y el hidrógeno, ya sea mediante el espaciado, el recubrimiento electrolítico, la limpieza de superficies, la selección de materiales y el control de calidad durante la fabricación, la soldadura y la instalación. De lo contrario, el daño causado por el hidrógeno puede controlarse y detectarse mediante equipos de monitoreo especializados. [ 34 ] [ 16 ]

Sistemas de detección de fugas y llamas

La ubicación de las fuentes de hidrógeno y las tuberías debe elegirse cuidadosamente. Dado que el hidrógeno es un gas más ligero que el aire, se acumula bajo techos y voladizos (generalmente denominados puntos de acumulación ), donde representa un riesgo de explosión. [ 14 ] Muchas personas están familiarizadas con la protección de las plantas contra vapores más pesados ​​que el aire, pero desconocen la importancia de "mirar hacia arriba", por lo que este aspecto es particularmente relevante. [ 33 ] También puede entrar en las tuberías y seguirlas hasta su destino. Por ello, las tuberías de hidrógeno deben estar bien etiquetadas y ubicadas por encima de otras tuberías para evitar este problema. [ 10 ] [ 16 ]

Incluso con un diseño adecuado, las fugas de hidrógeno pueden mantener la combustión a caudales muy bajos, tan bajos como 4 microgramos/s. [ 1 ] [ 35 ] [ 12 ] Por ello, la detección es importante. Los sensores de hidrógeno o un catarómetro permiten la detección rápida de fugas de hidrógeno para asegurar que el hidrógeno pueda ser ventilado y la fuente de la fuga localizada. Alrededor de ciertas tuberías o ubicaciones se pueden agregar cintas especiales para la detección de hidrógeno. Un método tradicional es agregar un odorizante de hidrógeno al gas, como es común con el gas natural. En aplicaciones de pilas de combustible, estos odorizantes pueden contaminar las pilas de combustible, pero los investigadores están investigando otros métodos que podrían usarse para la detección de hidrógeno: trazadores, nueva tecnología de odorizantes, sensores avanzados y otros. [ 1 ]

Aunque las llamas de hidrógeno pueden ser difíciles de ver a simple vista (pueden tener la llamada "llama invisible"), se detectan fácilmente con detectores de llama UV/IR . Más recientemente, se han desarrollado detectores Multi IR, que permiten una detección aún más rápida de las llamas de hidrógeno. [ 36 ] [ 37 ] Esto es muy importante para combatir incendios de hidrógeno, ya que el método preferido para combatir un incendio es detener la fuente de la fuga, pues en ciertos casos (en concreto, con hidrógeno criogénico) rociar la fuente directamente con agua puede provocar la formación de hielo, lo que a su vez puede causar una ruptura secundaria. [ 38 ] [ 33 ]

Ventilación y quema de antorchas

Además de los problemas de inflamabilidad, en espacios cerrados, el hidrógeno también puede actuar como gas asfixiante . [ 1 ] Por lo tanto, se debe asegurar una ventilación adecuada para abordar ambos problemas en caso de que surjan, ya que generalmente es seguro simplemente ventilar el hidrógeno a la atmósfera. Sin embargo, al ubicar y diseñar dichos sistemas de ventilación, se debe tener en cuenta que el hidrógeno tenderá a acumularse hacia los techos y las cumbreras de las estructuras, en lugar de hacia el suelo. Muchos peligros pueden mitigarse por el hecho de que el hidrógeno asciende rápidamente y a menudo se dispersa antes de la ignición. [ 39 ] [ 16 ]

En ciertas situaciones de emergencia o mantenimiento, el hidrógeno también puede ser quemado . [ 40 ] [ 14 ] Por ejemplo, una característica de seguridad en algunos vehículos propulsados ​​por hidrógeno es que pueden quemar el combustible si el tanque se incendia, consumiéndolo por completo con poco daño al vehículo, a diferencia del resultado esperado en un vehículo de gasolina. [ 41 ]

Gestión de inventario y distribución del espacio en las instalaciones

Idealmente, no debería producirse ningún incendio ni explosión, pero la instalación debe diseñarse de manera que, en caso de ignición accidental, se minimicen los daños adicionales. Deben considerarse las distancias mínimas de separación entre las unidades de almacenamiento de hidrógeno, junto con la presión de dichas unidades (véase NFPA 2 y 55). La ventilación de explosión debe estar dispuesta de forma que otras partes de la instalación no resulten dañadas. En ciertas situaciones, esto implica un techo que pueda desprenderse de forma segura del resto de la estructura en caso de explosión. [ 16 ]

Criogenia

El hidrógeno líquido tiene una química ligeramente diferente a la de otros productos químicos criogénicos , ya que la acumulación de trazas de aire puede contaminarlo fácilmente y formar una mezcla inestable con capacidad detonante similar a la del TNT y otros materiales altamente explosivos. Por ello, el hidrógeno líquido requiere una tecnología de almacenamiento compleja, como contenedores especiales con aislamiento térmico, y un manejo especial, común a todas las sustancias criogénicas . Esto es similar, pero más severo, al oxígeno líquido . Incluso con contenedores con aislamiento térmico, es difícil mantener una temperatura tan baja, y el hidrógeno se evaporará gradualmente. Normalmente, se evapora a una tasa del 1 % por día. [ 1 ] [ 42 ]

El principal peligro del hidrógeno criogénico es lo que se conoce como BLEVE (explosión de vapor expandido de líquido en ebullición). Debido a que el hidrógeno es gaseoso en condiciones atmosféricas, el rápido cambio de fase junto con la energía de la detonación se combinan para crear una situación más peligrosa. [ 43 ] Un peligro secundario es el hecho de que muchos materiales cambian de dúctiles a frágiles a temperaturas extremadamente bajas, lo que permite que se formen nuevos puntos de fuga. [ 14 ]

Factores humanos

Además de la capacitación tradicional en seguridad laboral, a menudo se implementan listas de verificación para ayudar a prevenir pasos que se suelen omitir (por ejemplo, probar los puntos altos en el área de trabajo), junto con instrucciones sobre los peligros situacionales inherentes al trabajo con hidrógeno. [ 16 ] [ 44 ]

Incidentes

Códigos y normas sobre hidrógeno

Existen numerosos códigos y estándares para vehículos con pila de combustible de hidrógeno , aplicaciones estacionarias y portátiles . Además de los códigos y estándares para productos de tecnología de hidrógeno , existen códigos y estándares para la seguridad del hidrógeno, su manipulación segura [ 105 ] y su almacenamiento . A continuación, se presenta una lista de algunos de los principales códigos y estándares que regulan el hidrógeno:

Pautas

La norma actual ANSI / AIAA para directrices de seguridad del hidrógeno es AIAA G-095-2004, Guía para la seguridad del hidrógeno y los sistemas de hidrógeno. [ 107 ] Dado que la NASA ha sido uno de los mayores usuarios de hidrógeno del mundo, esta norma evolucionó a partir de las directrices anteriores de la NASA, NSS 1740.16 (8719.16). [ 14 ] Estos documentos cubren tanto los riesgos que plantea el hidrógeno en sus diferentes formas como la forma de mitigarlos. La NASA también hace referencia a la Norma de seguridad para el hidrógeno y los sistemas de hidrógeno [ 108 ] y al Manual de aplicaciones del hidrógeno. [ 109 ] [ 3 ]

Otra organización responsable de las directrices de seguridad del hidrógeno es la Compressed Gas Association (CGA) , que tiene varias referencias propias que cubren el almacenamiento general de hidrógeno, [ 110 ] tuberías, [ 111 ] y ventilación. [ 112 ] [ 3 ]

En 2023, CGA lanzó el Proyecto Hidrógeno Seguro , un esfuerzo global de colaboración para desarrollar y distribuir información de seguridad sobre la producción, el almacenamiento, el transporte y el uso del hidrógeno.

Véase también

Referencias

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  • Informe sobre la seguridad del hidrógeno y las pilas de combustible
  • La Asociación Internacional para la Seguridad del Hidrógeno
  • Programa de Educación Superior en Ingeniería de Seguridad del Hidrógeno
  • Centro de Conocimiento para la Seguridad contra Explosiones y el Hidrógeno