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Seguridad del hidrógeno

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

La seguridad del hidrógeno abarca la producción, el manejo y el uso seguros del hidrógeno , en particular del combustible gaseoso de hidrógeno y del hidrógeno líquido . El hidrógeno posee la clasificación más alta de NFPA 704 de cuatro en la escala de inflamabilidad porque es inflamable cuando se mezcla incluso en pequeñas cantidades con aire ordinario. La ignición puede ocurrir en una relación volumétrica de hidrógeno a aire tan baja como 4% debido al oxígeno en el aire y la simplicidad y las propiedades químicas de la reacción. Sin embargo, el hidrógeno no tiene clasificación de peligro innato por reactividad o toxicidad . El almacenamiento y uso de hidrógeno plantea desafíos únicos debido a su facilidad de fuga como combustible gaseoso , ignición de baja energía , amplia gama de mezclas combustibles de aire y combustible, flotabilidad y su capacidad para quebrar metales que deben tenerse en cuenta para garantizar un funcionamiento seguro. [1]

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

El hidrógeno tiene una de las gamas más amplias de mezclas explosivas/de ignición 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, sea cual sea la proporción de mezcla entre el aire y el 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 el almacenamiento, el transporte y el uso. Estos abarcan desde las regulaciones federales, [3] ANSI/AIAA, [4] NFPA, [5] y las normas ISO [6] . El Programa Canadiense de Seguridad del Hidrógeno concluyó que el abastecimiento de hidrógeno es tan seguro como el abastecimiento de gas natural comprimido (GNC), o incluso más seguro, [7].

Prevención

Hay una serie de elementos a tener en cuenta para ayudar a diseñar sistemas y procedimientos para evitar 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 se deben seguir al transferir hidrógeno. Para inertizar o purgar correctamente, se deben tener en cuenta los límites de inflamabilidad , y los del hidrógeno son muy diferentes de otros tipos de gases. A presión atmosférica normal, es del 4% al 75%, basado en el porcentaje de 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 detonación . A modo de comparación, el límite de deflagración de la gasolina en el aire es del 1,4 al 7,6%, y del acetileno en el aire, [15] del 2,5 al 82%.

Por lo tanto, cuando el equipo está abierto al aire antes o después de una transferencia de hidrógeno, hay condiciones únicas que tener en cuenta que podrían haber sido seguras de otra manera con la transferencia de otros tipos de gases. Se han producido incidentes porque la inertización o la purga no fueron suficientes, o porque se subestimó la introducción de aire en el equipo (por ejemplo, al agregar polvos), lo que resultó en una explosión. [16] Por esta razón, los procedimientos y equipos de inertización o purga son a menudo exclusivos del hidrógeno, y a menudo los accesorios 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 sucedido 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, 0,02 mJ, y las mezclas de hidrógeno y aire pueden encenderse con 1/10 del esfuerzo de ignición de las mezclas de gasolina y aire. [1] [11] Debido a esto, cualquier posible fuente de ignición debe ser examinada. Cualquier dispositivo eléctrico, conexión o tierra debe cumplir con el requisito de clasificación de área peligrosa aplicable . [20] [21] Cualquier fuente potencial (como algunos diseños de sistemas de ventilación [22] ) para la acumulación de electricidad estática también debe minimizarse, por ejemplo, mediante dispositivos antiestáticos . [23]

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

Integridad mecánica y química reactiva

Hay cuatro propiedades químicas principales que se deben tener en cuenta cuando se trabaja con hidrógeno que puede entrar en contacto con otros materiales incluso en presiones y temperaturas atmosféricas normales:

Estos cuatro factores se tienen en cuenta durante el diseño inicial de un sistema que utiliza hidrógeno y, por lo general, se logra limitando el contacto entre los metales susceptibles y el hidrógeno, ya sea mediante el espaciado, la galvanoplastia, la limpieza de la superficie, la elección del material y el control de calidad durante la fabricación, la soldadura y la instalación. De lo contrario, el daño causado por el hidrógeno se puede controlar y detectar mediante equipos de monitoreo especializados. [34] [16]

Sistemas de detección de fugas y llamas

La ubicación de las fuentes y tuberías de hidrógeno debe elegirse con cuidado. Dado que el hidrógeno es un gas más ligero que el aire, se acumula bajo los techos y aleros (normalmente denominados lugares de captura ), donde constituye un peligro de explosión. [14] Muchas personas están familiarizadas con la protección de las plantas contra vapores más pesados ​​que el aire, pero no están familiarizadas con el "mirar hacia arriba", por lo que es de especial importancia. [33] También puede entrar en las tuberías y seguirlas hasta sus destinos. Por ello, las tuberías de hidrógeno deben estar bien etiquetadas y situadas por encima de otras tuberías para evitar que esto ocurra. [10] [16]

Incluso con un diseño adecuado, las fugas de hidrógeno pueden favorecer la combustión a caudales muy bajos, de hasta 4 microgramos/s. [1] [35] [12] Para ello, la detección es importante. Los sensores de hidrógeno o un catarómetro permiten detectar rápidamente las fugas de hidrógeno para garantizar que se pueda ventilar el hidrógeno y localizar la fuente de la fuga. Se pueden añadir cintas especiales alrededor de determinadas tuberías o lugares para detectar el hidrógeno. Un método tradicional consiste en añadir un odorizante de hidrógeno junto con el gas, como es habitual con el gas natural. En las aplicaciones de pilas de combustible, estos odorizantes pueden contaminarlas, pero los investigadores están investigando otros métodos que podrían utilizarse para la detección del 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 una denominada "llama invisible"), se detectan fácilmente en los detectores de llama UV/IR . Más recientemente, se han desarrollado detectores Multi IR, que detectan incluso más rápido 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, ya que en ciertos casos (a saber, el 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

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

En ciertas situaciones de emergencia o mantenimiento, el hidrógeno también se puede quemar . [40] [14] Por ejemplo, una característica de seguridad en algunos vehículos propulsados ​​por hidrógeno es que pueden quemar el combustible si el tanque está en llamas, quemándolo completamente con poco daño al vehículo, en contraste con el resultado esperado en un vehículo alimentado con gasolina. [41]

Gestión de inventario y espaciamiento de instalaciones

Lo ideal es que no se produzca ningún incendio ni explosión, pero la instalación debe diseñarse de forma que, en caso de ignición accidental, se minimicen los daños adicionales. Se deben tener en cuenta las distancias mínimas de separación entre las unidades de almacenamiento de hidrógeno, junto con la presión de dichas unidades de almacenamiento (cf, NFPA 2 y 55). Los conductos de ventilación en caso de explosión deben disponerse de forma que no se dañen otras partes de la instalación. En determinadas situaciones, esto se traduce en un techo que puede volarse sin peligro y separarse del resto de la estructura en caso de explosión. [16]

Criogénesis

El hidrógeno líquido tiene una composición química ligeramente diferente a la de otros productos químicos criogénicos , ya que el aire acumulado en trazas puede contaminarlo fácilmente y formar una mezcla inestable con capacidades detonantes similares al TNT y otros materiales altamente explosivos. Debido a esto, el hidrógeno líquido requiere una tecnología de almacenamiento compleja, como los contenedores especiales con aislamiento térmico, y requiere 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 irá filtrando gradualmente. Normalmente se evaporará 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 en expansión de líquido en ebullición). Debido a que el hidrógeno es gaseoso en condiciones atmosféricas, el cambio rápido de fase junto con la energía de detonación se combinan para crear una situación más peligrosa. [43] Un peligro secundario es el hecho de que muchos materiales pasan de ser dúctiles a frágiles a temperaturas extremadamente frías, lo que permite que se formen nuevos lugares para fugas. [14]

Factores humanos

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

Incidentes

Códigos y normas sobre hidrógeno

Existen numerosos códigos y normas sobre hidrógeno para vehículos con pilas de combustible de hidrógeno , aplicaciones de pilas de combustible estacionarias y aplicaciones de pilas de combustible portátiles . Además de los códigos y normas para productos de tecnología de hidrógeno , existen códigos y normas para la seguridad del hidrógeno, para la manipulación segura del hidrógeno [104] y el almacenamiento del hidrógeno . A continuación se incluye una lista de algunos de los principales códigos y normas que regulan el hidrógeno:

Pautas

La norma ANSI / AIAA actual para las directrices de seguridad del hidrógeno es AIAA G-095-2004, Guía para la seguridad del hidrógeno y los sistemas de hidrógeno. [108] Como la NASA ha sido uno de los mayores usuarios de hidrógeno del mundo, esta 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 mejorarlos. La NASA también hace referencia a la Norma de seguridad para el hidrógeno y los sistemas de hidrógeno [109] y al Libro de consulta para aplicaciones del hidrógeno. [110] [105]

Otra organización responsable de las pautas de seguridad del hidrógeno es la Asociación de Gas Comprimido (CGA), que tiene varias referencias propias que cubren el almacenamiento general del hidrógeno, [111] las tuberías, [112] y la ventilación. [113] [105]

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

Véase también

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