Detección del H2 para minorar la DANA

Precisamos incrementar la producción de hidrógeno como fuente de energías limpias, con las renovables eólica, hidráulica y solar, para sustituir a los combustibles fósiles y avanzar en el cumplimiento del compromiso mundial sobre el clima, que se asumió en el COP21 de París. Es decir, reducir las emisiones de CO₂ al 40% en 2030, al objeto de limitar el calentamiento mundial debajo de 1,5 °C en 2050, comparado con los actuales niveles industriales. Al propio tiempo, utilizar las políticas de investigación, desarrollo e innovación a fin de convertir esta transición en una oportunidad industrial concreta para la creación de un millón en nuevos puestos de trabajo.

En el año pasado, el planeta sufrió un empeoramiento por los efectos del cambio climático, desde huracanes hasta olas de calor, sequías, incendios e inundaciones, fenómenos meteorológicos extremos que están devastando comunidades, hogares y costando vidas; la acción mundial nunca ha sido más necesaria. Por nuestra parte, todavía estamos conmocionados tras el paso de la devastadora DANA (figura 1) que ha causado centenares de fallecimientos y terribles daños materiales. El mundo continúa sufriendo los peores efectos del cambio climático, acercándonos cada vez más al límite de los parámetros establecidos en el Acuerdo de París de limitar el calentamiento global a 1,5 °C.

En noviembre del pasado año tuvo lugar en Bakú, capital de Azerbaiyán, la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático de 2024 (COP29) y las decisiones que se tomen allí nos afectarán a todos. Hasta la fecha, la comunidad internacional no ha puesto freno a las letales actividades del sector de los combustibles fósiles, que siguen contaminando, quemando y arrasando el planeta a pesar del creciente sufrimiento humano.

El secretario general de la ONU, Antonio Guterres, alertó a los negociadores de la COP29 del riesgo de un fracaso y exigió un “impulso importante“para sellar un acuerdo en Bakú.”Seamos francos: todavía quedan muchas diferencias sustanciales”, dijo Guterres a la prensa. “Necesitamos un impulso importante para llevar los debates a la línea de meta”, señaló, advirtiendo que “el fracaso no es una opción”.

De madrugada, tras más de dos semanas de negociaciones y al borde del colapso, los participantes de la COP29 en Bakú (Azerbaiyán) alcanzaban un acuerdo para fijar la nueva meta de financiación climática. Finalmente serán, al menos, 300.000 millones de dólares anuales lo que aportarán los países ricos a los de menos recursos hasta 2035, dentro de un compromiso global más amplio de hasta 1,3 billones de dólares dirigidos a estos mismos países. La renovación de este objetivo aparecía contemplada en el Acuerdo de París y servirá para que los gobiernos apoyen a los países en desarrollo en sus acciones climáticas de adaptación, mitigación y daños por la crisis climática. El objetivo anterior —fijado en la Cumbre de Copenhague de 2009— era de 100.000 millones de dólares anuales.

Después de este preámbulo, necesario para comprender el título de este artículo, como continuación del publicado en el número 126 de esta misma revista, paso a indicar el orden en que se describen los detectores de gas hidrógeno, con mayor detalle que en el artículo anteriormente mencionado.

En primer lugar, expongo las especiales características del gas hidrógeno y a continuación cada uno de los actuales medios para la detección de fugas, que es preceptivo implementar para una debida seguridad en las instalaciones de producción, almacenamiento, transporte y distribución para usos diversos, como fuente de energía limpia en lugar de los combustibles fósiles. Finalizo con dos ejemplos en que se indica el área adecuada de ubicación más eficaz para cada tipo de detector, conforme a las posibles características y peligros que pueden presentar las posibles fugas.

El hidrógeno es un gas elemental inflamable con un amplio rango de inflamabilidad. Como la energía mínima de ignición del hidrógeno en el aire a presión atmosférica es de aproximadamente 0,02 mJ, prende fácilmente. Por ponerlo en contexto, esto es aproximadamente diez veces menos que en el caso de otros gases o combustibles típicos, como el metano, el propano o la gasolina (figura 2). Si bien el hidrógeno es una fuente de combustible segura y eficaz, requiere un cambio en el pensamiento, los procesos y los procedimientos; también debemos tener en cuenta la intervención humana: por ejemplo, las descargas electrostáticas resultantes de materiales aislantes no conductores, o incluso de la ropa, pueden inflamar el hidrógeno, como se informa en la publicación HSE-RR715 del Reino Unido.

Las propiedades químicas del hidrógeno plantean desafíos únicos porque es incoloro, inodoro e indetectable para los sentidos. Es más ligero que el aire y, por lo tanto, difícil de detectar donde no pueden producirse acumulaciones. Cuando prende, la llama del hidrógeno ardiendo también es casi incolora e invisible con calor radiante bajo, en comparación con otros gases combustibles, y puede no ser visible a menos que se esté a una distancia muy cercana.

El peligro principal del hidrógeno es la producción de una mezcla inflamable que puede provocar un incendio o una explosión. Teniendo en cuenta la muy baja energía de ignición requerida para que se produzca un incidente, se debe considerar la implementación de un sistema de detección de incendios y gases a capas. Los sistemas de detección de gases e incendios de última generación emplean un enfoque por capas más completo que imita los sentidos humanos. Los sensores de ultrasonidos ‘oyen’ las fugas de gas, los sensores convencionales ‘huelen’ los gases y los sensores de tipo óptico ‘ven’ las llamas (figura 3). En el caso de una pérdida de contención, hay distintas tecnologías que desempeñan su papel en la detección y dan lugar al apagado. Por lo tanto, un sistema no solo debe estar formado por detectores de gas, sino que también debe incluir monitores ultrasónicos de fugas de gas y detección de llamas.

Los detectores de fugas de gas por ultrasonidos pueden responder rápidamente a liberaciones de hidrógeno a alta presión con niveles tan bajos como 3 g/s para informar lo más rápidamente posible de un incidente.

Aunque los monitores de hidrógeno, como los sensores catalíticos o electroquímicos, informarán de la liberación de gas, en todos los casos el gas debe estar en el punto de detección para que el detector responda. Para proteger aún más una planta contra incendios, los detectores de llamas de hidrógeno pueden supervisar el proceso y las áreas adyacentes.

• Detección de fugas por ultrasonidos (figura 4)

Cuando falla un sistema de contención, el gas hidrógeno se escapa a una velocidad que es proporcional al tamaño del orificio y a la presión interna del sistema. Esas fugas se pueden detectar utilizando monitores que detectan ultrasonidos aéreos producidos por un flujo turbulento por encima de un nivel de presión sonora predefinido. El uso de ultrasonidos como indicador de la concentración de gas es una gran ventaja de esta técnica, ya que los detectores de fugas de gas por ultrasonidos no requieren el transporte de gas al elemento sensor para detectarlo y no se ven afectados por la orientación de la fuga, el gradiente de concentración de la columna de gas ni la dirección del viento. Estas características permiten que los detectores de fugas de gas por ultrasonidos sean una opción ideal para la supervisión de tuberías y recipientes presurizados en áreas abiertas y bien ventiladas de estaciones de servicio. Dependiendo del nivel de ultrasonidos de fondo, por ejemplo, un solo detector puede responder a una pequeña fuga de hidrógeno a aproximadamente 8 m. de la fuente. Incluso las fugas pequeñas pueden generar suficiente ruido ultrasónico para permitir la detección en la mayoría de los entornos industriales. Mientras que el ruido acústico audible suele oscilar entre 60 y 110 dB en los sitios industriales, los niveles de ruido ultrasónico (rango de frecuencia de 25 a 100 kHz) van de 68 a 78 dB en áreas de alto ruido donde se instala maquinaria rotativa como compresores y turbinas, y rara vez superan los 60 dB en áreas de bajo ruido. En consecuencia, los detectores de fugas de gas ultrasónicos pueden detectar fugas de hidrógeno sin verse afectados por el ruido de fondo. Y como los instrumentos responden a la liberación de gas en lugar de al gas en sí, pueden dar la alarma rápidamente, a menudo en milisegundos.

• Detección de gas puntual

Existen dos tipos de detectores de gas puntual utilizables comúnmente para la detección de hidrógeno, que pueden estar basados en sensores catalíticos o electroquímicos. La detección catalítica de gas (figura 5) funciona según el principio del puente de Wheatstone eléctricamente equilibrado, donde el gas objetivo ingresa al sensor a través de un disco sinterizado (a veces denominado supresor de retroceso de llama) entra en contacto con los pellistores (o perlas, como se los conoce comúnmente) y luego se oxida aumentando su temperatura y desequilibrando el puente generando una corriente eléctrica. La cantidad de gas medida es directamente proporcional a la cantidad de gas presente y a la corriente, leyendo los resultados localmente a través de la pantalla en el propio equipo o de forma remota en una unidad de control ubicada en un área segura. El rango operativo de estos sensores está en el intervalo de 0-100% LEL.

Los sensores electroquímicos (figura 6) utilizan una reacción electroquímica para generar una corriente proporcional a la concentración de gas. El sensor es una cámara que contiene un gel o electrolito y electrodos. La muestra de gas ingresa a la carcasa a través de una membrana; se produce oxidación en el electrodo de trabajo y reducción en el contra electrodo, lo que genera un flujo de iones que crea una corriente. La medición de esta corriente se convierte en una lectura de gas que se muestra. El rango operativo de las celdas electroquímicas para la detección de hidrógeno es típicamente de 0 a 1.000 ppm, lo que hace que este tipo de tecnología sea mucho más sensible que el de un sensor catalítico. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el tiempo de respuesta de las celdas electroquímicas es a menudo más alto que el de los sensores de tipo catalítico y, por lo tanto, puede ser más adecuado para aplicaciones donde el gas hidrógeno estaría contenido dentro de un recinto, por ejemplo, en el interior de una celda de combustible/carcasa de un compresor donde se requiere la detección más temprana de una liberación con pequeñas concentraciones de gas.

• Detección de llama de hidrógeno

En caso de que las capas de protección con los detectores hayan sido ineficaces y se haya producido un incendio, los detectores de llama específicos de hidrógeno advierten que se deben implementar métodos de propagación adicionales. Estos instrumentos controlan simultáneamente la radiación infrarroja y ultravioleta en diferentes longitudes de onda (figura 7). La radiación es emitida en el infrarrojo por las moléculas de agua creadas por la combustión de hidrógeno; la emisión de dicha agua o vapor calentado se controla en el rango de longitud de onda de 2,7 a 3,2 μm. Un algoritmo que procesa la modulación de la radiación IR permite a estos detectores evitar señales falsas causadas por objetos calientes y reflexión solar. El detector UV normalmente es un tubo de foto descarga que detecta la radiación UV profunda en el rango de longitud de onda de 185 a 260 nm. Debido a la absorción por la atmósfera, la radiación solar en estas longitudes de onda no llega a la superficie terrestre; por lo tanto, el detector UV es esencialmente inmune a la radiación solar.

Esta combinación de detección IR y UV mejora la inmunidad a las falsas alarmas, al tiempo que produce detectores que pueden detectar incluso pequeños incendios de hidrógeno a una distancia de 5 m. En la (figura 8) se muestra el rango de detección de un detector de llama específico de hidrógeno para una columna de 15 a 20 cm de alto y 15 cm de diámetro. Como se observa en este caso, el detector de llama puede detectar el rango en el eje de 18 m hasta ± 65°, lo que proporciona una amplia cobertura angular.

• Comentarios adicionales

La detección de fugas de gas por ultrasonidos, la detección de gas con sensores electroquímicos o catalíticos y la detección de llamas de hidrógeno tienen diferentes puntos fuertes y débiles, y responden a diferentes manifestaciones de peligro, como pueden ser la detección acústica de un escape, la detección de gas dentro de la atmósfera o la presencia de fuego. Además, cada tecnología opera en un área distinta, por ejemplo, los detectores catalíticos como instrumentos de punto y los detectores de fugas por ultrasonidos y los detectores de llamas de hidrógeno como monitores de áreas. En cuanto a sus propiedades únicas, la combinación de detectores aumenta las probabilidades de que la dispersión del gas hidrógeno o del fuego se identifique de manera temprana, ya sea antes o después de la ignición. Para una respuesta eficaz del sistema ante una fuga de gas, también es importante tener en cuenta la posición correcta de los detectores de gas. Se debe tener en cuenta la densidad relativa del hidrógeno, que es de 0,07 g/l, lo que hace que sea mucho más ligero que el aire.

Por lo tanto, los detectores puntuales que utilizan sensores catalíticos y electroquímicos deben montarse por encima de posibles fuentes de fugas. Las ubicaciones sugeridas incluyen:

• Áreas donde es posible que haya fugas y el gas se pueda acumular:
• Conexiones que se separan con frecuencia (es decir, conexiones de reabastecimiento de hidrógeno).
• En conductos de entrada y salida de aire de edificios que conducen posibles fugas hacia adentro o hacia afuera del edificio.

Dado que los detectores ultrasónicos utilizan el ultrasonido como indicador de la concentración de gas, una de las principales ventajas de esta técnica es que no requieren que el gas esté en el sensor para detectar una liberación de gas. Al elegir la ubicación de la instalación, se debe tener en cuenta principalmente el ruido de fondo y las estructuras grandes que podrían atenuar o bloquear el ultrasonido antes de que llegue al detector.

Como era de esperar, las normas legislativas creadas para el uso seguro de los combustibles a base de hidrocarburos pueden no ser adecuadas para el hidrógeno y, por eso, se han creado normas nuevas. Las operaciones de mantenimiento que puedan generar una fuente de ignición dentro de las distancias restringidas deben ser autorizadas y, en la medida de lo posible, deben evitarse mientras la instalación esté en funcionamiento. Donde deban realizarse tareas de mantenimiento, por ejemplo, en caso de que sea necesario llevar a cabo tareas de servicio, la atmósfera debe ser monitorizada continuamente mediante equipos portátiles, transportables o, en su caso, fijos de detección de hidrógeno.

• Estación de servicio de hidrógeno con producción propia

La selección de la tecnología aplicable para las estaciones de servicio de hidrógeno se rige por los requisitos definidos en la norma ISO 19880:2020. Se trata de un conjunto completo de normas que abarcan todos los equipos y operaciones de las estaciones de servicio que dispensan hidrógeno gaseoso y que definen también los requisitos para los sistemas de detección de fugas como uno de los métodos de mitigación necesarios dentro de la capa protectora. En las normas ISO 19880-1:2020 se incluyen requisitos específicos para proporcionar procedimientos de mitigación que reduzcan el potencial de formación de una mezcla inflamable y que se debe detectar una liberación de gas inflamable. En la figura 9 se presentan algunos detalles sobre el sistema fijo de detección de llamas y gases que permite dicha mitigación y protección del personal.

• Instalación de reformado catalítico en una refinería de petróleo

En este proceso, un caudal de gasóleos pesados se somete a alta temperatura (480-524 °C) y presión (1379-3447 kPa) y se hace pasar por un catalizador de lecho fijo. Al reaccionar, los aceites se convierten en aromáticos que dan lugar a índices de octano mucho más altos para la gasolina. Debido a las condiciones de funcionamiento y a la producción continua de hidrógeno, una rotura en los reactores, el separador o el sistema de tuberías de la unidad puede tener graves consecuencias. La figura 10 muestra la distribución de los detectores en una unidad de reformado.

Desde luego, el esquema mostrado en este ejemplo no excluye el uso de otros sistemas de detección, ni elimina la necesidad de procedimientos operativos, sistemas de instrumentación y control, además de una formación adecuada, todos estos elementos son necesarios para la seguridad. Los instrumentos de control de estado, como los equipos de comprobación de tuberías por rayos X, desempeñan un papel fundamental a la hora de detectar defectos antes de que se pierda la integridad de la red de tuberías. Asimismo, los sensores de conductividad térmica pueden garantizar la cobertura de la detección en entornos con deficiencia de oxígeno y, por tanto, complementar los sensores catalíticos cuando se utilizan por encima del LIE. La experiencia sugiere que la elección de los instrumentos de detección se estudie detenidamente, para que se ajuste a los tipos de peligro asociados al proceso químico de la refinería en particular y que cada tipo de detección compense las deficiencias de los demás.

Comentarios

Queda pendiente de este tema desarrollar los sistemas de producción de gas hidrógeno y el detalle de su aplicación actual como energía limpia en sustitución de hidrocarburos fósiles.

Bibliografía

• Datos técnicos obtenidos de documentación comercial expuesta en Internet.
• Figuras cedidas gentilmente por MSASpain excepto 1 y 2.