La electrólisis necesita una protección hecha a medida

Electrólisis

La demanda es gigantesca: sólo en la Unión Europea se producirán 10 millones de toneladas anuales de hidrógeno a partir de energías renovables de aquí a 2030, según el plan REPowerEU de la Comisión Europea. Y casi todas las grandes naciones industrializadas del mundo han adoptado sus propias estrategias de hidrógeno. Los electrolizadores desempeñan un papel fundamental: se utilizan para producir hidrógeno verde a partir de electricidad generada de forma renovable y agua. Aunque todo el mundo esté hablando de ello, la capacidad real de los electrolizadores de hidrógeno instalados hoy en día sigue siendo muy escasa en términos de demanda: a una capacidad actual de electrólisis de unos 0,2 gigavatios en todo el mundo responde una demanda de 40 gigavatios para 2030, y, según un estudio de Aurora Energy Research, se espera que aumente hasta alcanzar los 213 gigavatios en 2040.

Hay clientes para el hidrógeno en muchos sectores de la economía, sobre todo en segmentos que difícilmente pueden descarbonizarse sin hidrógeno: las industrias siderúrgica y cementera, así como la industria química. Pero no se trata sólo de su uso como materia prima y gas energético. En el contexto del acoplamiento de sectores, el hidrógeno verde también sirve como almacén de energía para el excedente de electricidad procedente de centrales eólicas o solares: como gas o convertido en amoníaco o hidrocarburos sintéticos.

Los numerosos procesos de electrólisis incluyen no sólo la electrólisis alcalina, que ha sido la más extendida hasta la fecha, sino también la electrólisis de membrana de intercambio protónico, PEM (por sus siglas en inglés), que aún es relativamente nueva. Su ventaja decisiva es que puede funcionar a plena carga en cuestión de segundos, una característica cada vez más importante en vista de las grandes fluctuaciones de la energía eólica y solar. Con la PEM, una membrana especial permite el paso de átomos de hidrógeno cargados positivamente (protones), que se crean en el ánodo y que migran a través de la membrana hasta el cátodo. En el cátodo, los protones toman electrones y se combinan para formar moléculas de hidrógeno.

La separación entre los compartimentos catódico y anódico y del aire ambiente es relevante desde el punto de vista de la seguridad, ya que el hidrógeno que se escapa del sistema forma una mezcla extremadamente explosiva con el oxígeno del aire ambiente o del compartimento anódico.

Protección contra explosiones en las plantas de hidrógeno

Una característica especial del hidrógeno en comparación con otros gases inflamables es su amplísimo rango de explosividad: las mezclas con un contenido de entre el 4 y el 77 por ciento en volumen son explosivas, y en las explosiones de hidrógeno las llamas se propagan con gran rapidez. Además, se necesita muy poca energía para encender una mezcla de hidrógeno y aire: con 0,02 mJ, la energía de ignición es 15 veces inferior a la del metano. Esta es otra de las razones por las que el hidrógeno está incluido en el grupo de ignición más peligroso (IIC). No obstante, el hecho de que las explosiones con hidrógeno sean relativamente raras se debe, entre otras cosas, a la amplia experiencia de la industria (petro)química en la manipulación de este gas. No obstante, un requisito previo es el cumplimiento de las normas de seguridad pertinentes en materia de protección contra explosiones, incluidas las normas IEC 60079 e IEC80079, así como los requisitos especiales para la construcción y el funcionamiento de plantas de electrólisis descritos en la norma ISO 22734.

Además de la estanqueidad del sistema (protección primaria contra explosiones), la evitación de fuentes de ignición (protección secundaria contra explosiones) desempeña un papel importante. El factor decisivo en este caso es la clasificación de zonas resultante del análisis de riesgos, en la que la zona 0 indica las áreas en las que se producen atmósferas explosivas durante un largo período de tiempo o están presentes con frecuencia, mientras que en la zona 2 las atmósferas explosivas se producen raramente durante el funcionamiento normal y sólo durante un corto período de tiempo. Esto puede evitarse en las plantas de electrólisis, por ejemplo, mediante ventilación forzada.

Electrólisis PEM para la producción de fertilizantes

Para que la economía del hidrógeno tenga éxito, es necesaria la producción masiva de electrolizadores. Los fabricantes se basan en un diseño modular y consiguen grandes capacidades encadenando módulos individuales. Para un importante fabricante de electrolizadores basados en PEM, R. STAHL comprobó todos los componentes del electrolizador en busca de posibles fuentes de ignición e implementó la protección contra explosiones para el equipo eléctrico en un proyecto de producción de hidrógeno para la fabricación de fertilizantes. Con una capacidad de electrólisis de 24 megavatios, basada en 12 módulos de electrólisis, la planta suministrará en el futuro hidrógeno verde para la producción de 20.500 toneladas de amoníaco al año. A su vez, se utilizarán para producir unas 80.000 toneladas de abono ecológico. En comparación con la producción clásica a base de gas natural, el nuevo proceso ahorra anualmente unas 41.000 toneladas de emisiones de dióxido de carbono.

Debido a la elevada concentración de hidrógeno en las plantas de electrólisis, las inmediaciones de la planta están clasificadas como Zona Ex 2 IIC T1: pueden producirse atmósferas explosivas con poca frecuencia y durante poco tiempo; debido al comportamiento explosivo del hidrógeno, éste pertenece al grupo de gases más elevado (IIC) y la temperatura superficial máxima admisible es de sólo 450 °C según T1. La tecnología utilizada en la zona Ex debe diseñarse en consecuencia.

En cuanto a los equipos eléctricos, se prestó especial atención al desarrollo de una solución lo más escalable posible y, debido al limitado espacio disponible, también compacta, al tiempo que se lograba una seguridad integral tanto en el funcionamiento como en la transmisión de señales y las conexiones eléctricas durante todo el ciclo de vida del sistema. Por ejemplo, debe garantizarse que los sensores instalados en el sistema transmitan su información de forma segura al sistema de control instalado en la zona no peligrosa. El control de la tensión continua necesaria para la electrólisis es especialmente importante en este caso, una de las numerosas particularidades del fabricante del sistema que requirió la comprensión y la escucha atenta de las personas que, por parte de R. STAHL, se encargaron del proyecto.

Componentes estándar configurados individualmente

La tarea se resolvió, entre otras cosas, utilizando aisladores ISpac, que sirven de "puerta de seguridad" entre las señales electrónicas del lado de control y las señales de seguridad intrínseca (Ex i) del lado de los sensores y las separan galvánicamente entre sí. Todas las líneas de alimentación y control del electrolizador convergen en cajas de bornes. En el proyecto concreto se utilizan casi 100 cajas de bornes Ex e de la serie 8150 de acero inoxidable, que son especialmente resistentes. Diseñadas con la clase de protección IP 66, las envolventes estancas al polvo también resisten fuertes chorros de agua. La junta de silicona utilizada en la tapa de la envolvente es apta para temperaturas extremas.

Por último, los dispositivos de mando y señalización instalados in situ en la planta, incluidos los interruptores o pulsadores de parada de emergencia, deben cumplir los requisitos de protección contra explosiones. En este caso concreto, se eligieron unidades de control y señalización de la serie 8040 de R. STAHL: son especialmente flexibles y pueden pedirse con distintos elementos de mando.

El hecho de que R. STAHL también pueda suministrar otros materiales para su uso en zonas peligrosas además de estos componentes principales -incluyendo, en particular, E/S remotas, dispositivos para sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI), así como equipos de iluminación- también jugó un papel importante para el cliente a la hora de seleccionar un socio de protección contra explosiones. Dado que la capacidad de entrega y la rapidez también son importantes en los proyectos de electrólisis, es crucial crear soluciones personalizadas a partir de componentes estándar. De lo contrario, se hace necesaria una certificación Ex de la solución, que lleva mucho tiempo. Disponiendo R. STAHL de una amplia gama de equipos y soluciones que también están certificados para su uso en aplicaciones de hidrógeno, nada impide seguir desarrollando soluciones individuales para futuros diseños de electrolizadores de hidrógeno.