Prevención de riesgos y retos de seguridad asociados en su proceso industrial

Seguridad y salud laboral en la emergente economía del hidrógeno verde

José Ignacio Argote Vea-Murguía, Ingeniero Consultor06/05/2024

La comunidad internacional ha adquirido el compromiso de alcanzar la neutralidad de emisiones entre 2050-2100. En la Unión Europea tenemos el objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), en el horizonte 2050, entre un 80% y un 95% respecto al nivel de 1990, para convertirnos en el primer continente climáticamente neutro. En este escenario, la demanda a ritmo acelerado de nuevos puestos de trabajo en las industrias del hidrógeno verde, puede dar como resultado que se resienta la prevención de los riesgos laborales asociados a estos nuevos empleos.

En la transición del modelo energético para cumplir el compromiso europeo de reducción de emisiones GEI entre un 80% y un 95% en 2050, el hidrógeno verde es un vector energético clave, como también lo es en la creación de nuevos empleos. El informe ‘Green hydrogen: Energizing the path no net zero. Deloitte’s 2023 global green hydrogen outlook’, publicado por el Centro Deloitte para el Progreso Sostenible (DCSP), estima que el mercado mundial del hidrógeno verde, del que Europa representa un 14%, alcanzará los 642.000 millones de dólares en 2030, 980.000 millones en 2040 y 1,408 billones de dólares en 2050, logrando reducir 85 gigatoneladas de las emisiones acumuladas de CO₂ para 2050.

El mercado mundial del hidrógeno verde, del que Europa representa un 14%, alcanzará los 642.000 millones de dólares en 2030, 980.000 millones en 2040 y 1,408 billones de dólares en 2050, logrando reducir 85 gigatoneladas de las emisiones acumuladas de CO₂ para 2050. Imagen: Deloitte’s 2023 global green hydrogen Outlook.

España puede liderar producción de hidrógeno verde en hasta 2040, creando 116.000 nuevos puestos de trabajo hasta 2030, y 181.000 hasta 2040, con una aportación al PIB de 15.600 millones de euros adicionales hasta 2040, esto supondría un incremento del 1% respecto al PIB del 2022, según el estudio ‘Las moléculas verdes: la inminente revolución del mercado del empleo en Europa’ presentado en la reunión anual del Foro Económico Mundial, del 15 al 19 de enero de 2024, en localidad suiza de Davos, por ManpowerGroup y Cepsa.

El hidrógeno verde impulsa la creación de nuevos empleos

Aunque el 88% de los nuevos empleos generados por el hidrógeno verde y los biocombustibles a 2040, surgen en otros sectores distintos al energético, como el sector servicios, industrial o la construcción, la economía del hidrógeno verde tiene un impacto en toda la cadena de valor productiva. Un ejemplo representativo es el desarrollo del Valle Andaluz del Hidrógeno Verde, de Cepsa, supondrá la generación de 10.000 puestos de trabajo, 1.000 de manera directa, y dinamizará la actividad económica de más de 400 pymes de la zona.

Es importante destacar, para nuestro país, la ventaja competitiva que supone la energía solar fotovoltaica, que permite costes entre un 20% y un 30% más barato que la media europea, lo cual es crucial en las solicitudes de ayuda de la CE, en forma de una prima fija por kilogramo de hidrógeno. Es también destacable que España superó holgadamente el objetivo del 20% marcado por la UE para 2020 en la senda de reducción, cubriendo un 21,2% de la demanda de energía final con renovables.

El Valle Andaluz del Hidrógeno Verde, de Cepsa, supondrá la generación de 10.000 puestos de trabajo, 1000 de manera directa, y dinamizará la actividad económica de más de 400 pymes de la zona. Imagen: Cepsa prevé comenzar a producir hidrógeno verde en Andalucía en el año 2026, concretamente en la planta de 400 megavatios proyectada en su parque energético de La Rábida, en Palos de la Frontera (Huelva). Imágenes: Cepsa.

La solución energética del hidrógeno, ya la propuso en 2002, Jeremy Rifkin, en su libro ‘La economía del hidrógeno’, en el que recoge el concepto acuñado en plena crisis del petróleo en 1973, cuando el impulso de algunas de las tecnologías que se usaron en la carrera espacial, como la fotovoltaica o las pilas de combustible de hidrógeno permitieron que el ser humano pusiera un pie en la Luna; después a principios de este siglo XXI, la idea de producir hidrógeno como combustible alternativo se retoma, pero la crisis financiera de 2007-2008 lo frena en seco. Ahora, a la tercera la vencida, el hidrógeno verde es determinante como vector energético, con 0 emisiones de CO₂.

Propiedades y características del hidrógeno verde como vector energético

El hidrógeno no existe en su forma elemental en la naturaleza. Puede ser producido por medio de fuentes de energía renovables, como la solar o eólica, a través de un electrolizador siendo el agua y el oxígeno los únicos residuos o impurezas, reduciendo éstas se puede fácilmente alcanzar un alto índice de pureza, el cual puede satisfacer holgadamente los requisitos para su uso en pilas de combustibles. La producción, el almacenamiento y el transporte de hidrógeno conllevan riesgos de seguridad especiales. Para gestionarlos, se necesita un conocimiento experto en todas las fases del proceso.

El hidrógeno es un gas no tóxico, incoloro, inodoro, insípido e inflamable y es el elemento químico más ligero y abundante del universo. Combinado con el oxígeno, forma el agua (H₂O). Es el gas más ligero de todos los gases y puede producir asfixia si este diluye la concentración de oxígeno por debajo de los niveles necesarios que sustentan la vida. El hidrógeno líquido es incoloro, inodoro, no corrosivo y no es significativamente reactivo. Tiene la densidad más baja de cualquier gas licuado. Se expande aproximadamente 850 veces al convertirse en gas bajo condiciones normales de temperatura y presión (293,15 K y presión absoluta).

Propiedades más relevantes del hidrógeno en relación con la seguridad y otros combustibles.

El hidrógeno no es una fuente de energía primaria sino un vector energético, ya que requiere para su producción mediante un proceso químico con aportación de energía, la cual se revierte después de los procesos de almacenado y distribución. Una de las ventajas más notables del hidrógeno como combustible es que, cuando se quema o reacciona con el oxígeno, únicamente produce vapor de agua como subproducto. Atendiendo a la materia prima necesaria y a las emisiones de CO₂ generadas para su obtención, el hidrógeno es generalmente clasificado en los siguientes tipos:

Hidrógeno renovable o hidrógeno verde: hidrógeno generado a partir de electricidad renovable, utilizando como materia prima el agua, mediante un proceso de electrólisis. Así mismo, el hidrógeno obtenido mediante el reformado del biogás o la conversión bioquímica de la biomasa, siempre que se cumplan los requisitos de sostenibilidad establecidos, tendrá carácter renovable.
Hidrógeno azul: hidrógeno obtenido de forma similar al hidrógeno gris, pero al que se le aplican técnicas de captura, uso y almacenamiento de carbono (CCUS: Carbon Capture, Utilization and Storage). lo que permite reducir hasta en un 95% las emisiones de CO₂ generadas durante el proceso.
Hidrógeno gris: hidrógeno producido a partir de gas natural u otros hidrocarburos ligeros como metano o gases licuados de petróleo mediante procesos de reformado. Actualmente, el 99% del hidrógeno consumido en España es de este tipo.

Además de los anteriores, existen otros tipos con un impacto medioambiental muy diverso, como el hidrógeno negro o marrón cuya materia prima es el carbón, la energía nuclear o la electricidad de la red, no estando incluidos en la clasificación anterior por ser difícil cuantificar el impacto ambiental de su producción y consumo.

El hidrógeno no es una fuente de energía primaria sino un vector energético...

Peligros y riesgos asociados al uso de hidrógeno

Los peligros del uso de hidrogeno con sus riesgos asociados deben ser identificarse para su evaluación y prevención. Inicialmente las propiedades características del hidrógeno, tales como el amplio rango de inflamabilidad o una energía de ignición baja, son las causas que pueden provocan accidentes en el uso de hidrógeno como combustible. La combustión, ya sea en forma de llama, deflagración o detonación, es uno los mayores peligros y causas de los accidentes que tiene su origen en:

Fugas de hidrógeno no detectadas que pueden provocar incendios y explosiones.
Derrame de hidrógeno líquido.
Purga inapropiada de las tuberías y recipientes.
Condensación del aire en líneas no aisladas con materiales no aptos para bajas temperaturas.
Fragilización por hidrógeno, que es un tipo de corrosión que degrada las propiedades de los materiales metálicos y no metálicos.
Colisiones durante el transporte con derrames o fugas que pueden desencadenar fuegos y explosiones.

Los equipos de seguridad y salud laboral son esenciales para proteger a los empleados durante los trabajos de mantenimiento que se llevan a cabo en plantas de producción de hidrógeno. En caso de emergencia, se debe disponer de dispositivos respiratorios de evacuación o escape. Imagen: Capuchas de evacuación filtrantes Dräger PARAT.

Es importante destacar, las consecuencias fisiológicas y los severos tipos de daños que sufren las personas que se ven envueltas en accidentes que ocurren en sistemas con hidrógeno:

Asfixia, que se produce cuando se diluye la concentración de oxígeno por debajo del 19,5 % en volumen, como un desplazamiento del aire, bien por una fuga, o bien por una purga de gas.
Ondas expansivas, de las explosiones como resultado de la sobrepresión.
Calor radiante procedente de una llama de aire y gas de hidrógeno y que es directamente proporcional a una variedad de factores que incluyen el tiempo de exposición, la velocidad de combustión, el calor de combustión, el tamaño de la superficie de combustión y las condiciones atmosféricas, entre las que destaca el vapor de agua.
Quemaduras criogénicas, por el contacto con fluidos o superficies frías.

Producción, almacenamiento hidrógeno verde y pilas de combustible

La producción de hidrógeno verde se realiza mediante electrolizadores, los cuales generalmente compuestos de distintos elementos como la celda electrolítica, formado por electrodos y electrolito sólido o líquido, las fuentes de alimentación eléctrica, elementos de monitorización y control, sistemas de refrigeración y purificación de agua, todos ellos contenidos en un contenedor que facilita su transporte, sobre todo en aplicaciones industriales.

La producción de hidrógeno verde se realiza mediante electrolizadores, compuestos de distintos elementos como la celda electrolítica, formado por electrodos y electrolito sólido o líquido, las fuentes de alimentación eléctrica, elementos de monitorización y control, sistemas de refrigeración y purificación de agua. Imagen Accelera HyLYZER 1000.

Existen tres tipos principales de electrolizadores: electrolizadores alcalinos, que son los más utilizados en la actualidad; electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM), que son altamente eficientes, más complejos y con una vida útil inferior y coste superior a los alcalinos; y los electrolizadores de óxido sólido (SOEC) que funcionan a altas temperaturas, por lo requieren una alta cantidad de energía térmica adicional para funcionar, lo que puede aumentar los costos operativos y limitar la viabilidad en regiones con recursos energéticos limitados.

Una vez producido el hidrógeno, puede inyectarse en un gaseoducto, quemarlo en aplicaciones industriales, emplearlo para fabricar otras sustancias como fertilizantes, o almacenarlo en estado gaseoso o líquido, para ser utilizado en otras localizaciones para su empleo industrial, a demanda de uso, en los procesos de producción.

El almacenamiento del H2 gaseoso producido presenta cierta complejidad por la baja densidad...

El almacenamiento del H₂ gaseoso producido presenta cierta complejidad por la baja densidad, lo que obliga a comprimirlo para evitar grandes volúmenes de tanques.

El almacenamiento del H₂ gaseoso producido presenta cierta complejidad por la baja densidad, lo que obliga a comprimirlo para evitar grandes volúmenes de tanques. Para el almacenamiento de hidrógeno comprimido encontramos distintos tipos de tanques:

Tanques Tipo I: son de acero y son utilizados principalmente en aplicaciones industriales y de almacenamiento estacionario.
Tanques Tipo II: tienen una carcasa de acero, pero incorporan una capa adicional de material compuesto (generalmente fibra de vidrio) para reducir el peso en comparación con los tanques Tipo I.
Tanques Tipo III: tienen una carcasa de fibra de vidrio o material compuesto reforzado en lugar de acero.
Tanques Tipo IV: son de material compuesto, como fibra de carbono, y cuentan con capas adicionales para proteger el hidrógeno almacenado.

Este hidrógeno almacenado se puede convertir en electricidad, empleando la pila de combustible, también llamada célula de combustible o celda de combustible, que es el dispositivo electroquímico, que convierte en electricidad la energía química almacenada en el hidrógeno verde. La obtención de la energía eléctrica en la pila de combustible, está exenta de cualquier proceso mecánico intermedio, y no está limitada por la eficacia del ciclo termodinámico de Carnot.

El proceso comienza, con la alimentación de hidrógeno a la celda anódica de la pila de combustible. En esta celda, el hidrógeno se divide en protones y electrones. Los protones pasan a través de un electrolito sólido y se mueven hacia la celda catódica, mientras que los electrones se desplazan por un circuito externo generando electricidad. En la celda catódica, los protones y los electrones se combinan con oxígeno del aire y electrones externos para formar agua como único subproducto. El rendimiento actual de una pila de combustible, dependiendo del tipo de tecnología de la pila combustible, oscila entre el 40 y el 65% y con potencial de crecimiento hasta el teórico 83%. En el caso de usar la pila de combustible en sistemas de microcogeneración, por ejemplo, los rendimientos reales pueden llegar hasta el 92%.

El proceso comienza con la alimentación de hidrógeno a la celda anódica de la pila de combustible. En esta celda, el hidrógeno se divide en protones y electrones. Los protones pasan a través de un electrolito sólido y se mueven hacia la celda catódica, mientras que los electrones se desplazan por un circuito externo, generando electricidad. En la celda catódica, los protones y los electrones se combinan con oxígeno del aire y electrones externos para formar agua como único subproducto. Imagen: Iberdrola.

Normativas legislativas y técnicas

En España, así como en la mayoría de los estados miembros de la UE, la producción de hidrógeno está considerada como una actividad industrial, al clasificarse como una industria química para la producción de un gas inorgánico sin importar el método de producción, la cantidad diaria producida, la capacidad del almacenamiento, ni el propósito de dicha producción. Teniendo en cuenta esta consideración, se restringe la construcción de este tipo de infraestructuras dentro del suelo calificado como industrial, limitando así la implantación de electrolizadores en suelos calificados de otro modo. Habitualmente, la construcción se ubica cerca de plantas fotovoltaicas, parques eólicos, estaciones de servicio ubicados en suelo urbano o incluso edificios para su uso como autoconsumo.

El RD 815/2013, de 18 de octubre, por el que se aprueba el Reglamento de emisiones industriales y RD 1/2016, de 16 de diciembre, por el que se aprueba el texto refundido de la Ley de prevención y control integrados de la contaminación (Ley 16/2002, de 1 de julio), tiene el carácter de legislación básica, y en su anexo 1, figuran las categorías de actividades e instalaciones contempladas en el artículo 2 del Texto Refundido de la Ley de prevención y control integrados de la contaminación. Concretamente en el apartado 4.2 a) ‘Instalaciones químicas para la fabricación de productos químicos inorgánicos’, figura el hidrógeno. Los establecimientos que disponen de este tipo de instalaciones están sometidas al régimen de autorización ambiental integrada. También, es importante señalar que toda producción requerirá un almacenamiento de este hidrógeno, siendo el umbral de 5 toneladas la cantidad de hidrógeno para que un emplazamiento quede incluido en el ámbito de aplicación del RD 840/2015, de 21 de septiembre, por el que se aprueban medidas de control de los riesgos inherentes a los accidentes graves en el que intervengan sustancias peligrosas.

En lo referente a normativa técnica, en la norma ISO 22734:2019 ‘Hydrogen generators using water electrolysis - Industrial, commercial, and residential applications’, se definen los requisitos de construcción, funcionamiento y seguridad de los equipos generadores de hidrógeno previstos, respectivamente, para interiores o exteriores con usos industriales y comerciales, y para interiores o exteriores con uso residencial, que emplean reacciones electroquímicas para electrolizar el agua y producir gas de hidrógeno y oxígeno. Por otra parte, el Comité: CTN 181 - Tecnologías del hidrógeno ha elaborado las siguientes normas vigentes actualmente, que se recogen en la tabla 1.

Tabla1: Normativa vigente: Comité CTN 181 - Tecnologías del hidrógeno.

La UNE-EN 62282 regula las tecnologías de pilas de combustible. La comunicación de la Comisión en el marco de la aplicación de la Directiva 2014/35/UE del Parlamento Europeo y del Consejo sobre la armonización de las legislaciones de los Estados miembros en materia de comercialización de material eléctrico destinado a utilizarse con determinados límites de tensión, publica los títulos y referencias de las normas armonizadas conforme a la legislación sobre armonización de la Unión Europea. Dichas normas armonizadas, si bien derivan de la Directiva 2014/35/UE de material eléctrico, no solo incluyen los riesgos de la parte eléctrica, sino todo conjunto de riesgos del equipo, incluidos los derivados del sistema de alimentación de gas. El certificado CE que debe emitir el fabricante debe incluir el análisis de todos estos riesgos. La normativa actualizada relacionada con las pilas de combustible, ha elaborado las siguientes normas que se recogen en la tabla 2.

Tabla2: Normativa vigente: Comité CTN 222 - Tecnología de las pilas de combustible.

Atmósferas explosivas ATEX

La normativa ATEX, que toma este nombre de la directiva francesa 94/9/EC, ‘Appareils destinés à être utilisés en ATmosphères EXplosives’, tiene como objetivo evitar el riesgo de incendio o explosión. en aquellas actividades donde se produzcan estos entornos con atmósferas inflamables o explosivas. Para que se inicie un fuego, hacen falta que coincidan tres factores fundamentales, una sustancia combustible, una sustancia comburente y una energía de activación o fuente de calor. La normativa ATEX, tiene como objetivo evitar que estos tres factores, lleguen a producir simultáneamente, por ello, en las actividades industriales en las se crean atmósferas explosivas. Es fundamental evitar que existan fuentes de calor o compuestos comburentes, para ello existen diversos sistemas, desde la presurización de espacios con sustancias inertes, a un sinfín de mecanismos que existen, para evitar las fuentes de calor. La Directiva ATEX, describe qué tipo de equipamiento y ambiente es permitido para el trabajo en una atmósfera explosiva.

En el RD 681/2003, de 12 de junio, sobre la protección de la salud y la seguridad de los trabajadores expuestos a los riesgos derivados de atmósferas explosivas en el lugar de trabajo, establece las disposiciones mínimas para proteger la salud y seguridad de los trabajadores que pudieran verse expuestos a riesgos derivados de atmósferas explosivas en el lugar de trabajo. Define en su artículo 2, la atmósfera explosiva como la mezcla con el aire, en condiciones atmosféricas, de sustancias inflamables en forma de gases, vapores, nieblas o polvos, en la que, tras una ignición, la combustión se propaga a la totalidad de la mezcla no quemada. Los anexos recogen: la clasificación de las áreas en las que pueden formarse atmósferas explosivas; las disposiciones mínimas destinadas a mejorar la seguridad y la protección de la salud de los trabajadores potencialmente expuestos a atmósferas explosivas; y la señalización de zonas de riesgo de atmósferas explosivas.

Por otra parte la Directiva 2014/34/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 26 de febrero de 2014, sobre la armonización de las legislaciones de los Estados miembros en materia de aparatos y sistemas de protección para uso en atmósferas potencialmente explosivas, se transpone en el RD 144/2016, de 8 de abril, que en anexo 2, establece los requisitos esenciales de salud y seguridad relativos al diseño y fabricación de aparatos y sistemas de protección para uso en atmósferas potencialmente explosivas.

La normativa ATEX tiene como objetivo evitar el riesgo de incendio o explosión en aquellas actividades donde se produzcan estos entornos con atmósferas inflamables o explosivas.

En la Guía técnica para la evaluación y prevención de los riesgos derivados de atmósferas explosivas en el lugar de trabajo, actualizada a fecha de mayo de 2021, que ha sido elaborada por el Instituto Nacional de Seguridad y Salud en el Trabajo (INSST), proporciona y detalla criterios e información técnica para la evaluación y prevención de los riesgos derivados de atmósferas explosivas, así como para la elaboración del documento de protección contra explosiones al que hace referencia el artículo 8 del Real Decreto 681/2003.

Referencias:

Argote, Ignacio (2024). Mercado del Hidrógeno. La Razón. Tu Economía. Dinero y Negocios. 3 de marzo de 2024 https://estaticos.larazon.es/suplementoslarazon/TuEconomia/2024-03-03_Tu-Economia/6/index.html.
Delloite (2023). Hydrogen, Making it happen. https://www.deloitte.com/content/dam/assets-shared/legacy/docs/perspectives/2022/gx-deloitte-global-hydrogen-report.pdf
Centro de Estudios de ManpowerGroup España para Cepsa (2024). Las moléculas verdes: la inminente revolución del mercado del empleo en Europa
DCSP- Deloitte Center for Sustainable Progress (2023). Green hydrogen: Energizing the path to net zero. Deloitte’s 2023 global green hydrogen Outlook. https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/at/Documents/presse/at-deloitte-wasserstoffstudie-2023.pdf
Rifkin, Jeremy (2002). The Hydrogen Economy: The Creation of the Worldwide Energy Web and the Redistribution of Power on Earth. Jeremy P. Tarcher/Putnam, New York.