El H2 verde en la industria: Tools4TestingH2 y el desarrollo de herramientas para prevenir la fragilización de los metales

A nivel global, los gobiernos y las empresas están trabajando de manera conjunta para alcanzar una reducción del 55% en las emisiones de gases de efecto invernadero para el año 2030 y lograr la neutralidad de emisiones en 2050. Estas metas han impulsado el paquete regulatorio europeo conocido como Fit for 55, que establece directrices para la descarbonización de la economía. En este contexto, el hidrógeno verde se presenta como una alternativa energética práctica para sectores donde la electrificación directa es compleja de implementar.

El uso del hidrógeno a gran escala requiere resolver cuestiones logísticas de almacenamiento y transporte de manera segura y económicamente viable. Actualmente, las formas más comunes de distribución de H₂ son como gas presurizado en tanques o tuberías, o bien en forma líquida mediante tanques criogénicos. Una de las opciones más prácticas para Europa es aprovechar la infraestructura existente para el transporte y almacenamiento de gas natural, adaptándola a las particularidades del hidrógeno. No obstante, todavía existe cierta falta de consenso técnico sobre cuáles son los materiales metálicos más adecuados para garantizar un transporte seguro desde las regiones de producción hasta los puntos de demanda. Esta situación se debe a cómo el hidrógeno interactúa con los metales, lo que puede afectar a la integridad de las instalaciones.

En la ciencia de materiales, la Fragilización por Hidrógeno es un fenómeno bien documentado que describe la pérdida de propiedades mecánicas de un metal tras absorber hidrógeno en su microestructura. Ese hidrógeno difunde a través de la red del metal e interactúa con los defectos cristalinos. El resultado de este proceso es una reducción de la ductilidad y la tenacidad del material, lo que lo vuelve más frágil. Así mismo, bajo la acción de tensiones mecánicas, el hidrógeno puede facilitar el inicio y la propagación de grietas, un efecto conocido como agrietamiento por tensión o Hydrogen Stress Cracking.

Este fenómeno complica la selección de materiales para infraestructuras de almacenamiento de gases, ya que los aceros de alta resistencia (HSS, High-Strength Steels), que suelen ser los más adecuados para soportar las altas presiones, son también muy susceptibles a los efectos de la fragilización por hidrógeno.

La evaluación de la susceptibilidad de los materiales a la fragilización por hidrógeno es un paso necesario en la industria. En la actualidad, estos procedimientos se basan en normas como ASTM F519, ASTM F1624 y ASME B31.12. Sin embargo, la metodología habitual presenta algunas limitaciones operativas. El método convencional se divide en dos fases: primero, se somete el material a una carga de hidrógeno y, posteriormente, se interrumpe el proceso para realizar el ensayo mecánico y la evaluación microestructural una vez que el hidrógeno ha quedado en el interior de la pieza. El inconveniente de esta técnica es que la carga interrumpida no refleja con exactitud las condiciones de operación reales, donde los componentes (como tanques y tuberías) están en contacto continuo con gas a presiones que pueden llegar hasta los 700 bar. Además, no se puede confirmar que parte del hidrógeno difundido al interior de la pieza no escape una vez interrumpido el proceso de carga.

Para mejorar esta representatividad, algunos centros de investigación han adaptado máquinas de tracción para crear bancos de ensayo con carga de hidrógeno in situ. Por ejemplo, acoplando una máquina de ensayo mecánico con una cámara de hidrógeno gaseoso. Aunque este tipo de equipos aporta datos útiles, trabajar con hidrógeno gaseoso a altas presiones requiere medidas de seguridad muy estrictas, lo que eleva los costes de inversión y limita su uso extendido.

Otras instituciones han intentado reemplazar el hidrógeno gaseoso por un sistema de generación electroquímica de hidrógeno in situ. Este acercamiento es más seguro y económico, sin embargo, este tipo de equipos aún no se comercializa de forma habitual en el sector.

Además, existe una carencia de integración de técnicas de Ensayos No Destructivos (NDT) para evaluar el daño durante las pruebas, así como de modelos de software comerciales para predecir el comportamiento del material.

Las herramientas de hardware se centran en permitir la determinación de las propiedades mecánicas (resistencia a la tracción) de los materiales analizados mientras simultáneamente se someten a una carga electroquímica de hidrógeno, de manera que se compruebe de manera efectiva su susceptibilidad a la fragilización. Adicionalmente, se busca incorporar técnicas no destructivas que permitan detectar las primeras señales de esa fragilización con anterioridad al efecto sobre las propiedades mecánicas.

Por su parte, las herramientas digitales se orientan al desarrollo de modelos que a nivel microscópico describan los mecanismos responsables de la fragilización por hidrógeno, y a nivel macroscópico sean capaces de predecir el comportamiento de un material determinado sometido a un entorno de hidrógeno, anticipando un indeseado fallo estructural.

El consorcio está formado por empresas y entidades referentes en sus respectivos campos de actuación:

• DBV Services (España): Empresa de ingeniería líder del proyecto, especializada en simulación estructural mediante elementos finitos (FEM), algoritmos avanzados y diseño mecánico.
• Tecnitest Ingenieros (España): Compañía experta en el diseño y despliegue de sistemas de Ensayos No Destructivos (NDT) orientados a la Industria 4.0.
• Helmholtz-Zentrum Hereon (Alemania): Instituto de investigación referente europeo en la simulación y modelado de la degradación, corrosión y fragilización de materiales estructurales.
• DigitalTwin Technology (Alemania): Empresa tecnológica de vanguardia especializada en analítica de Big Data y soluciones informáticas complejas.
• Cidetec Surface Engineering (España): Centro tecnológico con amplia experiencia en tratamientos térmicos y electroquímicos, desarrollo de recubrimientos y caracterización avanzada de materiales frente ambientes agresivos.

Aprovechando las capacidades técnicas y las áreas de especialización de los centros del consorcio, el proyecto se organiza en las siguientes áreas tecnológicas:

1. Hardware de ensayo y caracterización de materiales

El desarrollo del hardware de ensayo busca superar los riesgos asociados al uso de hidrógeno a alta presión. El centro tecnológico Cidetec Surface Engineering asume el liderazgo en la adaptación de una máquina convencional de tracción para la realización de ensayos con carga simultanea de hidrógeno, pilar principal del proyecto.

Se está desarrollando un banco de pruebas basado en una máquina de ensayo electromecánica a la que se acopla una celda electroquímica inmersiva, en la que se genera hidrógeno directamente sobre la superficie del metal durante el desarrollo del ensayo. Mediante esta adaptación, es posible determinar el efecto de difusión del hidrógeno al interior del material sobre las propiedades a tracción (principalmente la resistencia máxima a tracción y el módulo de Young) de los materiales analizados.

La cantidad de hidrógeno que penetra en los aceros durante los ensayos se cuantifica mediante técnicas avanzadas (Espectroscopía de Emisión Óptica de Descarga Luminiscente, GDOES), y se utiliza Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) para analizar las superficies de fractura y determinar la presencia de fragilización.

2. Monitorización mediante Ensayos No Destructivos

Para monitorizar el proceso de degradación del metal durante el proceso, antes de la rotura completa, el proyecto integra sistemas de Ensayos No Destructivos (NDT) en la máquina de ensayo. Esta labor se desarrolla conjuntamente por Tecnitest y Cidetec. La propuesta técnica consiste en combinar de forma simultánea dos tecnologías:

• Emisión Acústica (AE): Técnica pasiva que monitoriza las modificaciones microestructurales y la iniciación de grietas, captando las ondas elásticas que emite el material al deformarse.
• Ultrasonidos (US): Técnica activa que cuantifica las alteraciones volumétricas del material. Analiza los tiempos de reflexión de las ondas emitidas para determinar el tamaño de los posibles defectos.

3. Modelado computacional predictivo

El proyecto también incluye el desarrollo de herramientas de software para simular el comportamiento de los materiales a lo largo del tiempo. Esta tarea la dirige el instituto de investigación alemán Helmholtz-Zentrum Hereon, desarrollando un modelo computacional microscópico empleando Phase field damage model. Este modelo rastrea cómo evoluciona la concentración de hidrógeno y cómo afecta al desarrollo de tensiones y al progreso del daño estructural. El modelo tiene en cuenta parámetros físicos de la muestra y considera el efecto de recubrimientos superficiales o barreras de permeación.

Por su parte, DBV Services utiliza los datos obtenidos por Hereon para construir un modelo de integridad estructural macroscópico mediante Elementos Finitos. El modelo busca predecir la vida útil estimada a fatiga. Utilizando técnicas de Deep Learning, DBV genera un ‘modelo subrogado’ que busca ofrecer resultados predictivos de manera más ágil, facilitando su uso práctico en el diseño industrial.

4. Gestión de datos basada en gráficos

Para organizar, analizar y extraer valor añadido del volumen de datos generados por los ensayos, los sensores y las simulaciones, la compañía tecnológica alemana DigitalTwin Technology desarrolla un sistema de gestión gráfica de bases de datos.

Esto facilita el cruce de datos complejos: por ejemplo, relacionar la composición del acero probado con las señales NDT registradas y las predicciones del modelo phase field. Además, se incorporarán bases de open data de otros proyectos públicos para correlacionar los resultados del laboratorio con mediciones de instalaciones en campo.

5. Validación, pruebas de campo y camino hacia la estandarización

El proyecto contempla una fase de validación práctica para asegurar que las tecnologías desarrolladas funcionan adecuadamente fuera del entorno de laboratorio.

Cidetec DBV y Services coordinan el diseño de un banco de ensayos de demostración. Este demostrador utilizará componentes de acero a los que se les han inducido diferentes niveles de tensiones internas mediante deformación plástica, simulando las condiciones mecánicas de piezas reales tras su conformación.

El proyecto Tools4TestingH2 busca aportar soluciones prácticas para mejorar la seguridad en el despliegue del hidrógeno verde. Estas acciones están alineadas con varios de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), como el ODS 7 (Energía asequible y no contaminante), ODS 9 (Industria, innovación e infraestructuras), ODS 11 (Ciudades sostenibles) y ODS 13 (Acción por el clima).

El enfoque de generar hidrógeno de forma electroquímica reduce los riesgos asociados al manejo de gas inflamable a altas presiones. Asimismo, proporcionar herramientas de selección de materiales más precisas ayuda a la industria a prevenir accidentes y fugas en las futuras redes de distribución de energía.

Por tanto, Tools4TestingH2 propone una aproximación tecnológica conjunta, combinando métodos de prueba experimentales, análisis de datos y simulación, para facilitar a la industria los medios necesarios con los que certificar las infraestructuras de almacenamiento y distribución del hidrógeno verde de manera más fiable y segura.

Como se ha comentado, la transición hacia la neutralidad climática exige la adopción masiva del hidrógeno verde. Sin embargo, el almacenamiento y distribución de este gas en componentes metálicos a alta presión constituye uno de los procesos más críticos en la actualidad, dadas las excepcionales exigencias operativas de las infraestructuras requerida. En ese sentido, la iniciativa Tool4TestingH2 se centra en facilitar a la industria la determinación de la susceptibilidad al hidrógeno de los materiales empleados en tanques, tuberías, válvulas, etc., de cara a evitar que la fragilización deteriore gravemente sus propiedades mecánicas y acorte su vida útil

Para que la economía del hidrógeno sea económicamente viable, la industria requiere utilizar aceros de alta resistencia que permitan aligerar el peso de los depósitos, así como aprovechar la red de gasoductos actual. Como estos materiales metálicos son altamente susceptibles al daño por hidrógeno, la alternativa tecnológica más prometedora es la aplicación de Barreras de Permeación de Hidrógeno (HPB, por sus siglas en inglés): recubrimientos con baja difusividad de hidrógeno diseñados para aislar el metal base del gas. En este contexto, Cidetec Surface Engineering ha consolidado una línea de investigación propia enfocada en el diseño, desarrollo y evaluación de este tipo de recubrimientos, con la mirada puesta en facilitar su futura aplicación en la industria.

Dentro del abanico de soluciones en estudio, Cidetec investiga recubrimientos de diversa naturaleza, destacando especialmente los basados en aleaciones de níquel-fósforo (Ni-P) aplicados mediante deposición química (proceso electroless), así como recubrimientos de diversa naturaleza aplicados mediante esprayado e híbridos desarrollados mediante tecnología sol-gel. La gran ventaja de procesos como el electroless es que permiten obtener un espesor continuo y altamente uniforme incluso en geometrías muy complejas. Esto resulta de vital importancia de cara al futuro recubrimiento de componentes críticos como el interior de tuberías, racores o válvulas de seguridad. Por su parte, los recubrimientos aplicados por esprayado permiten automatizar la aplicación en grandes superficies, como tanques.

Los ensayos realizados hasta la fecha han demostrado que estos recubrimientos barrera son capaces de reducir en más de dos órdenes de magnitud el coeficiente de difusión de hidrógeno hacia el acero, un resultado especialmente relevante para minimizar los fenómenos de fragilización y aumentar la fiabilidad de los componentes destinados al transporte y almacenamiento de hidrógeno.

Con el objetivo de trasladar estos resultados al entorno industrial, la actividad de Cidetec va más allá del desarrollo de nuevas formulaciones de recubrimientos y se centra en facilitar la transferencia de esta tecnología. Para ello, trabaja en la optimización de los pretratamientos superficiales y la optimización de los procesos de aplicación, adaptando etapas a los requisitos de escalabilidad, repetibilidad y robustez que exige la fabricación industrial. El objetivo es validar soluciones que puedan implementarse, primero en plantas piloto y posteriormente en líneas de producción.

Otro de los aspectos clave es la validación del comportamiento de los recubrimientos en condiciones representativas de servicio. Actualmente no existe una metodología estandarizada que permita comparar de forma objetiva el rendimiento de las distintas soluciones barrera frente a la permeación de hidrógeno, lo que dificulta su evaluación y futura cualificación industrial. Por este motivo, Cidetec trabaja también en el desarrollo y adaptación de técnicas avanzadas de caracterización que permitan evaluar el comportamiento de los recubrimientos frente a ciclos de presión, variaciones térmicas, desgaste y otros factores que condicionan su durabilidad en servicio.

La combinación de procesos de fabricación escalables y metodologías de validación fiables será determinante para acelerar la incorporación de estos recubrimientos en las futuras infraestructuras del hidrógeno. Su desarrollo permitirá disponer de componentes metálicos con mayor resistencia a la permeación y a la fragilización por hidrógeno, contribuyendo a mejorar la seguridad y la vida útil de las infraestructuras de hidrógeno.