La interacción del hidrógeno con diferentes materiales es causa de fallo prematuro en distintas situaciones. Algunos ejemplos concretos los podemos encontrar en: los trenes de aterrizaje de los aviones, los depósitos de combustible de refinerías y plantas químicas, las turbinas para la generación de energía eléctrica o las tuberías y válvulas para el transporte de líquidos y gases.
Los daños causados en materiales debidos al hidrógeno se denominan fragilización por hidrógeno. Este fenomeno es especialmente devastador por las averias que puede causar en diversos materiales de componentes esenciales. Dicho fallo sucede a tensiones muy pequeñas (en comparación a las que serían necesarias en ausencia de hidrógeno), es bastante frágil y tiene un periodo de “incubación” tan variable que lo hace prácticamente impredecible.
Los daños causados por el hidrógeno en materiales
El problema de la fragilización por hidrógeno afecta a los cuatro puntos esenciales de la cadena de valor del hidrógeno. Estos son:
✅ Producción
✅ Transporte
✅ Almacenamiento
✅ Aplicación
La elección de los materiales para el confinamiento del hidrógeno para una aplicación específica dependerá de la fiabilidad y coste que requiera el sistema.
Materiales usados con hidrógeno
Las propiedades del hidrógeno provocan efectos sobre los materiales donde se produce contacto. Esto se aprecia facilmente con las temperaturas criogénicas que provocan alteraciones en el comportamiento de los distintos materiales.
Existen distintos materiales que funcionan satisfactoriamente en las distintas condiciones de servicio. Estas condiciones pueden variar desde baja presión y baja temperatura hasta alta presión y alta temperatura.
La sección del material dependerá de las condiciones de operación específicas. Esta elección de los materiales deben considerar los siguientes aspectos:
✅ Capacidad de realizar ensayos de calidad y resistencia.
✅ Contracción térmica.
✅ Cambio en las propiedades a temperaturas criogénicas.
✅ Fragilización en frío.
✅ Corrosión y resistencia.
✅ Propiedades óptimas de diseño y funcionamiento.
✅ Compatibilidad con el ambiente de trabajo.
✅ Toxicidad.
✅ Facilidad para su fabricación, montaje e inspección.
✅ Fragilización por hidrógeno.
✅ Disponibilidad del material
✅ Consecuencias del fallo del material.
✅ Capacidad de exposición a las altas temperaturas de un fuego por hidrógeno.
Puntos a verificar en la selección de materiales
Los ingenieros deben verificar los valores de las propiedades que aparecen en los manuales convencionales. La experiencia en desarrollo ha demostrado en numerosas ocasiones, que las condiciones de ensayo son muy variables fundamentalmente en función de la temperatura.
Los materiales empleados deben ser compatibles con el hidrógeno bajo las condiciones de funcionamiento proyectadas (temperatura, presión, vibración) y cumplir con las especificaciones.
Ante la ausencia de garantías que muestren que un material es compatible con el hidrógeno, este no debe ser empleado. Se recomienda la vaidación mediante test, pruebas y análisis.
Las propiedades manejadas en el diseño deben estar basadas en pruebas que simulen las condiciones más desfavorables que se pueden encontrar durante su vida útil.
Ensayos de materiales en presencia de hidrógeno
No sólo se debe tener un especial cuidado con la selección de los materiales sino que además se deben llevar a cabo controles de calidad adecuados. Por ejemplo, los métodos de ensayo a los que someta el material para determinar su compatibilidad con hidrógeno deben incluir la exposición directa al hidrógeno.
Los materiales seleccionados deben pasar pruebas en las que se compruebe su comportamiento frente a los esfuerzos, la presión, la temperatura y la exposición al ambiente.
Se pueden encontrar valores de diseño en ASME BPVC (1995) acerca de las tensiones admisibles para los materiales empleados en depósitos a presión. En NASA 1997 Tabla A5.3 se encuentran las tensiones admisibles para los materiales más representativos de ASMI/ASME B31.3 (1996), las Tablas A5.4 (propiedades elásticas), A5.5 (propiedades mecánicas) y A5.6 (propiedades térmicas) proporcionan valores típicos a temperatura ambiente y a las temperaturas del hidrógeno líquido para los materiales susceptibles de emplearse con hidrógeno líquido.
Daños en materiales debidos al hidrógeno
Los daños en materiales causados por hidrógeno, o fragilización, es la pérdida de resistencia y ductilidad inducida por el hidrógeno que puede derivar en la iniciación o propagación de fracturas mecánicas.
Los daños causados en los materiales debidos al hidrógeno se agrupan en tres categorías. Es posible que se produzca una, dos , o incluso las tres combinadas. Las clases de degradación causada por el hidrógeno son:
✔ Fragilización por hidrógeno ambiental: se produce en ambientes hidrogenados donde hay pérdida de ductilidad o rotura por tensiones.
✔ Fragilización por reacción con el hidrógeno: se trata de una descarburación debida a un ataque generado por hidrógeno.
✔ Fragilización interna reversible.
La solubilidad de hidrógeno en biomateriales
Un artículo técnico publicado en la Revista Internatinal Journal of hydrogen energy comparte los descubrimientos sobre la solubilidad del hidrógeno en cinco bioquímicos de importancia industrial. Estos son: furfural , furano, eugenol, alcohol alílico y alcohol furfurílico .
Los cientificos han empleado inteligencia artificial para calcular la solubilidad del hidrógeno en diferentes biomateriales. Este campo está en desarrollo para avanzar en la cadena de valor del hidrógeno.
En su investigación han empleado técnicas como: la programación de expresión genética, tres redes neuronales artificiales diferentes, y la regresión vectorial de soporte de mínimos cuadrados (LS-SVR). El análisis de clasificación emplea siete criterios estadísticos. El LS-SVR es el modelo más preciso para este propósito. El LS-SVR desarrollado es superior a Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong y las correlaciones basadas en la termodinámica de la teoría de fluidos de asociación estadística de cadena perturbada.
El modelo LS-SVR predice la solubilidad del hidrógeno en los productos bioquímicos considerados con la desviación absoluta relativa del 1,91%, el error cuadrático medio de 6,4 × 10 −7 y el coeficiente de regresión de 0,99924.
Los modelos analizados y las observaciones experimentales coincidieron. El furano tiene la máxima tendencia a absorber moléculas de hidrógeno. Un análisis de simulación pura indica que el furano puede absorber la máxima solubilidad en hidrógeno de 0,11 (fracción molar) a una presión = 14,93 MPa y una temperatura = 402 K.
Avances en la investigación de hidrógeno en biomateriales
- Se propone un modelo LS-SVM preciso para modelar los equilibrios de fase de H 2 / bioquímicos.
- El modelo propuesto tiene mayor precisión que las ecuaciones de estado disponibles.
- La solubilidad del hidrógeno en bioquímica aumenta al aumentar la presión y la temperatura.
- Efecto de la temperatura sobre la H 2 solubilidad en productos bioquímicos es más fuerte que la presión.
- El máximo H 2 solubilidad se logra mediante el furano a P = 14,93 MPa y T = 402 K.
