Autor: Ph.D. Yolanda Reyes, 28 octubre 2023
Introducción
El hidrógeno presenta excelentes propiedades como vector energético y se prevé ampliamente como el combustible del futuro. Uno de los retos clave en el avance hacia una economía basada en este recurso es encontrar soluciones eficaces para el transporte y el almacenamiento de hidrógeno, debido a la corrosión, específicamente por la difusión de este compuesto en su forma atómica hacia la superficie interna del acero.
Uno de los desafíos clave en el avance hacia una economía basada en el hidrógeno es encontrar soluciones eficaces para el transporte y el almacenamiento de hidrógeno, dado que la corrosión representa una preocupación significativa en este proceso
En este artículo, se analiza una evaluación actualizada de los progresos alcanzados en la creación de materiales resistentes a la corrosión causada por la difusión del hidrógeno, especialmente durante el transporte y el almacenamiento de este gas.
El transporte y el almacenamiento de este elemento químico desempeñan un papel fundamental en el desarrollo y la viabilidad de la economía basada en el hidrógeno. La logística relacionada con este elemento conlleva la creación de una infraestructura de transporte que sea tanto segura como costeable, lo que involucra la instalación de redes de tuberías para gas, gasoductos y medios de transporte que permiten su distribución en estado líquido, que a su vez, garantice su disponibilidad y accesibilidad.
El problema para el transporte y almacenamiento de hidrógeno
En un mundo donde la energía constituye uno de los problemas críticos, el hidrógeno surge como una solución. No obstante, la utilización de este recurso como vehículo para la energía plantea desafíos particulares, y uno de los más notorios es su impacto negativo en los metales, conocido como “fragilización por este fenómeno” (FPH)1.
Este deterioro de las propiedades mecánicas, que desencadena la aparición de grietas, representa una amenaza significativa para el transporte y la conservación de esta sustancia y, por ende, para su empleo en condiciones de seguridad óptimas.
Otro problema que puede surgir es el agrietamiento inducido por hidrógeno (HIC, Hydrogen Induced Cracking)2 , ver figura 1, resulta de la acción combinada de un esfuerzo de tensión y el hidrógeno en el metal. Este elemento, producido en la superficie del metal por una reacción química de reducción, difunde en el metal y causar agrietamiento por el medio.
Las aleaciones que presentan una alta resistencia, como aquellas con una resistencia a la tensión igual o superior a 1,034 MPa (150,000 psi), son más susceptibles a este tipo de fractura en comparación con las aleaciones de menor resistencia.
Cuando el hidrógeno atómico entra en contacto con el acero, es absorbido por la estructura cristalina y difunde a través de las inclusiones del acero, y allí reacciona para formar moléculas de H2 gaseoso. Este proceso genera un aumento en la presión dentro del acero debido al hidrógeno molecular generado; y como resultado, se forman pequeñas grietas en el interior; las cuales, pueden pasar desapercibidas ocasionando daños internos al material.
Estas diminutas grietas presentan una morfología alargada que tiende a orientarse en la dirección de laminación del acero3 (Figura 2). A medida que se generan nuevas grietas y las existentes continúan su crecimiento, estas fisuras pueden eventualmente interconectarse. Este proceso de formación y expansión de las grietas daña progresivamente el acero, lo que ocaciona la fractura del material incluso bajo cargas que están por debajo de su capacidad de diseño original.
El impacto del hidrógeno en el acero es un fenómeno interno que, a lo largo del tiempo, puede comprometer la integridad estructural del material. Resultando en daños internos que, debilitan la resistencia del acero y pueden poner en riesgo la seguridad de las estructuras y componentes construidos con este material.
En este contexto, los tanques para el almacenamiento y las tuberías para el trasporte tienen que estar especialmente preparados para resistir altas presiones, tensiones y esfuerzos, aunado a la permeabilidad del de este compuesto que afecta las propiedades mecánicas del acero. Y representan un grave problema para el uso como un vector energético.
La solución
Cuando se considera el transporte y almacenamiento de hidrógeno como un potencial energético, la fracturación del metal por el proceso de corrosión antes mencionado se convierte en un problema. Los tanques de almacenamiento, tuberías y válvulas utilizados en estas aplicaciones están frecuentemente fabricados con acero. Debido a que esta sustancia es una opción prometedora en la búsqueda de fuentes de energía más limpias y sostenibles, es necesario abordar este problema de fragilización de forma efectiva.
A continuación, se presentan algunas nuevas innovaciones tecnológicas en desarrollo para el control de la corrosión por difusión del hidrógeno atómico en el metal.
Materiales compuestos y aleaciones de acero al carbono.
En este contexto, actualmente, para el transporte de hidrógeno se utilizan principalmente materiales fabricados a partir de materiales compuestos de fibra de carbono, y aceros, tanto al carbono como inoxidables, dependiendo de las condiciones específicas de este gas, como su temperatura, presión, humedad e impurezas.
Es ampliamente conocido que ciertos tipos de aceros, cuando están en contacto con este compuesto, pueden sufrir fragilización por hidrógeno, lo que ocasiona una pérdida de sus propiedades mecánicas, ocasionando fallas del material por grietas. Para mitigar este problema, actualmente se aplican diversas estrategias, que principalmente incluyen el sobredimensionamiento de los componentes y la aplicación de revestimientos superficiales para retardar la absorción del H2 en el acero.
Por lo tanto, en el diseño de infraestructuras relacionadas con el H2, es importante tener en cuenta la composición del acero inoxidable. Incrementar la proporción de cromo y níquel en la aleación puede ser efectivo para prevenir la fragilización inducida por el hidrógeno, lo que a su vez mejora la ductilidad y la resistencia a la corrosión.
La normativa de la Sociedad Americana de Ensayos y Materiales (ASTM, por sus siglas en inglés) establece un requisito mínimo de un 10% de níquel en la composición del acero inoxidable 316, aunque para satisfacer las demandas específicas del hidrógeno, se considera más apropiado el empleo de acero inoxidable 316 de mayor calidad, con un contenido mínimo de un 12% de níquel. En este sentido, los productos de acero inoxidable de Swagelok cumplen con esta especificación al garantizar un contenido mínimo de un 12% de níquel.
Estructuras metálicas híbridas
Se trata del proyecto H2MAT4 dirigido por la Universidad Mondragon Unibertsitatea, el cual tiene como propósito el desarrollo de los materiales del futuro destinados al transporte de hidrógeno. La investigación consiste en buscar soluciones en el campo de los materiales protectores contra la corrosión utilizados en el transporte y almacenamiento de este compuesto como fuente de energía.
El enfoque principal del proyecto se concentra en la síntesis, producción y evaluación de estructuras multicapa como una alternativa de solución para la fragilización por H2, pérdida de ductilidad y aceleración, fatiga en conductos, con el fin de reemplazar al acero inoxidable actualmente empleado en las aplicaciones de transporte de hidrógeno.
Las estructuras metálicas híbridas son componentes que combinan diferentes tipos de materiales y aleaciones, aprovechando las ventajas de cada uno para cumplir con requisitos específicos de resistencia, durabilidad y peso, están constituidas por múltiples capas de materiales metálicos, composites o recubrimientos, diseñadas de forma que cada capa cumpla un papel específico en la protección contra la corrosión, la resistencia mecánica y la permeabilidad al hidrógeno.
Por ejemplo, podrían incluir capas exteriores altamente resistentes a la corrosión, capas intermedias que proporcionen rigidez y refuerzo estructural, y capas internas que eviten la penetración del hidrógeno y minimicen la fragilización. La combinación de estas capas permite crear estructuras que superan las limitaciones de los materiales convencionales y garantizan un rendimiento óptimo.
Nanocompuestos para proteger las tuberías al transportar H2
El desarrollado de estos compuestos químicos denominados nanocompuestos5 surge como un recurso que se puede aplicar a las paredes interiores de las tuberías para que sean seguras para el transporte y almacenamiento de hidrógeno.
El proceso de tratamiento de superficie actúa como una barrera pasivante en las paredes interiores de las tuberías. Esta barrera actúa como un escudo protector que impide que las moléculas de H2 penetren en el material de la tubería, controlando la difusión de átomos de hidrógeno (H) hacia la superficie interna del metal, evitando la “fragilización por hidrógeno”. El cual, es uno de los principales problemas que afectan la integridad de las tuberías. La aplicación de nanocompuestos elimina este riesgo y garantiza la durabilidad y la seguridad de la infraestructura
El nanocompuesto avanzado elimina los costos asociados con la fabricación e instalación de nuevas tuberías específicas para hidrógeno al permitir el uso de redes de tuberías ya existentes.
Se puede aplicar in situ a las tuberías existentes, desbloqueando la capacidad de millones de millas de infraestructura para transportar de manera segura. La aplicación de estos compuestos elimina los costos masivos de la nueva infraestructura de H2, conectando el mundo con este gas limpio a través de líneas que ya están en uso.
Finalmente, a medida que este elemento químico se consolida como una fuente de energía clave en la transición hacia un futuro más sostenible, es importante considerar el desarrollo de materiales resistentes a la corrosión como un pilar fundamental en la búsqueda de soluciones seguras y eficientes para el transporte y almacenamiento del hidrógeno.
Los avances en la ciencia de materiales abren un camino prometedor, en la optimización de aleaciones, la aplicación de recubrimientos innovadores y la exploración de nanocompuestos representan soluciones tecnológicas que superan los retos inherentes a la fragilización por hidrógeno y a la corrosión. En última instancia, este progreso no solo garantiza la seguridad y la confiabilidad de las infraestructuras de hidrógeno, sino que también contribuye al avance de la transición energética que está transformando el mundo.
Conclusiones
El transporte de hidrógeno como fuente de energía presenta un conjunto único de desafíos, relacionados con problemas de corrosión, específicamente la fragilización por hidrógeno; por lo cual, es fundamental la compresión y gestión de este tipo de daño estructural para asegurar la durabilidad y la confiabilidad de las aplicaciones del acero en el ámbito de este gas como fuente de energía.
A medida que avanzamos hacia un futuro más sostenible, la solución de estos problemas es importante para garantizar la seguridad y la eficiencia de estas tecnologías en el futuro. La combinación de materiales adecuados y estrategias de mitigación eficaces es fundamental para superar estos obstáculos y aprovechar todo su potencial como una fuente de energía limpia y renovable.
Referencias bibliográficas
- “Fragilidad por hidrógeno”. Metalurgia para ingenieros. 18-12-2020.
- NACE; Curso de Corrosión Básica, “Formas de Corrosión: Reconocimiento, Mecanismos y Control”. NACE International; 01/15/04, Pág. 5:45.
- Herbert H. Uhlig, R. Winston Revie; “Corrosion and corrosion control” Cuarta edición.
- Proyecto H2MAT; “Los materiales del futuro para el transporte del hidrógeno”; Universidad MONDRAGON UNIBERTSITATEA” https://www.mondragon.edu/es/-/proyecto-h2mat-desarrollara-materiales-futuro-transportaran-hidrogeno. Consultado el 20 octubre 2023.
- Taha-Tijerina, Jaim; “Efecto sinérgico de nanorecubrimientos para la protección contra la corrosión y el desgaste de superficies de acero”. Ing. invest. y tecnol. [online]. 2019, vol.20, n.4, 00004.
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