Hidrógeno, el reto de medir lo invisible

La producción y transporte de hidrógeno en Europa continúa su expansión, si bien no al ritmo deseado y previsto. Su papel en una nueva economía eléctrica y sostenible permanece todavía siendo una incógnita. Tanto la propia generación como el almacenamiento y transporte de este gas en condiciones extremas plantea ciertos retos técnicos donde la instrumentación y el análisis juegan un papel decisivo para garantizar seguridad, eficiencia y fiabilidad. ¿Cómo están respondiendo los fabricantes a estos retos? En el siguiente artículo, conversamos con diferentes actores para conocer sus soluciones y descubrir cómo estas tecnologías están marcando el camino hacia un futuro energético más verde y sostenible.

PREGUNTAS

1. De forma muy resumida, ¿cuáles son los principales desafíos técnicos que plantea la molécula de hidrógeno en su producción, almacenamiento y transporte?

2. ¿Cuáles son los principales retos de la instrumentación para la medida de presión, nivel, caudal y temperatura para hidrógeno?

3. ¿Qué tecnologías analíticas se están utilizando para garantizar la pureza del hidrógeno y controlar contaminantes en aplicaciones como las pilas de combustible?

4. ¿Cuáles son las tendencias más relevantes en instrumentación y análisis para aplicaciones con hidrógeno en los próximos años?

5. ¿Qué inversiones o desarrollos están priorizando desde su compañía para posicionarse en este mercado todavía emergente y en desarrollo?

1. La molécula de hidrógeno presenta varios desafíos técnicos a lo largo de su ciclo energético: su producción suele requerir grandes cantidades de energía y, en el caso del hidrógeno verde, una electrólisis aún costosa y con necesidades elevadas de agua ultrapura; su almacenamiento es complejo porque el H₂ tiene muy baja densidad volumétrica, lo que obliga a comprimirlo a presiones muy altas, licuarlo a temperaturas criogénicas extremas o utilizar materiales específicos para absorberlo, cada opción con pérdidas energéticas y costes asociados. Además, su pequeño tamaño molecular facilita fugas y fragiliza materiales metálicos, complicando tanto los sistemas de contención como las tuberías. En el transporte, estas limitaciones se combinan con requerimientos de infraestructura especializada (cisternas presurizadas, tanques criogénicos o conversión a derivados como amoníaco o metanol), lo que encarece y dificulta su distribución a gran escala.

2. La medida de presión en hidrógeno presenta retos asociados a su extrema difusividad y a la fragilización metálica: el H₂ penetra en diafragmas y elementos sensores, debilitándolos y provocando deriva o fallos prematuros. Además, las aplicaciones suelen requerir rangos muy elevados —hasta 700 bar en movilidad— que exigen materiales especiales, sellos completamente herméticos y diseños que minimicen la permeación molecular (recubrimiento de oro, por ejemplo).
 

La medida de nivel se complica especialmente en hidrógeno líquido, donde la temperatura criogénica de –253 °C altera las características mecánicas y eléctricas de muchos sensores. La baja densidad del LH₂ dificulta el uso de métodos hidrostáticos o de flotación y el fenómeno de boil off genera burbujeo y superficies inestables, lo que obliga a recurrir a tecnologías capacitivas, radar o criogénicas específicamente calibradas.

En la medida de caudal, el hidrógeno plantea desafíos por su baja viscosidad y densidad, que reducen la sensibilidad de tecnologías másicas como Coriolis y complican la estabilidad de caudalímetros térmicos. La elevada difusividad incrementa el riesgo de fugas en uniones y cuerpos sensores, y la fuerte dependencia de la densidad respecto a presión y temperatura obliga a una compensación precisa para asegurar exactitud en el caudal másico.
 

La medida de temperatura debe operar desde condiciones ambientales hasta el rango criogénico, donde muchos materiales se fragilizan o pierden linealidad. En el caso del LH₂, los gradientes térmicos pueden ser muy rápidos, lo que exige sensores de respuesta inmediata y cables y aislamientos compatibles con contracciones extremas. Además, cualquier defecto en sellos o penetraciones puede generar fugas, por lo que la integridad mecánica es tan crítica como la precisión.

El hidrógeno presenta retos de seguridad adicionales cuando se libera o se incendia. Sus llamas emiten muy poca luz visible, lo que dificulta su detección visual y aumenta el riesgo de incendios no identificados.

Para mitigar este riesgo, se emplean detectores ultrasónicos que identifican las fugas de gas presurizado mediante su firma acústica, permitiendo una detección temprana independientemente de la dispersión del gas o las condiciones de ventilación.
 

Si se produce una ignición, los detectores de llama por infrarrojo multiespectral, ya utilizados en electrolizadores, permiten una detección rápida y fiable al captar las emisiones características de las llamas de hidrógeno, invisibles al ojo humano. Esto contribuye a una estrategia de seguridad por capas y a una respuesta más rápida en entornos de hidrógeno. 

3. La pureza del hidrógeno se evalúa habitualmente mediante la monitorización de los posibles gases residuales presentes en el producto final. La naturaleza de estas impurezas depende principalmente del método de producción empleado.
 

El procedimiento más extendido es el reformado de gas natural con vapor (SMR). En este caso, el hidrógeno obtenido puede contener trazas de monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano y, en menor medida, vapor de agua y nitrógeno.

Cuando la producción se realiza mediante electrólisis del agua, las impurezas potenciales son principalmente vapor de agua —si el secado no es adecuado— y oxígeno —si existen microfugas en las membranas del electrolizador—. Adicionalmente, pueden aparecer otros compuestos no deseados si el agua utilizada no está perfectamente desionizada.

Otros métodos de producción, como la gasificación de biomasa o carbón, pueden introducir impurezas adicionales. Entre ellas se incluyen compuestos de azufre (especialmente en la gasificación de carbón), amoniaco (procedente del nitrógeno presente en la biomasa o en los fertilizantes) y ciertos hidrocarburos ligeros derivados de una combustión incompleta.

En cuanto a los métodos analíticos empleados para medir estas impurezas: 

• CO, CO₂, CH₄ y NH₃: se utilizan técnicas de fotometría infrarroja no dispersiva (NDIR) y métodos láser, altamente selectivos y de elevada precisión.
• H₂O: puede analizarse mediante técnicas láser, sensores de óxido metálico, celdas electrolíticas, métodos piezoeléctricos o espectroscopía en laboratorio.
• O₂: se mide mediante células electroquímicas, detectores paramagnéticos o técnicas láser; otros métodos pueden emplear sensores cerámicos específicos.
• Hidrocarburos: se determinan mediante detectores de ionización de llama o mediante cromatografía equipada con detectores de conductividad térmica.

Cuando el objetivo es cuantificar el contenido de hidrógeno en una mezcla de varios gases, como ocurre en aplicaciones de blending, los métodos basados en fotometría IR/UV o láser no son adecuados, ya que el hidrógeno no presenta absorción en dichas bandas. Sin embargo, su alta conductividad térmica en comparación con otros gases permite una detección eficiente mediante detectores de conductividad térmica (TCD), utilizados tanto en analizadores en continuo como en cromatografía. Existen también tecnologías basadas en sensores de estado sólido, que ofrecen medición directa con una necesidad mínima de mantenimiento.
 

4. Las principales tendencias en instrumentación y análisis para aplicaciones con hidrógeno se orientan a desarrollar equipos capaces de resistir la fragilización y permeación propias del gas, operar con fiabilidad en condiciones extremas de presión y temperatura y reforzar la detección temprana de fugas para garantizar la seguridad industrial. Paralelamente, se observa una expansión del uso de tecnologías de medición no invasivas —especialmente soluciones ultrasónicas tipo clamp on— que permiten medir caudal sin interrumpir el proceso y facilitan el mantenimiento en sistemas de transporte y mezclas de gases. En este contexto, también gana terreno la monitorización térmica externa para aplicaciones donde el contacto directo con el proceso no es viable, lo que encaja con la tendencia general hacia soluciones de campo más limpias y seguras. Todo ello se complementa con una fuerte digitalización: integración de IoT, monitorización en tiempo real y análisis predictivo para optimizar rendimiento, disponibilidad y mantenimiento en instalaciones de hidrógeno de nueva generación.

5. Para posicionarnos en un mercado del hidrógeno todavía emergente y en evolución, estamos priorizando inversiones en tecnologías de medición certificadas metrológicamente y en capacidades avanzadas de análisis que aseguren la exactitud, trazabilidad y fiabilidad necesarias en operaciones de transferencia de custodia. Sabemos que cada movimiento de hidrógeno dentro de la cadena de valor —desde la producción hasta el almacenamiento, transporte y distribución— implica transacciones sensibles donde la precisión fiscal, la validación de pureza y el cumplimiento normativo son esenciales. Por ello, estamos desarrollando y reforzando soluciones basadas tanto en caudalímetros Coriolis como en caudalímetros Ultrasónicos de alta exactitud, complementadas con instrumentación de presión, temperatura y análisis de gas capaces de operar en amplios rangos de caudal, presiones elevadas y condiciones criogénicas asociadas al hidrógeno líquido.

En cuanto a la parte analítica y las aplicaciones relacionadas con el hidrógeno, buscamos desarrollar una solución integral capaz de medir las principales impurezas con un único analizador, basada en una plataforma innovadora que combina diferentes tecnologías para ofrecer mayor flexibilidad y eficiencia.
 

En conjunto, estas inversiones buscan proporcionar a compradores y vendedores de hidrógeno mediciones fiables, en tiempo real y plenamente trazables que faciliten el desarrollo de un mercado del hidrógeno sólido, transparente y escalable.
 

1. En cuanto a los principales desafíos técnicos, destacaría en primer lugar la baja densidad y comportamiento termodinámico: el hidrógeno es el gas más ligero, con una densidad extremadamente baja, lo que dificulta obtener mediciones volumétricas precisas y estables. La sensibilidad a variaciones de presión y temperatura complica su manipulación en procesos de alta dinámica y hace necesario recurrir a tecnologías de medición másica con compensación avanzada.

Por otra parte, la difusión atómica y fragilización de materiales. En este sentido, el hidrógeno puede penetrar metales, membranas y elastómeros, generando fragilización y desviaciones en sensores de presión, especialmente en dispositivos con celdas metálicas llenas de aceite. Para mitigar estos efectos se emplean:

• Membranas con recubrimiento de oro.
• Celdas cerámicas impermeables al hidrógeno.
• Materiales optimizados contra fragilización (debilitamiento)
   

En tercer lugar, hay que tener en cuenta el almacenamiento a alta presión y criogenia. Los modos de almacenamiento presentan retos específicos. En este sentido, destacamos: 

• Gas comprimido (200–700 bar): exige sensores con certificación para hidrógeno, resistencia mecánica elevada y estabilidad a largo plazo.
• Líquido criogénico (≈ –253 °C): requiere tecnologías capaces de operar bajo condiciones térmicas extremas, como sondas capacitivas o servo niveles diseñados para aplicaciones criogénicas.
   

Por último, también es importante el transporte e inyección en redes energéticas: la inyección de hidrógeno en redes de gas natural genera variaciones rápidas en la composición del gas y riesgos de inestabilidad de combustión (flashback). Se requiere análisis composicional en tiempo real para garantizar mezclas seguras y evitar daños en turbinas y calderas.

2. En este sentido, debemos valorar la medición de presión. La presión del hidrógeno puede oscilar desde milibares (reformado) hasta cientos de bar (almacenamiento). Los retos incluyen:

• Difusión del hidrógeno en membranas metálicas.
• Necesidad de estabilidad y repetibilidad a largo plazo.
• Requisitos SIL/Ex en aplicaciones críticas.

Como soluciones habituales contamos con transmisores con membranas recubiertas en oro, células cerámicas, autodiagnóstico y verificación digital integrada.

Por otra parte, y respecto a la medición de nivel, en hidrógeno gaseoso no se mide nivel directamente por su baja densidad, se supervisa la presión interna del tanque. Y en hidrógeno líquido se utilizan tecnologías capaces de soportar criogenia, como:

• Sondas capacitivas de alta resistencia térmica.
• Sistemas servo de precisión para tanques de H₂.

Nos detenemos también en la medición de caudal. Dado que la densidad del hidrógeno es extremadamente baja, la medición másica es la más adecuada:

• Caudalímetros másicos Coriolis: máxima precisión en la medida de caudal másico, densidad y temperatura (opcionalmente con aprobación Custody Transfer)
• Caudalímetro por ultrasonidos (en línea); medida del caudal volumétrico de hidrógeno (opcionalmente con aprobación Custody Transfer)
• Caudalímetros Vortex: aplicable para gases auxiliares (O₂) y vapor en procesos de electrólisis.

Finalmente, en cuanto a medición de temperatura, esta es crítica en procesos de electrólisis, compresión y almacenamiento. Y se emplean sensores con:

• Alta estabilidad.
• Respuesta rápida.
• Materiales resistentes a hidrógeno.
   

3. La calidad del hidrógeno define su viabilidad en pilas de combustible, turbinas, industria química y redes energéticas. Las tecnologías más relevantes son:

TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy): permite medir humedad en niveles traza (ppm). Es esencial para validar la pureza del hidrógeno en etapas de secado y purificación. Entre sus ventajas destacamos la espuesta en segundos, así como una alta precisión sin necesidad de calibraciones frecuentes.

Análisis óptico de oxígeno: los analizadores ópticos detectan trazas de O₂ en ppm, proporcionando alta estabilidad, ausencia de componentes móviles y mantenimiento reducido. Son críticos para certificar la pureza ISO 14687.

Raman para análisis composicional en tiempo real, que permite determinar la composición completa del gas (H₂, CH₄, NH₃, CO₂…), detectar rápidamente variaciones en blending y operar sin acondicionamiento complejo ni gases portadores.
 

Es la tecnología más robusta en aplicaciones donde la composición del gas cambia rápidamente (turbinas, reformado, SMR, redes de gas).

4. En cuanto a tendencias, podemos destacar la digitalización, verificación y autodiagnóstico. En este sentido, la nueva generación de instrumentación incorpora diagnósticos inteligentes, verificación automática sin proceso de parada y análisis predictivo mediante plataformas IoT industriales.
 

Otra tendencia radica en los equipos diseñados específicamente para hidrógeno. La tendencia es clara hacia:

• Sensores resistentes a difusión.
• Analítica óptica integrada en tiempo real.
• Equipos compatibles con mezclas variables sin recalibración.

En tercer lugar, la electrólisis verde a gran escala. Aquí hay que destacar que la instrumentación se adapta a las necesidades de grandes plantas:

• Medición de conductividad ultrapura (<0,1 μS/cm).
• Control preciso de presión, nivel, temperatura y caudal en celdas.
• Validación de pureza en H₂ producido.

Por último, seguridad funcional y certificaciones avanzadas: los procesos con hidrógeno suelen requerir SIL 1/SIL 2 y normas específicas para atmósferas con hidrógeno (Grupo IIB+H₂). Los sensores modernos incluyen funciones de prueba automática y supervisión continua.

5. Los fabricantes líderes están invirtiendo en tecnologías ópticas avanzadas, como desarrollo de plataformas TDLAS, QF y Raman con capacidades ampliadas y mayor precisión en niveles traza.

5.2 Materiales y diseño resistentes al hidrógeno; como el uso de recubrimientos de oro, celdas cerámicas y bancos de prueba dedicados para validar equipos directamente en hidrógeno puro; instrumentación para electrólisis a gran escala, como la optimización del control del proceso mediante medición avanzada de agua, gases y condiciones de operación; soluciones para criogenia y LH₂, como el desarrollo de sondas de nivel, sensores de presión y dispositivos de seguridad compatibles con temperaturas extremadamente bajas; así como la integración digital y gestión del ciclo de vida, como plataformas de gestión de activos, mantenimiento predictivo y verificación metrológica automática para entornos regulados.

1. Los retos que plantea la molécula de hidrógeno son múltiples, y están presentes en cada una de sus fases que indicas. Durante la fase la producción, la corrosión de líquidos alcalinos como la potasa o los requerimientos técnicos del agua desmineralizada son condicionantes que no se pueden obviar. En el almacenamiento y el transporte, la permeación de la molécula de hidrógeno supone un reto mayúsculo. Los transmisores de presión deben ser, preferiblemente, secos sin aceite, o con plaqueado de oro. Las celda CERTEC, desarrollada por VEGA, y la DMS se pueden estandarizar para la producción, almacenamiento y transporte, lo que permite ajustar el CAPEX y el OPEX.

2. Para VEGA, el reto principal que plantea el hidrógeno se encuentra en la medida de presión. VEGA tiene una vasta experiencia en la medida de nivel en electrolizadores, ofreciendo una medida probada, muy fiable y con un bajo mantenimiento. En cambio, la presión presenta un gran reto debido a la permeación de la molécula de hidrógeno a través de las membranas metálicas de los sellos separadores. Aquí es donde VEGA ofrece a sus clientes dos soluciones que aseguran el éxito: la membrana cerámica CERTEC, que VEGA fabrica desde 1998, y la membrana DMS que permite la medición de presiones hasta 1000 bar. Con estas dos membranas, ambas secas – sin aceite, VEGA cubre todas las aplicaciones de sus clientes, no solo con nuestra gama PRO (VEGABAR 80), sino también en la gama BASIC (VEGABAR 20 y 30).
 

4. Desde nuestro punto de vista, la tendencia es clara, y coincide con nuestra filosofía de estos últimos años: equipos que sean tecnológicamente punteros, seguros, fiables bajo todo tipo de condiciones (cambios de temperatura, presión o densidad) y con un coste de adquisición y mantenimiento ajustado. Conceptos relacionados con la seguridad como ciberseguridad, SIL, ATEX son cada vez más habituales y herramientas como el Bluetooth, junto con nuestra app VEGA Tools, permiten a nuestros clientes configurar o revisar cualquier equipo en cualquier momento, solo con la ayuda de su dispositivo móvil.
 

5. Actualmente, VEGA está construyendo una nueva fábrica en Alemania y ha construido otras en ubicaciones de Asia y América. Nuestro objetivo es estar al lado de nuestros clientes, para ofrecerles el mejor producto y el mejor servicio. Este año, además, lanzaremos al mercado nuevos productos relacionados con el hidrógeno y que están en línea con lo mencionado anteriormente: seguridad, fiabilidad y facilidad de manejo.

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Este artículo aparece publicado en el nº 567 de Automática e Instrumentación págs 54 a 59.