Estudio numérico sobre el rendimiento de un sistema de ventilación forzada ante una fuga de hidrógeno en una sala subterránea de equipos de hidrógeno

Mantener el hidrógeno seguro en espacios subterráneos

El hidrógeno suele presentarse como un combustible limpio del futuro, pero también es altamente inflamable y muy ligero, lo que lo hace propenso a acumularse bajo los techos si se fuga en interiores. A medida que las ciudades intentan ubicar equipos de hidrógeno y estaciones de repostaje bajo tierra para ahorrar espacio y mejorar la seguridad a nivel de calle, surge una pregunta urgente: ¿cómo evitar que el hidrógeno filtrado se acumule hasta alcanzar niveles explosivos en habitaciones subterráneas cerradas? Este estudio emplea simulaciones informáticas detalladas para explorar qué tan bien diferentes disposiciones de ventiladores y aberturas pueden barrer el hidrógeno fugado de una sala compacta de equipos subterráneos.

¿Por qué trasladar los sistemas de hidrógeno al subsuelo?

Las estaciones de hidrógeno en superficie deben mantenerse separadas de viviendas, escuelas y otros edificios por amplias distancias de seguridad. En ciudades densas, encontrar grandes parcelas abiertas para estas instalaciones es difícil, lo que frena la adopción del transporte impulsado por hidrógeno. Enterrar equipos clave bajo la superficie puede reducir el impacto de una explosión en las estructuras cercanas y facilitar la ubicación de puntos de repostaje. Pero ir bajo tierra elimina las brisas naturales e impone límites estructurales sobre cuántas aberturas se pueden practicar en muros y techos. Los autores se centran en una sala de hormigón de tamaño realista, de apenas unos metros por lado, para ver cómo se dispersaría el hidrógeno si se produjera una fuga y cómo la ventilación forzada podría despejarlo.

Cómo se probaron la fuga y la ventilación en el ordenador

El equipo construyó un modelo tridimensional de una sala subterránea con una boquilla de hidrógeno en el suelo, una pequeña abertura lateral cerca del piso, una entrada principal de mayor tamaño y uno o dos ventiladores extractores a nivel de techo. Con software comercial de flujo de fluidos, simularon el chorro de hidrógeno ascendiendo desde el suelo y mezclándose con el aire inmóvil, y luego siendo extraído cuando se activaban los ventiladores. Nueve casos “qué pasaría si” variaron tres factores principales: cuántos ventiladores funcionaban, si la entrada principal estaba abierta o cerrada y la velocidad de la fuga de hidrógeno. Las simulaciones siguieron cómo cambiaba la concentración de hidrógeno en muchos puntos de la sala y, lo que es importante, cuánto tiempo tardaba el nivel medio en cruzar umbrales de seguridad clave vinculados a la inflamabilidad.

Qué ocurre cuando el hidrógeno se fuga en interiores

En todos los casos de fuga apareció el mismo patrón: el hidrógeno ascendía como un chorro estrecho, alcanzaba el techo y luego se expandía lateralmente formando una capa de gas que gradualmente se espesaba y descendía. Puntos a la misma altura registraron concentraciones similares, mientras que las ubicaciones más altas se volvieron peligrosas primero. A tasas de fuga realistas, grandes partes de la sala alcanzaron un rango claramente inflamable en menos de un minuto, y sin ningún ventilador en funcionamiento, gran parte del espacio superó el 10 por ciento de hidrógeno en cinco minutos. Abrir una ventilación al exterior ofreció cierto alivio natural, pero no fue suficiente para mantener los niveles por debajo del límite inferior de ignición.

Cómo las disposiciones de ventiladores cambian los márgenes de seguridad

Cuando los investigadores activaron la ventilación forzada tras una fuga, los detalles de la colocación de ventiladores y aberturas marcaron una diferencia notable. Si la entrada principal permanecía cerrada, incluso añadir un segundo ventilador extractor solo aceleró modestamente la dilución. En contraste, abrir la entrada principal para permitir la entrada libre de aire fresco redujo el tiempo necesario para que el hidrógeno cerca del techo descendiera por debajo del límite inflamable en aproximadamente un 75 a 90 por ciento. Colocar la entrada y la salida en la misma pared funcionó mejor que ubicarlas en paredes opuestas, porque las configuraciones pobres creaban bolsas estancadas cerca de una protuberancia del techo donde el hidrógeno permanecía. En las mejores configuraciones, la parte superior de la sala descendió por debajo del nivel inflamable en apenas unos segundos; en las peores, podría tardar más de un minuto.

Una herramienta simple de regla empírica

Junto a las simulaciones detalladas, los autores desarrollaron un modelo matemático sencillo que trata la sala entera como si su gas estuviera perfectamente mezclado. Este modelo usa solo el volumen de la sala, la tasa de fuga y las tasas de entrada y salida de los ventiladores para estimar cómo el nivel medio de hidrógeno sube y baja con el tiempo. Cuando la sala simulada se comportó de manera bastante uniforme—sin fuertes bolsas de alta o baja concentración—el modelo simple predijo el tiempo para alcanzar o descender por debajo de los umbrales de inflamabilidad con una precisión de aproximadamente el 7 por ciento. En casos con estratificación marcada o zonas estancadas, su error aumentó hasta alrededor del 15 por ciento, pero aun así proporcionó una primera estimación razonable. Esto hace que el modelo sea útil en las etapas iniciales de diseño, reservando simulaciones detalladas para las comprobaciones finales.

Qué significa esto para las salas subterráneas de hidrógeno

Para quienes diseñan salas de equipos de hidrógeno bajo tierra, el mensaje del estudio es claro: la disposición de las ventilaciones puede importar tanto o más que la potencia de los ventiladores. Garantizar una entrada de aire fresco de tamaño generoso y ubicar esa entrada de forma coordinada con el ventilador extractor—idealmente en la misma pared y orientada para barrer las zonas donde se acumula hidrógeno—puede reducir el tiempo que la sala permanece en un estado inflamable hasta en un 90 por ciento. Los autores muestran que, con una geometría inteligente y flujos de ventilador modestos, las salas subterráneas pueden cumplir objetivos estrictos de seguridad frente al hidrógeno sin practicar aberturas grandes que debiliten estructuralmente muros y techos.

Cita: Shin, HC., Hwang, I. & Seo, H. Numerical study on the performance of a forced ventilation system under hydrogen leakage in an underground hydrogen equipment room. Sci Rep 16, 10782 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43773-5

Palabras clave: seguridad del hidrógeno, repostaje subterráneo, diseño de ventilación, dispersion de fugas de gas, dinámica de fluidos computacional