7 rzeczy, które możesz zrobić, aby zminimalizować ryzyko zapłonu wodoru w wyniku wyładowania elektrostatycznego

Wodór jest gazem bardzo łatwo palnym, a jego mieszanka z powietrzem pali się w bardzo szerokim zakresie stężeń, co czyni go szczególnie niebezpiecznym w kontekście zagrożenia wybuchem lub pożarem. Dodatkowo gaz ten ma bardzo niską masę cząsteczkową, co powoduje, że jest bardziej skłonny do rozprzestrzeniania się w powietrzu niż gazy o wyższej masie cząsteczkowej, takie jak metan, propan czy butan.

Przykłady wybuchów i pożarów wodoru

Oto kilka przykładów wybuchów i pożarów wywołanych zapłonem wodoru:

1. Wybuch cysterny podczas rozładunku wodoru: w fabryce Duferco Farrell podczas rozładunku cysterny należącej do firmy Air Liquid doszło do zapłonu i wybuchu wodoru. W chwili zdarzenia w zbiorniku pojazdu znajdowało się około 23m³. Kierowca cysterny z obrażeniami ciała w tym z poparzeniami drugiego stopnia został zabrany do szpitala. Cysterna całkowicie spłonęła, przez kilka godzin zagrażając zbiornikom magazynowym, w których przechowywane było od 45 do 55 m³ wodoru. [4]
2. Wybuch wodoru podczas rozładunku cysterny: zdarzenie miało miejsce na terenie elektrowni, gdy żółty zbiornik (poniższa grafika – lewa strona) był napełniany wodorem z cysterny (prawa strona). Dochodzenie pokazało, że w wyniku niewłaściwego zadziałania płytki bezpieczeństwa w czasie 10 sekund doszło do uwolnienia około 17kg wodoru, który następnie uległ zapłonowi. Jednym z prawdopodobnych źródeł zapłonu było wyładowanie elektrostatyczne. Eksplozja spowodowała śmierć kierowcy ciężarówki, który zginął, gdy biegł do swojego pojazdu, aby wyłączyć wodór. W zdarzeniu rannych zostało również dziesięciu pracowników elektrowni. W zdarzeniu ucierpiała także infrastruktura zakładu. [5]
3. Eksplozja w fabryce wytwarzającej wodór: wybuch z 7 kwietnia 2020 spowodowała znaczne uszkodzenia okolicznych budynków. Wybuch, który miał miejsce w elektrowni OneH2 Hydrogen Fuel w Long View w Karolinie Północnej, był odczuwalny kilka mil dalej. [6]
4. Wybuch na stacji tankowania wodoru: 10 czerwca 2019 w Norwegii doszło do wybuchu stacji tankowania. Po zdarzeniu firma obsługująca stację zawiesiła działalność także w innych lokalizacjach. Po tym zdarzeniu Toyota i Hyuday wstrzymał sprzedaż aut napędzanych wodorem. [7]

Incydent rozpoczął się, gdy pękła płytka bezpieczeństwa (zaznaczona na czerwono) w jednym ze zbiorników wodoru na terenie elektrowni.

Zadaszenie (zaznaczone na czerwono) nie zostało zaprojektowana do bezpiecznej wentylacji wodoru i umożliwiała gromadzenie się gazu wybuchowego.

Wybuch podczas załadunku i rozładunku wodoru

Podczas załadunku i rozładunku cysterny z wodorem, istnieje ryzyko wystąpienia wyładowań elektrostatycznych, które mogą spowodować iskrzenie i zapłon mieszanki wodoru z powietrzem. Ponadto, podczas przepływu wodoru przez rury i zawory, może wystąpić tarcie pomiędzy cząstkami wodoru i metalowymi powierzchniami, co również może spowodować wyładowanie elektrostatyczne.

Miedzy innymi z tych względów stacje ładowania wodoru powinny być wyposażone w systemy kontroli uziemienia. Co ważne zarówno te urządzenia, jak również pozostałe wyposażenie znajdujące się w strefie zagrożenia wybuchem muszą posiadać certyfikat ATEX dla gazów grupy IIC. Obecnie jedynym systemem kontroli uziemienia z tym certyfikatem jest Earth-Rite RTR.

Wodór – gaz, którego nie wyczujesz

Innym ważnym czynnikiem, który czyni wodór szczególnie niebezpiecznym, jest fakt, że jest on bezbarwny i bezwonny, co utrudnia jego wykrycie w przypadku wycieku lub wypadku. W przypadku wycieku wodoru, może dojść do powstania wybuchowej mieszaniny wodoru z powietrzem, co zwiększa ryzyko wybuchu lub pożaru.

Wodór może przenikać nawet przez grube metalowe ścianki

Jedną z kluczowych cech wodoru, która stanowi wyzwanie dla technologii, jest jego zdolność do przenikania przez fizyczne bariery. Wodorowy atom może zostać związany z powierzchnią materiału (adsorpcja), zarówno fizycznie jak i chemicznie, po czym może wnikać w jego strukturę przez absorpcję. Następnie, poprzez dyfuzję, wodór jest w stanie pokonać nawet grube, metalowe osłony i przedostać się na zewnątrz zbiorników [1].

Wodór bardziej niebezpieczny niż inne gazy

Wszystkie te czynniki sprawiają, że wodór jest bardziej niebezpieczny w kontekście zagrożenia wybuchem lub pożarem podczas załadunku i rozładunku cysterny, niż metan, propan, butan czy dziesiątki innych gazów. Dlatego tak ważne jest stosowanie odpowiednich procedur oraz środków bezpieczeństwa, takich jak systemy kontroli uziemienia czy detekcja wycieku, aby minimalizować ryzyko wystąpienia niebezpiecznych sytuacji.

Wodór stwarza 4 krotnie wyższe ryzyko wybuchu lub pożaru niż gaz ziemny

Firma SGN – dystrybutor gazu ziemnego na Wyspach Brytyjskich – realizuje aktualnie projekt H100 Fife, którego celem jest wprowadzenie wodoru do użytku komercyjnego w domach. W ramach projektu prowadzone są badania w zakresie bezpieczeństwa tego paliwa pod kątem zagrożenia wybuchem i pożarem. Firma odmówiłem jednak przedstawianie wyników swoich badań, zdjęć oraz nagrań wideo z testów zasłaniając się dobrem projektu.

Tak SGN uzasadnił swoją decyzję: uważamy, że przedwczesne ujawnienie jakichkolwiek informacji lub raportów mogłoby niepotrzebnie zaszkodzić finansowaniu i rentowności projektu, a także jego celowi, którym jest zbadanie niskoemisyjnych alternatyw grzewczych dla gazu ziemnego. [2]

Jednocześnie SGN w jednej ze swoich analiz wskazuje, że wodór jest do czterech razy bardziej podatny na zapłon, bardziej podatny na wycieki oraz bardziej wybuchowy niż gaz ziemny. [3]

Najsłynniejszy wybuch wodoru w historii

W 1937 roku sterowiec “Heidelberg” wyruszył w rejs po Europie. Podczas lotu nad miastem Manchester, w Anglii na pokładzie sterowca nastąpił wybuch, który szybko rozprzestrzenił się na całą konstrukcję. W wyniku wybuchu i pożaru zginęło 36 osób, w tym 13 pasażerów i 23 członków załogi. Na pokładzie znajdowało się wiele cennych dóbr, w tym obrazy i zabytki kultury niemieckiej.

Po przeprowadzeniu eksperymentów ustalono, że najprawdopodobniej przyczyną katastrofy był efekt elektryczności statycznej. Sterowiec Hindenburg miał imponujące wymiary: długość 245 metrów i średnicę 41 metrów. Wewnątrz znajdowało się 16 zbiorników, które łącznie zawierały aż 200 tysięcy metrów sześciennych wodoru.

Jak ograniczyć ryzyko wybuchu i pożaru wodoru

Aby zminimalizować ryzyko zapłonu wodoru spowodowanego wyładowaniem elektrostatycznym, można podjąć następujące kroki:

1. Uziemienia elektrostatyczne: Zapewnij, że wszystkie zbiorniki, rurociągi i urządzenia związane z magazynowaniem, transportem i przeładunkiem wodoru są uziemione, aby uniknąć nagromadzenia ładunków elektrostatycznych.
2. Detekcja: wodór może ulatniać się przez najmniejsze nieszczelności a nawet dyfundować przez metalowe ścianki zbiorników. Z tych względów ważne jest aby monitorować jego obecność.
3. Kontrola wilgotności: Monitoruj i kontroluj poziom wilgotności w miejscach, w których magazynujesz lub przetwarzasz wodór. Wysoka wilgotność powietrza może pomóc w rozpraszaniu ładunków elektrostatycznych.
4. Kontrola temperatury: Zapewnij, że temperatura w pobliżu procesów związanych z wodorem jest kontrolowana, ponieważ wysoka temperatura może zwiększać ryzyko wyładowań elektrostatycznych.
5. Eliminacja źródeł: Unikaj stosowania materiałów, które mogą tworzyć ładunki elektrostatyczne, takich jak tworzywa sztuczne i tkaniny syntetyczne.
6. Użyj odpowiednich materiałów: Zastosuj materiały uziemiające i przewodzące, które pomogą w rozpraszaniu ładunków elektrostatycznych.
7. Przeszkolenie personelu: Zapewnij, że personel, który zajmuje się procesami związanymi z wodorem, jest przeszkolony w zakresie bezpiecznego postępowania z ładunkami elektrostatycznymi i zna odpowiednie procedury bezpieczeństwa.
8. Monitorowanie i testowanie: Regularnie monitoruj i testuj procesy związane z wodorem, aby wykryć ewentualne wycieki lub nagromadzenie ładunków elektrostatycznych i podjąć odpowiednie środki ostrożności.

Podsumowując, kluczowe jest zapewnienie odpowiednich procedur bezpieczeństwa i wykonywanie regularnych kontroli, aby uniknąć ryzyka zapłonu wodoru spowodowanego wyładowaniem elektrostatycznym.

Źródła:

[1] Nowe materiały do magazynowania wodoru oparte na skandzie, itrze i glinie: synteza i właściwości fizykochemiczne, Agnieszka Starobrat, Praca doktorska realizowana w ramach MISDoMP w latach 2015–2020 pod kierunkiem: prof. dr hab. Wojciecha Grochali w Laboratorium Technologii Nowych Materiałów Funkcjonalnych, CeNT UW oraz prof. dr hab. Jacka A. Majewskiego w Instytucie Fizyki Teoretycznej Wydziału Fizyki UW

[2] https://theferret.scot/hydrogen-trial-explosion-testing-results/

[3] H100 Hydrogen Characterisation Final Report, Report Number 0431389-02, 14 maja 2019

[4] https://www.manufacturing.net/operations/news/13080056/driver-injured-after-hydrogen-tanker-explodes

[5] https://wha-international.com/case-study-power-plant-hydrogen-explosion/

[6] https://www.hazardexonthenet.net/article/177803/Explosion-at-hydrogen-fuel-plant-inUS-damages-around-60-buildings.aspx

[7] https://electrek.co/2019/06/11/hydrogen-station-explodes-toyota-halts-sales-fuel-cell-cars/