Wodór, zwany „paliwem przyszłości”, wymaga specjalnych zabezpieczeń podczas magazynowania, transportu oraz spalania. Zarówno dostawcy, jak i ubezpieczyciele najczęściej zdają sobie sprawę z tego, że instalacje wodorowe muszą być zabezpieczone przed zapłonem i wybuchem spowodowanym wyładowaniem elektrostatycznym. Jednak czy inteligentna kontrola ciągłości uziemienia z blokadą załadunku to zbytek czy raczej konieczność?
Wodór stwarza czterokrotnie wyższe ryzyko wybuchu lub pożaru niż inne paliwa, jak choćby gaz ziemny. Wystarczy zwykłe wyładowanie elektrostatyczne, żeby doszło do wybuchu i pożaru! Historia zna już takie przypadki. Najbardziej znany to przedwojenny wypadek sterowca Hindenburg. Maszyna spłonęła 6 maja 1937 roku podczas cumowania na lotnisku w Lakehurst w stanie New Jersey. Przyczyna? Wyciek wodoru i wyładowanie elektrostatyczne.
Obecnie użycie w procesach spalania wodoru w zastępstwie paliw kopalnych stało się kierunkiem globalnej polityki związanej z ochroną klimatu. Zasadniczo przyczyna jest jedna: produktem spalania wodoru jest czysta woda! Ale gospodarka wodorowa ma także swoją ciemną stronę. Sto lat po katastrofie Hindenburga nadal nie jesteśmy w stanie całkowicie wyeliminować zagrożenia wybuchem i pożarem wodoru w przemyśle.
Przykłady wybuchów wodoru z ostatnich lat:
Wybuch cysterny podczas rozładunku wodoru:
w fabryce Duferco Farrell koło Pittsburga na wschodnim wybrzeżu USA doszło do zapłonu i wybuchu wodoru. Podczas rozładunku cysterny należącej do firmy Air Liquide w zbiorniku pojazdu znajdowało się około 23 m3 gazu pod ciśnieniem ok. 200-300 bar. 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 znajdowało się w tym czasie dodatkowe 60 m3 wodoru pod ciśnieniem ok. 30-80 bar. W obydwu przypadkach uwolnienie tak dużych ilości wodoru do otoczenia może spowodować katastrofalne konsekwencje!
Wybuch wodoru podczas rozładunku wodorowozu:
zdarzenie miało miejsce na terenie elektrowni w Ohio, USA podczas napełniania zbiornika. Dochodzenie pokazało, że w wyniku niewłaściwego zadziałania płytki bezpieczeństwa w czasie 10 sekund doszło do uwolnienia około 17 kg wodoru, który następnie uległ zapłonowi. Jednym z prawdopodobnych źródeł zapłonu było wyładowanie elektrostatyczne. Eksplozja spowodowała śmierć kierowcy, który podbiegł do swojego pojazdu, aby zatrzymać wypływ wodoru. W zdarzeniu rannych zostało również dziesięciu pracowników elektrowni, a także ucierpiała infrastruktura zakładu.
Eksplozja w OneH2 Hydrogen Fuel na południowo-wschodnim wybrzeżu USA
Wybuch na instalacji wytwarzającej wodór w kwietniu 2020 roku spowodowała znaczne uszkodzenia okolicznych budynków. Wybuch był odczuwalny na kilka kilometrów od epicentrum.
Wybuch na stacji tankowania wodoru:
10 czerwca 2019 w Norwegii doszło do wybuchu wodoru na stacji tankowania. Po zdarzeniu firma obsługująca stację zawiesiła działalność także w innych lokalizacjach.
Wodór stwarza czterokrotnie wyższe ryzyko wybuchu lub pożaru niż inne paliwa, jak choćby gaz ziemny. “Paliwo przyszłości” wymaga więc specjalnych zabezpieczeń podczas magazynowania, transportu oraz spalania.
“Wodorowy boom” niewątpliwie rozpoczął się i nabiera rozpędu. Jednak takich zdarzeń z udziałem wodoru w przemyśle może być więcej, zanim nauczymy się skutecznie minimalizować ryzyko wycieku i zapłonu. Coraz szersze zapotrzebowanie na „paliwo przyszłości” z pewnością pociągnie za sobą rozwój rozwiązań do transportu i magazynowana tego gazu, zarówno w przemyśle, jak i w przestrzeniach publicznych (np. na stacjach tankowania wodorem samochodów i autobusów). Oznacza to, że słaby punkt technologii wodorowej, jakim jest aspekt dostarczania gazu do miejsca wykorzystania będzie wymagał zabezpieczenia. To właśnie na tym etapie pojawia się poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa transportu wodoru: wyładowania elektrostatyczne.
Jak biznes wodorowy radzi sobie z zagrożeniem elektrostatyką?
Podczas rozładunku gazu palnego z wodorowozu lub bateriowozu w przypadku wodoru, należy obligatoryjnie zapewnić ekwipotencjalizację i uziemienie wszystkich metalowych elementów w obrębie wyznaczonej strefy zagrożenia wybuchem. Różnica potencjałów rzędu 1000V może doprowadzić do przeskoku iskry, która w obecności wodoru – gazu o niskiej energii zapłonu (MEZ 0,019 mJ) – może spowodować zapłon mieszaniny wybuchowej.
Aby wyeliminować ten problem, wodorowozy musza być każdorazowo uziemiane podczas przeładunku. W 2016 roku wprowadzono normę ISO 19880-1, która określa bardzo szczegółowe i rygorystyczne wymagania dotyczące bezpieczeństwa w trakcie przeładunku wodoru.
Eksperci opracowujący wspomniany dokument uznali, że jednym z kluczowych aspektów ochrony, zarówno podczas napełniania zbiorników transportowych zainstalowanych na pojeździe lub podczas transferu wodoru z pojazdu do zbiorników magazynowych na stacji, jest właśnie uziemienie. Pozwala ono na bezpieczne odprowadzenie ładunków elektrostatycznych z cysterny do ziemi, eliminując możliwość powstania iskry.
W ubiegłym roku dostarczyliśmy certyfikowany zestaw uziemiający złożony z klamry i przewodu na szpuli dla stacji tankowania autobusów na wodór w Rybniku. Więcej szczegółów na temat realizacji w Rybniku.
Stosowanie tradycyjnych rozwiązań uziemiających, czyli klamry i przewodu obarczone jest sporym ryzykiem. Wiąże się ono z zaniechaniami operatora lub problemami technicznymi, które mogą skutkować brakiem uziemienia lub zbyt wysoką rezystancją połączeń.
Uziemienie to wyzwanie dla operatora
Stosowanie tradycyjnych rozwiązań uziemiających, czyli klamry i przewodu obarczone jest sporym ryzykiem. Wiąże się ono z zaniechaniami operatora lub problemami technicznymi, które mogą skutkować brakiem uziemienia lub zbyt wysoką rezystancją połączeń.
Stosowanie tradycyjnych rozwiązań uziemiających, czyli klamry i przewodu obarczone jest sporym ryzykiem. Wiąże się ono z zaniechaniami operatora lub problemami technicznymi, które mogą skutkować brakiem uziemienia lub zbyt wysoką rezystancją połączeń.
Z kolei nawet jeżeli uziom jest poprawnie dobrany oraz sprawny, należy upewnić się, że został poprawnie podłączony do pojazdu. Nie zawsze tak jest, bo jak wskazują dane NETL, drugą najczęściej zgłaszaną przyczyną incydentów związanych z wodorem (9,8%) był właśnie błąd ludzki.
Po trzecie, proste klamry z zaciskami sprawdzają się tam gdzie ryzyko zapłonu jest niskie. Dzieje się tak, kiedy minimalna energia zapłonu substancji (MEZ) jest stosunkowo wysoka lub kiedy niska jest częstotliwość wykonywania danego (niebezpiecznego) procesu.
Na stacji wodorowej żaden z tych warunków nie jest spełniony. W przypadku przeładunku wodoru skuteczniejszym rozwiązaniem są więc systemy uziemiania z kontrolą poprawności połączenia. Potwierdzają one m.in. czy klamra zapięta na uziemianym pojeździe ma z nim właściwy kontakt i czy przewód uziemiający nie został uszkodzony. Jak jednak w takiej sytuacji można mieć pewność, że proces tankowania wodoru został prawidłowo uziemiony? Tego nie da się ocenić „na oko”!
Poziom bezpieczeństwa da się obiektywnie skontrolować!
Amerykański Departament Energii (NETL) wskazał, że w latach 2006-2023 najczęstszą prawdopodobną przyczyną prawie 350 zgłoszonych incydentów związanych z wodorem w USA (25,9%) była awaria sprzętu. Z kolei za łącznie 13,3% incydentów zgłaszanych do NETL odpowiadały wady konstrukcyjne, niekompatybilność materiałów lub nieodpowiednio dobrany sprzęt zabezpieczający.
Nic dziwnego więc, że coraz częściej potrzebę stosowania uziemienia z kontrolą jego stanu dostrzegają także ubezpieczyciele, którym zależy na unikaniu zagrożeń wodorowych. Przykładowo, norma ISO 19880 wymaga by maksymalna wartość rezystancji w systemach wodorowych wynosiła 10 omów. Zatem system kontroli uziemienia cystern powinien być integralną częścią każdego punktu tankowania i przeładunku wodoru.
Kontroler stanu uziemienia minimalizuje błąd techniczny i ludzki
Jak dobrać kontroler, który dobrze spełni swoją rolę? Upewnij się, że urządzenie:
- potrafi odróżnić cysternę od innych metalowych elementów obiektów, a także zweryfikować skuteczność rozproszenia ładunku poprzez uziom,
- pozwala na pracę w najtrudniejszych i najbardziej krytycznych warunkach środowiskowych, zapewniając jednocześnie najwyższy stopień ochrony,
- czytelnie sygnalizuje stanu uziemienia.
Takim rozwiązaniem jest na przykład Earth-Rite II RTR firmy Newson Gale. Zarówno to urządzenie, jak i jego młodszy brat Earth-Rite II MGV, potrafią automatycznie kontrolować przepływ wodoru zgodnie z bardzo restrykcyjnymi wymaganiami normy ISO 19880-1:2020. Rozwiązania te zaprojektowali inżynierowie, którzy dogłębnie rozumieją możliwe zagrożenia związane z elektrycznością statyczną.
Jak działa Earth-Rite II RTR
Earth-Rite II RTR sprawdza rezystancję upływu z uziomu w punkcie uziemienia cysterny. Minimalizuje także ryzyko zaniedbań kierowców i operatorów, zaangażowanych w obsługę terminalu. Przykładowo, po przekroczeniu rezystancji upływu uziemienia powyżej wartości 10 omów, przesył gazu z cysterny do zbiornika stacjonarnego może zostać odcięty. Dodatkowo urządzenie ma układ monitorujący rezystancję w wykonaniu iskrobezpiecznym w najwyższym standardzie Ex ia. To najwyższy typ ochrony, przeznaczony do stosowania w strefie 0. Oznacza to, że ochrona przed zapłonem jest gwarantowana nawet podczas wystąpienia kombinacji dwóch usterek.
Earth-Rite II RTR wyróżnia wykonanie ognioszczelne [Ex d] oraz iskrobezpieczne [ia IIC]. W związku z tym, praca w obecności atmosfery palno-wybuchowej z grupy wodorowej (wodór, acetylen) jest rzeczywiście bezpieczna. Poniżej pełna lista funkcjonalności rozwiązania:
- iskrobezpieczny obwód Ex ia, dzięki któremu można pracować w strefach 0,1,2 oraz 20,21,22,
- wyjście NAMUR lub I.S. – dodatkowe wyjście iskrobezpieczne do PLC, pozwalające ujawnić awarię obwodu blokady procesu (zwarcie i przerwę w obwodzie)
- dopuszczenie do pracy w środowisku palno-wybuchowym z grupy wodorowej (IIC),
- możliwość zastosowania do trzech przekaźników sprawnie sterujących blokadą procesu i dodatkową sygnalizacją opto-akustyczną (I.S./Namur i dwa styki bezpotencjalowe),
- próg zadziałania urządzenia dopasowany do wymagań normy ISO 19880 (10 omów),
- obudowa ognioszczelna Ex d, w której zamknięte jest serce systemu; dzięki temu urządzenie może pracować w obszarze, w którym atmosfera wybuchowa może występować podczas normalnej pracy,
- Klamra uziemienia jako część obwodu iskrobezpiecznego o najwyższym stopniu ochrony Ex ia, odpornym na jednoczesne wystąpienie dwóch awarii, co daje możliwość jej zastosowania w każdej strefie wybuchowej (0,1,2,20,21,22),
- Sygnalizacja optyczna (LED) pozwalająca zidentyfikować stan uziemienia systemu procesu.
„Wodorowa rzeczywistość” wymaga skutecznych zabezpieczeń
Aby uniknąć zagrożenia podczas tankowania wodoru personel musi mieć pewność, że sprzęt wykorzystywany w tankowaniu cystern czy przeładunku działa poprawnie. Tego nie da się ocenić „na oko”! Aby nie doszło do tragedii, niezbędne jest właściwe uziemienie pojazdu i zbiornika, z zachowaniem odpowiedniej rezystancji upływu do ziemi oraz sprawdzony sprzęt kontrolny, taki jak Earth-Rite II RTR.
Potrzeba zabezpieczenia cystern wodorowych będzie zwiększać się w miarę, jak paliwo to będzie się upowszechniać. Jak wskazuje Międzynarodowa Agencja Energetyczna (IEA), jeśli wszystkie projekty wodorowe zostaną zrealizowane zgodnie z planem, do roku 2030 produkcja niskoemisyjnego wodoru może osiągnąć od 16 do 24 mln ton rocznie. Raport „Hydrogen Market Overview 2024-2028” wskazuje też, że europejski rynek produkcji wodoru będzie rosnąć rocznie o 7,5%. Do tego czasu musimy zdążyć dobrze zabezpieczyć się przed możliwymi incydentami.
Chcesz dowiedzieć się jakie kroki podjąć, żeby zminimalizować ryzyko zapłonu wodoru spowodowanego wyładowaniem elektrostatycznym? Zajrzyj na naszego bloga. Znajdziesz tam informację o tym, jak w przypadku braku poprawnego uziemienia zablokować transfer produktu i co możesz zrobić, aby zminimalizować ryzyko zapłonu wodoru w wyniku wyładowania elektrostatycznego.