Wodór, zwany „paliwem przyszłości”, wymaga specjalnych środków ostrożności podczas magazynowania, transportu oraz spalania. Zarówno dostawcy, jak i ubezpieczyciele najczęściej zdają sobie sprawę z tego, jak ważne jest zabezpieczenie instalacji wodorowych przed zapłonem i wybuchem spowodowanym wyładowaniem elektrostatycznym. Jednak czy inteligentna kontrola ciągłości uziemienia z blokadą załadunku to zbytek czy raczej konieczność na stacji?

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: 

“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. A co za tym idzie, zarówno w przemyśle, jak i w przestrzeniach publicznych (np. na stacjach tankowania wodorem samochodów i autobusów), wiele elementów będzie wymagać ochrony.

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 świat instalacji wodorowych radzi sobie z zagrożeniem elektrostatyką?

Podczas rozładunku gazu palnego z wodorowozu lub bateriowozu 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 może spowodować zapłon mieszaniny wybuchowej. A co dopiero, kiedy tym gazem jest wodór – gaz o bardzo niskiej energii zapłonu (MEZ 0,019 mJ)!

Aby wyeliminować ten problem, wodorowozy musza być zawsze uziemiane podczas przeładunku. W 2016 roku wprowadzono normę ISO 19880-1, która bardzo szczegółowo i rygorystycznie określa wymagania dotyczące bezpieczeństwa w trakcie przeładunku tego gazu.

Eksperci opracowujący treść ISO 19880-1 uznali, że jednym z kluczowych aspektów ochrony instalacji wodorowej jest właśnie uziemienie. Dotyczy to zarówno napełniania zbiorników transportowych zainstalowanych na pojeździe, jak i transferu wodoru z pojazdu do zbiorników magazynowych na stacji. 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 do stacji tankowania autobusów na wodór w Rybniku. Więcej szczegółów na temat realizacji w Rybniku. 

Poprawne uziemienie instalacji: jak ocenić jego wykonanie?

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. 

Po pierwsze, przewód może ulec uszkodzeniu mechanicznemu, a zacisk może zużyć się, zabrudzić lub skorodować. Te elementy same w sobie nie gwarantują pełnego bezpieczeństwa.

Z kolei nawet jeżeli uziemienie jest poprawnie dobrane oraz sprawne, 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”!

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 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.

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 w zgodzie 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 uziemienia w punkcie podłączenia do 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.

Uziemienie 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 system może pracować w strefach 0, 1, 2 oraz 20, 21, 22, 

• Wyjście NAMUR lub I.S. – dodatkowe wyjście iskrobezpieczne do PLC, które wskazuje awarię obwodu blokady procesu (zwarcie i przerwę w obwodzie)

• Dopuszczenie do pracy w środowisku palno-wybuchowym z grupy wodorowej (IIC), 

• Obsługuje do trzech przekaźników sprawnie sterujących blokadą procesu i dodatkową sygnalizacją opto-akustyczną (I.S./Namur i dwa styki bezpotencjalowe), 

• Ma próg zadziałania dopasowany do wymagań normy ISO 19880 (10 omów), 

• Jego „serce” jest zamknięte w obudowie ognioszczelnej Ex d, więc może pracować w obszarze, w którym atmosfera wybuchowa jest prawdopodobna podczas normalnej pracy,

• Klamra uziemienia ma najwyższy stopień ochrony Ex ia (odporność na jednoczesne wystąpienie dwóch awarii, w ramach obwodu iskrobezpiecznego) dzięki czemu system można zastosować w każdej strefie wybuchowej (0, 1, 2, 20, 21, 22), 

• Sygnalizacja optyczna (LED) pozwala zidentyfikować stan uziemienia systemu procesu.

„Wodorowa rzeczywistość” wymaga skutecznych zabezpieczeń Ex

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 planami, 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%. A to oznacza, że 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.