Tipy pro bezpečné skladování vodíku při použití průmyslového generátoru vodíku

Pochopení rizik spojených s vodíkem při použití generátorů na místě

Hořlavost a rizika zapálení v uzavřených prostředích generátorů

Skutečnost, že vodík potřebuje k zapálení pouze 0,02 mJ a hoří v koncentraci mezi 4 % až 75 % ve vzduchu, činí jej velmi nebezpečným v uzavřených prostorách s generátory. I malá jiskra z elektrického zařízení nebo statická elektřina může vyvolat požár, obzvláště proto, že plameny vodíku jsou téměř neviditelné, dokud není příliš pozdě. Vodík stoupá nahoru přibližně 14krát rychleji než běžný vzduch, takže má tendenci se hromadit přímo pod stropy a v okolí výstupů generátorů. Pokud není k dispozici vhodný systém větrání, mohou tyto vodíkové kapsy dosáhnout nebezpečné úrovně nad 4 % během několika minut. Podle směrnice NFPA 2 musí místnosti s generátory zajistit alespoň jednu kompletní výměnu vzduchu každou hodinu. Studie ukazují, že umístění výfukových ventilů nejprve na úrovni stropu, na rozdíl od běžných stěnových uspořádání, snižuje riziko nebezpečné vrstvy přibližně o 92 %. To dává smysl, vezme-li se v potaz, jak vodík přirozeně stoupá vzhůru.

Důsledky vodíkové křehkosti na potrubí a ventily integrované do generátoru

Když součásti z uhlíkové oceli ve výrobních systémech vodíku dlouho setrvávají v prostředí s vysokým tlakem vodíku, trpí tzv. křehkostí materiálu v důsledku prostředí s vodíkem (HEE). K problému dochází, když atomární vodík pronikne do krystalické mřížky kovu, čímž materiál ztrácí schopnost se před prasknutím deformovat. Mluvíme o prudkém poklesu tažnosti – někdy až o 60 % – což znamená, že se komponenty mohou prasknout i při provozu pod polovinou jejich normálních tlakových limitů. Finanční dopad také není zanedbatelný. Podle nedávného výzkumu institutu Ponemon Institute činí náklady pro společnosti při každé takovéto události praskání přibližně 740 000 dolarů. Proto je tak důležitý správný výběr materiálu. Austenitická ocel třídy 316L se v tomto ohledu vyznačuje odolností proti křehnutí přibližně pětkrát vyšší než běžná uhlíková ocel ve výrobních zařízeních vodíku. Průmyslové normy jako NFPA 2 a ISO 19880-8:2020 rovněž nejsou jen doporučením. Tyto normy konkrétně vyžadují ověření kompatibility každé součástky, která přijde do styku s vodíkem, aby bylo zajištěno, že výrobci nebudou šetřit na této kritické bezpečnostní otázce.

Tyto nebezpečí se zvyšují, když generátory pracují v blízkosti zásobníků, což vyžaduje integrované bezpečnostní protokoly řešící jak okamžité požární rizika, tak postupné poškozování materiálu.

Rámce pro soulad při ukládání vodíkových generátorů

Požadavky NFPA 2 a ISO 19880 pro místní generování a integrované ukládání

Norma NFPA 2 spolu s ISO 19880 stanoví základní bezpečnostní pravidla pro systémy výroby vodíku, které zahrnují i komponenty pro skladování. Tyto pokyny vyžadují kontrolu, zda materiály použité u ventilů, potrubí a tlakových nádob jsou odolné vůči expozici vodíkového plynu, čímž řeší problém křehnutí kovů, který se projevil při minulých průmyslových haváriích. Normy požadují záložní mechanismy pro odlehčení tlaku, vhodné rozestupy mezi místy skladování a potenciálními zdroji zapalování a spolehlivé systémy monitorování větrání, které se aktivují, když je to nezbytné. Podle NFPA 2 musí místnosti s generátory zajistit alespoň jednu kompletní výměnu vzduchu za hodinu. Mezitím verze ISO 19880-8:2020 jde dále a vyžaduje automatické detektory úniku, které jsou dostatečně citlivé na zaznamenání hladiny vodíku pod 1 %, což je bezpečně pod úrovní, jež by mohla způsobit hořlavost. Za účelem dodržování těchto norem musí provozovny nechat své nádrže určené ke skladování certifikovat nezávislými odborníky jednou za pět let. Protokoly nouzového vypnutí musí být jasně písemně stanoveny a doplněny pravidelnými měřeními tlaku a testy integrity, které potvrzují, že bezpečnostní rezervy zůstávají zachovány i za mezemi běžných provozních podmínek.

Shoda s normami OSHA a místními předpisy pro zařízení na výrobu vodíku

Uvedení vodíkových generátorů do provozu zahrnuje řešení složitého systému předpisů různých úrovní vlády. Zařízení, která manipulují s více než 1 500 liber vodíku, podléhají pravidlům OSHA pro řízení bezpečnosti procesů (Process Safety Management), uvedeným ve znění 29 CFR 1910.103. To znamená provádět vhodné posuzování rizik, zajišťovat integritu zařízení a zajistit, aby personál věděl, co dělá. Všechna tato bezpečnostní opatření musí být navíc sladěna s požadavky kapitoly 53 Mezinárodního požárního kódu (International Fire Code). Tento kód upravuje například elektrické systémy, které nevyvolávají jiskření, a stanovuje minimální vzdálenosti umístění nádrží od hranic pozemků. Většina měst dodržuje směrnice NFPA 55 při stanovování limitů množství skladovaného vodíku v závislosti na typu budovy. Některé oblasti navíc uplatňují další předpisy týkající se otřesů země nebo environmentálních aspektů, což je obzvláště důležité pro nádrže umístěné venku. Pravidelné kontroly každé tři měsíce pomáhají zajistit, že vše zůstává v souladu se všemi těmito standardy, zejména pokud jde o záložní systémy obsluhování a dokumentaci skutečného výkonu systémů větrání.

Výběr bezpečných řešení pro ukládání vodíku vhodných pro generátory

Nádrže typu III a IV: Výkon, bezpečnostní limity a integrace s rozměry vodíkových generátorů

Na dnešním trhu se tlakové nádoby typu III (ty, které jsou z uhlíkových vláken navinutých na hliníkových vložkách) a nádoby typu IV (uhlíková vlákna na termoplastovém podkladu) staly preferovanými řešeními pro skladování vodíku přímo vedle místa jeho místní produkce. Modely typu III obvykle vydrží tlaky mezi 300 a 700 bar a vynikají tím, že dobře odolávají nárazům a také trvalým vibracím, které se běžně vyskytují v průmyslovém prostředí. Nádoby typu IV pak dosahují kapacity nad 700 bar, čímž úplně eliminují riziko křehnutí materiálu, protože jejich vložky nejsou kovového původu. Tyto nádoby jsou vhodné pro přímé připojení ke vstupním systémům vodíkových generátorů. Oba typy jsou vybaveny speciálními tepelnými pojistnými zařízeními, tzv. TPRD. Pokud dojde k přehřátí například při požáru, tato zařízení automaticky uvolňují vodíkový plyn. Jedná se o velmi důležitou bezpečnostní funkci, zejména uvnitř uzavřených generátorových místností, kde by exploze mohla mít katastrofální následky.

Horizontální montáž zařízení pomáhá vyhnout se překrývání ploch s těmito generátorovými rámy a skládání modulů usnadňuje rozšíření kapacity podle potřeby. Když teplota okolního prostředí dosáhne zhruba 55 stupňů Celsia, mají skladovací nádrže typu IV oproti běžným ocelovým nádržím podle studií publikovaných v časopise Energy Storage Journal minulý rok skutečně bezpečnostní rezervu asi o 30 procent lepší. Navíc tyto nádrže mají přibližně o 19 % nižší pravděpodobnost vzniku netěsností za podobných podmínek. I na lokalitách s omezeným prostorem lze stále použít podzemní instalace typu III. Tyto systémy dokonale zapadnou do stávající infrastruktury, aniž by narušily přístupové body pro údržbu generátorů nebo blokovaly nezbytné průtoky vzduchu pro správné větrání.

Technická opatření: Větrání a detekce úniku pro lokality s vodíkovými generátory

Větrání od stropu k potlačení vrstvení vodíku v blízkosti generátorů

Protože se vodík velmi snadno šíří ve vzduchu, je naprosto nezbytné zajistit vhodné větrání, které zachytí unikající plyn dříve, než dosáhne nebezpečných koncentrací. Nejlepších výsledků dosahují systémy umístěné u stropu, protože vytvářejí proudění směrem nahoru, které odvádí vodík přímo z míst, kde se přirozeně hromadí. Tyto instalace obvykle zajišťují přibližně 12 až 15 úplných výměn vzduchu každou hodinu, čímž udržují koncentraci vodíku daleko pod hranicí 4 %, kdy by prostor mohl být hořlavý. Mezitím ventilační otvory umístěné u podlahy pomáhají udržovat rovnoměrné proudění vzduchu po celém prostoru a zabraňují vzniku mrtvých zón, kde by se plyn mohl po úniku hromadit. Podle počítačových modelů simulujících vzory proudění vzduchu tato uspořádání snižují riziko vrstvení o téměř 92 % v generátorových místnostech menších než 500 kubických metrů. Díky tomu jsou tyto systémy zaměřené na strop mnohem efektivnější z hlediska bezpečnosti ve srovnání se staršími nástěnnými alternativami, které nezvládají jedinečné vlastnosti vodíku tak účinně.

Průvodce výběrem senzorů: Senzory na bázi laserové absorpce vs. elektrochemické senzory pro monitorování generátorů vodíku v reálném čase

Účinná detekce úniků vyžaduje přizpůsobení technologie senzoru riziku aplikace a prostorovému měřítku:

Laserové absorpční senzory umožňují sledování v reálném čase po celých plochách díky otevřeným svazkům paprsků. Velmi dobře fungují ve velkých skříních generátorů, kde se plyny rychle šíří a je potřeba včasné varování před jejich detekcí. Na druhou stranu elektrochemické senzory jsou vynikající pro přesné lokalizování konkrétních problematických míst, jako jsou příruby nebo kužely ventilů, i když je vyžadují častější kontrolu a výměnu ve srovnání s laserovými senzory. Většina zařízení dnes uplatňuje takzvanou vícevrstvou strategii. Umístěte laserové senzory u stropu, aby zachytily objemové pohyby plynů, a seskupte elektrochemické jednotky přímo v místech připojení, kde mají úniky tendenci vznikat. Tato konfigurace obvykle detekuje přibližně 99,6 % úniků ještě předtím, než hladiny dosáhnou 10% Dolní mez hořlavosti (LFL). Systém splňuje všechny požadavky podle norem NFPA 2 stejně jako nejnovější směrnice ISO 19880-8:2020 pro bezpečnostní výkon.