Czy wodór zastąpi węgiel? (cz. 3)

Ogólna procedura gaszenia takich pożarów jest znana od dawna. Płomienie są wykrywane przez kamery termowizyjne, można je także uwidocznić, trzymając łatwopalne przedmioty, choćby miotłę, w prawdopodobnym obszarze płomienia. Jednak coraz liczniejsze doświadczenia zbierane podczas takich zdarzeń wskazują, że aby można było prowadzić bezpiecznie i skutecznie działania ratownicze, niezbędne są umiejętności ratowników i wiedza dowódców.

Ryzyka intensywnego rozwoju stosowania wodoru

Zastosowanie ogniw paliwowych i wodoru zarówno w sektorze transportowym, jak i energetycznym sprawiają, że jest bardzo prawdopodobne, iż w najbliższej przyszłości ratownicy będą musieli coraz częściej radzić sobie z potencjalnymi wypadkami/incydentami o znacznych rozmiarach związanymi z wybuchem lub pożarem wodoru. Rozwój technologii wodorowych wymaga lepszego i bardziej dogłębnego zrozumienia przez osoby udzielające pierwszej pomocy ratowniczej zagrożeń, ryzyka, procesów i cech bezpieczeństwa związanych z systemami i infrastrukturą niezbędnymi do powszechnego stosowania wodoru.

Wytwarzanie wodoru przez elektrolizę i reforming gazu ziemnego, zastosowanie rozproszonego wytwarzania wodoru, magazynowanie gazowego i skroplonego wodoru, transport wodoru i zastosowania związane z transportem materiałów, pojazdy o napędzie wodorowym (np. samochody, autobusy, pociągi, wózki widłowe), stacje tankowania wodoru, stacjonarne zastosowania wodoru i systemy magazynowania energii oparte na wodorze są jednak służbom ratowniczym nadal w dużej mierze nieznane. Tego typu zdarzeń jest jeszcze stosunkowo niewiele, ale w związku ze znacznym wzrostem zastosowania wodoru w wielu dziedzinach będzie to owocowało proporcjonalnym wzrostem liczby zdarzeń wymagających interwencji jednostek KSRG. Będzie do nich dochodziło w każdej lokalizacji na terenie kraju, chociaż oczywiście z różnym prawdopodobieństwem. Oznacza to, że do takich działań muszą być przygotowani ratownicy PSP, ale także OSP włączonych do KSRG.

Obecnie w naszym kraju brakuje znormalizowanych procedur interwencji w razie wypadków lub incydentów z udziałem wymienionych systemów wodorowych i niezbędnej dla ich funkcjonowania infrastruktury, takiej jak stacje paliw, magazyny wodoru i środki służące do transportu wodoru w stanie ciekłym i gazowym.

My, autorzy tej krótkiej serii publikacji poświęconych wodorowi, nie stawiamy sobie za cel by wypełnić lukę, dotyczącą procedur postępowania i wyszkolenia załóg, ale chcemy tylko zasygnalizować pilną potrzebę prac nad tym problemem, wymagającym:

• przygotowania odpowiednich materiałów informacyjnych dla osób będących użytkownikami urządzeń z napędem wodorowym, by wiedziały, jak należy postępować w razie wystąpienia stanu awaryjnego,
• opracowania i wprowadzenia do stosowania w służbach ratunkowych/ratowniczych procedur bezpiecznego, a zarazem skutecznego postępowania podczas działań,
• utworzenia, na bazie doświadczeń innych państw, odpowiednio wyposażonego ośrodka szkoleniowego, w którym mogłyby być realizowane szkolenia teoretyczne i praktyczne z zakresu bezpieczeństwa wodorowego. Ośrodek taki powinien także przygotowywać odpowiednie, szeroko rozumiane materiały edukacyjne dla uczestników organizowanych szkoleń oraz dla uczestników szkoleń doskonalących organizowanych w jednostkach. Ośrodek ten powinien także przygotowywać materiały informacyjne i uświadamiające o zagrożeniach dla użytkowników urządzeń zasilanych wodorem. Materiały takie powinny opierać się na doświadczeniach krajowych i zagranicznych.

Ratownicy powinni być świadomi, że wodór nie jest ani mniej, ani bardziej niebezpieczny niż żadne inne powszechnie stosowane paliwo. Jest inny, a znajomość jego specyficznych właściwości ułatwi podejmowanie właściwych decyzji na miejscu zdarzenia. Ratownicy muszą być profesjonalnie przeszkoleni w zakresie obsługi systemów wodorowych pod ciśnieniem do 100 MPa i w temperaturach do –253°C (wodór skroplony), zarówno na zewnątrz, jak i w pomieszczeniach [1].

Problem ten został podjęty już przed wielu laty w USA, Japonii, Korei Południowej oraz w Chinach. W Europie także powstało konsorcjum złożone z przedstawicieli uczelni i straży pożarnych z 10 krajów. Efektem pracy tego konsorcjum jest opracowanie i udostepnienie wszystkim ratownikom materiałów edukacyjnych tekstowych, filmów edukacyjnych oraz samodzielnych zestawów VR .

Firma CRISE opracowała wraz z ENSOSP pełny zestaw materiałów szkoleniowych poświęconych temu zagadnieniu. Są to materiały edukacyjne z wykorzystaniem wirtualnej rzeczywistości, (VR) a także filmy wideo pozwalające na lepsze przygotowanie ratowników do praktycznych zajęć szkoleniowych.

Takie zestawy już powstają i są dostępne w ENTSOSP – Szkole Oficerów Pożarnictwa w Marsylii. Rzeczywistość wirtualna (ang. virtual reality, VR) to trójwymiarowy obraz, który został stworzony komputerowo. VR może przedstawiać różne przedmioty, obiekty, a nawet całe zdarzenia. W zależności od koncepcji, virtual reality opiera się zarówno na elementach świata realnego, jak i całkowicie fikcyjnego. Najprościej można więc powiedzieć, że to określenie oznacza po prostu wirtualną imitację rzeczywistości. 

Niektóre incydenty powstałe w wyniku wybuchu wodoru

6 maja 1937 r. podczas lądowania sterowca Hindenburg nastąpił pożar, który spowodował wybuchy kolejnych ogniw wodorowych. Katastrofa ta spowodowała zawieszenie lotów sterowców. Szczegółowy opis tego sterowca i katastrofy dostępny jest pod kodem QR:

Film video przedstawiający katastrofę promu Hindenburg znaleźć można pod kodem QR:

Wielu czytelników zapewne pamięta z relacji telewizyjnej eksplozję wodoru, która nastąpiła na promie kosmicznym Challenger 28 stycznia 1986 r. Spowodowała śmierć wszystkich siedmiu astronautów znajdujących się na pokładzie. Do filmu przedstawiającego tę eksplozję prowadzi kod QR:

8 sierpnia 2023 r. nieszczelny zbiornik wodoru eksplodował na terenie firmy Lebring Industrial Area w Austrii, powodując ogromne szkody z powodu fali ciśnienia odczuwalnej w odległości 3 km. Personel znajdował się wewnątrz budynku, niewielkie obrażenia odniósł tylko jeden z pracowników. Szczegółowe informacje dostępne są pod kodem QR:

To tylko wybrane, nieliczne przykłady.

Na początku warto podkreślić założenia tej technologii. VR ma wywoływać u ludzi naturalne i realne doznania. Nasze mózgi są jednak tak skonstruowane, iż na podstawie małych detali są w stanie stwierdzić, że coś jest nie tak – w tym przypadku, że widziany obraz nie jest prawdziwy.

Sądzimy, że system ten daje duże możliwości edukacyjne, szczególnie w odniesieniu do działań w warunkach niebezpiecznych.  (Źródło: https://systel.pl/virtual-reality/  (pobrane dnia 28.02.2024 r.)

Po odbyciu szkolenia z zakresu bezpieczeństwa wodorowego ratownicy powinni być w stanie:

• zrozumieć rolę wodoru jako nowego nośnika energii,
• zidentyfikować główne szlaki produkcji, transportu, dostawy i wykorzystania wodoru,
• identyfikować trudności w społecznym postrzeganiu technologii wodorowych i ogniw paliwowych,
• zdefiniować główne metody przemysłowej produkcji wodoru, z naciskiem na cechy i koncepcje bezpieczeństwa,
• opisać zasadę działania ogniwa paliwowego i stosu ogniw paliwowych,
• wyjaśnić zasady działania i aspekty bezpieczeństwa szeregu zastosowań FCH, w tym pojazdów FC, stacji tankowania, stacjonarnych magazynów wodoru, transportu materiałów i dystrybucji wodoru, rezerwowego wytwarzania energii i systemów FC do skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej,
• podać przykłady incydentów lub wypadków, które mogą wystąpić w aplikacjach FCH,
• opracować istotne warunki/parametry związane z bezpieczeństwem
  dla różnych scenariuszy.

Konkretne wyzwania różnią się w zależności od sposobu wykorzystania wodoru, jednak wysokie wymagania w zakresie bezpieczeństwa dotyczą wszystkich zastosowań. Obejmuje to wszelkie środki zapewniające bezpieczeństwo podczas instalacji, konserwacji i obsługi systemów i urządzeń.

Do krytycznych czynników ryzyka należą następujące właściwości cząsteczek wodoru:

• Wybuchowość - wodór nie może wybuchnąć w czystej postaci. Ryzyko pojawia się jednak, gdy wchodzi w kontakt z powietrzem. Kiedy wodór i tlen spotykają się, reagują wybuchowo. Ryzyko to występuje, gdy wodór jest obecny w powietrzu w stężeniu od 4 do 77% objętości. Jeśli wodór wydostanie się na zewnątrz, wystarczy iskra statyczna na ubraniu, aby wywołać eksplozję.
• Niewidoczny płomień - płomień wodoru jest bardzo blady i niewidoczny lub ledwo widoczny w świetle dziennym. Emituje niewiele promieniowania podczerwonego, które ludzie postrzegają jako ciepło, a zatem nie może być postrzegany jako taki. Jest mało prawdopodobne, aby płomień wodoru zapalił pobliskie obiekty. Emituje on jednak znaczne promieniowanie ultrafioletowe. W związku z tym do wykrywania obecności płomieni wodorowych wymagane są specjalne detektory UV.
• Wycieki - ze względu na mały rozmiar cząsteczkowy i niską lepkość wodór może szybko wyciekać z rur i zbiorników z gazem pod ciśnieniem. Oprócz prawidłowego projektu i konstrukcji niezbędne do zapewnienia bezpieczeństwa systemu są konserwacja i regularne kontrole. Stacjonarna technologia pomiaru gazu i systemy wczesnego ostrzegania są dodatkowym zabezpieczeniem.
• Przenikanie - wodór jest najmniejszą ze wszystkich cząsteczek i może łatwo przenikać przez materiały, w niektórych przypadkach czyniąc je kruchymi (tzw. kruchość wodorowa) [2].
• Alarmy CO - czujniki tlenku węgla (CO) są wrażliwe krzyżowo [3] na wodór. Czujniki CO w pobliżu źródeł wodoru powinny być kompensowane, aby zminimalizować czułość krzyżową i fałszywe alarmy. W przeciwnym razie mogą wystąpić fałszywe alarmy CO z powodu wodoru.
• Chmury wodoru - wodór ma znacznie mniejszą gęstość niż powietrze i w przypadku wycieku z powstałych nieszczelności tworzy mieszaniny pod sufitami wewnętrznymi (szczególnie przy braku odpowiednio wydajnej wentylacji). Dlatego też czujniki wykrywające gaz są zwykle instalowane na górze. W przypadku mieszanin wodoru i metanu chmury wodoru będą się tworzyły nad metanem. Czujniki wodoru powinny być zatem instalowane w przypadku wodoru powyżej, a metanu poniżej możliwych chmur. Alternatywnie należy użyć czujników CatEx.
• Bezwonność i bezbarwność - wodór, podobnie jak metan, nie ma zapachu ani koloru, więc nie jest wyczuwalny dla ludzi. W przypadku metanu problem ten można rozwiązać przez dodanie substancji zapachowych. Wciąż trwają badania nad tym, czy jest to możliwe także w przypadku wodoru. Detektory gazu i wycieków są tutaj niezbędne.

Wykres fazowy wodoru przedstawia rys. 1. Na wykresie znajdują się trzy krzywe. Jedna z nich pokazuje zmianę temperatury wrzenia (lub kondensacji dla przeciwnego przejścia fazowego) wraz z ciśnieniem, druga –zmianę temperatury topnienia (lub zamarzania) wraz z ciśnieniem, a trzecia – zmianę ciśnienia i temperatury dla procesu sublimacji. Proces kondensacji jest również znany jako skraplanie.

Właściwości fizyczne wodoru

Przechowywanie i wykorzystywanie wodoru stwarza wyjątkowe wyzwania ze względu na jego następujące właściwości:

• łatwość ulatniania się jako paliwo gazowe,
• niskoenergetyczny zapłon,
• szeroki zakres palnych mieszanek paliwowo-powietrznych,
• pływalność,
• zdolność do powodowania kruchości metali, która musi być uwzględniona, by zapewnić bezpieczną eksploatację instalacji.

Gęstość gazowego wodoru wynosi 0,0838 kg/m³ (w NTP), czyli ponad 14 razy mniej niż gęstość powietrza (1,205 kg/m³) w tych samych warunkach. Ciężar właściwy wodoru i powietrza w NTP to odpowiednio 0,07 i 1,0 (rys. 2). Dlatego wodór jest lżejszy od powietrza, a w warunkach otoczenia będzie się unosił i rozpraszał w otwartym środowisku. Jeśli chodzi o inne paliwa, propan i opary benzyny są one cięższe od powietrza, podczas gdy metan, tj. gaz ziemny, jest dwa razy lżejszy od powietrza, ale prawie osiem razy cięższy od wodoru.

Gęstość względem powietrza

Niska gęstość par wodoru sprawia, że gaz ten jest bardzo wyporny w porównaniu z innymi związkami – ma największą wyporność na Ziemi. Jest to jego główna zaleta w aspekcie bezpieczeństwa, bowiem uwolniony wodór będzie się szybko unosił i rozpraszał. Niepożądane konsekwencje uwolnienia wodoru do otwartej atmosfery i w częściowo zamkniętych przestrzeniach (bez akumulacji wodoru) są drastycznie ograniczone przez wyporność. Cięższe paliwa węglowodorowe są w stanie tworzyć dość duże palne chmury. W wielu rzeczywistych sytuacjach węglowodory mogą stanowić poważniejsze zagrożenie pożarowe i wybuchowe niż wodór. Czysty wodór jest dodatnio wyporny powyżej temperatury 22 K, tj. w prawie całym zakresie temperatur jego stanu gazowego.

Właściwości zapłonu

Wodór bardzo łatwo ulega zapłonowi. Potencjalne źródła zapłonu obejmują iskry mechaniczne z szybko zamykających się zaworów, wyładowania elektrostatyczne w nieuziemionych filtrach cząstek stałych, iskry z urządzeń elektrycznych, cząstki katalizatora, urządzenia grzewcze, uderzenia pioruna w pobliżu komina wentylacyjnego itp. Dlatego źródła zapłonu należy wyeliminować lub odizolować w odpowiedni sposób, a wszelkie operacje przeprowadzać tak, jakby mogły wystąpić nieprzewidziane źródła zapłonu.

Standardowa temperatura samozapłonu wodoru w powietrzu wynosi powyżej 510°C. Jest ona stosunkowo wysoka w porównaniu do węglowodorów o długich cząsteczkach. Można ją jednak obniżyć za pomocą powierzchni katalitycznych. Obiekty o temperaturze od 500°C do 580°C mogą zapalić mieszaniny wodoru z powietrzem lub wodoru z tlenem pod ciśnieniem atmosferycznym. Znacznie chłodniejsze obiekty, o temperaturze około 320°C, mogą spowodować zapłon przy dłuższym kontakcie pod ciśnieniem niższym niż atmosferyczne. Temperatura zapłonu strumienia gorącego powietrza wynosi 670°C [4]. Podana temperatura jest silnie zależna od systemu, a wartości wybrane do porównania powinny być stosowane tylko do podobnych systemów. Jak widać na rys. 3, wodór, propan i gaz ziemny (tj. metan) mają podobne wartości temperatur samozapłonu – co najmniej dwukrotnie wyższe niż w przypadku oparów benzyny.

Promieniowanie płomienia

Wodór spala się bardzo bladoniebieskim płomieniem i nie emituje ani światła widzialnego w ciągu dnia (ponieważ promieniowanie słoneczne może przyćmić widoczność płomienia wodoru), ani dymu (wytwarza tylko wodę, gdy spala się w powietrzu), chyba że cząsteczki zawierające sód lub pył są porywane i spalane wraz z palną mieszaniną. W porównaniu do spalania węglowodorów, płomienie wodoru emitują znacznie mniej ciepła. W związku z tym fizyczne odczucie ciepła przez człowieka następuje dopiero po bezpośrednim kontakcie zpłomieniem.

Pożar wodoru może pozostać niewykryty i rozprzestrzeniać się pomimo bezpośredniego monitorowania przez ludzi w obszarach, w których wodór może wyciekać, rozlewać się lub gromadzić i tworzyć potencjalnie palne mieszaniny. Dlatego konwekcyjne i radiacyjne strumienie ciepła są ważnymi parametrami i muszą być oceniane w celu ochrony życia, mienia i środowiska.

Detonowalność

Detonacja to najgorszy scenariusz wypadku z udziałem wodoru. Wodór ma szerszy zakres detonacyjności w porównaniu z innymi paliwami. Zakres detonowalności wynosi od 18 do 59% objętościowych wodoru w powietrzu. Zakres ten jest węższy niż zakres palności, wynoszący 4-75%.

Podsumowanie i wnioski

Bezpieczeństwo stosowania wodoru obejmuje bezpieczną produkcję, obsługę
i użytkowanie wodoru, w szczególności gazowego paliwa wodorowego i ciekłego wodoru. Wodór ma najwyższą ocenę NFPA 704 [5] wynoszącą 4 w skali palności, ponieważ jest łatwopalny po zmieszaniu nawet w niewielkich ilościach ze zwykłym powietrzem. Zapłon może nastąpić przy stosunku objętościowym wodoru do powietrza wynoszącym zaledwie 4% ze względu na zawartość tlenu w powietrzu oraz prostotę i właściwości chemiczne reakcji. Przechowywanie i wykorzystywanie wodoru stwarza wyjątkowe wyzwania ze względu na łatwość ulatniania się jako paliwo gazowe, niskoenergetyczny zapłon, szeroki zakres palnych mieszanek paliwowo-powietrznych, pływalność i zdolność do powodowania kruchości metali, które muszą być uwzględnione w celu zapewnienia bezpiecznej eksploatacji.

Ciekły wodór stwarza dodatkowe wyzwania ze względu na jego zwiększoną gęstość i ekstremalnie niskie temperatury potrzebne do utrzymania go w stanie ciekłym. Co więcej, zapotrzebowanie na ten gaz i jego wykorzystanie w przemyśle – jako paliwa rakietowego, alternatywnego źródła magazynowania energii, chłodziwa do generatorów elektrycznych w elektrowniach, surowca w procesach przemysłowych i chemicznych, w tym w produkcji amoniaku i metanolu itp. – stale rośnie, co doprowadziło do wzrostu znaczenia rozważań na temat protokołów bezpieczeństwa w produkcji, przechowywaniu, przesyłaniu i stosowaniu wodoru.

Przypisy

[1] www.hyresponse.eu.

[2] Kruchość wodorowa – rodzaj degradacji metalu spowodowanej przenikaniem i gromadzeniem się atomów wodoru wewnątrz metalu.

[3] Czułość krzyżowa występuje wtedy, gdy gaz inny niż monitorowany/wykrywany może wpływać na odczyt z czujnika elektrochemicznego. Powoduje to, że elektroda w czujniku reaguje, nawet jeśli gaz docelowy nie jest w rzeczywistości obecny lub powoduje niedokładny odczyt i/lub alarm dla tego gazu. W oczywisty sposób naraża to osobę korzystającą z czujnika na niebezpieczeństwo (źródło: https://www.crowcon.com/pl/articles/knowing-cross-sensitivities/, dostęp: 28.01.2024).

[4] BRHS, Biennial Report on Hydrogen Safety, Europejska Sieć Doskonałości „Bezpieczeństwo wodoru jako nośnika energii” (NoE HySafe), 2009.

[5] NFPA 704 – standard wprowadzony w Stanach Zjednoczonych przez Narodowy Związek Ochrony Przeciwpożarowej. Definiuje on diament ognia, czyli charakterystyczny postawiony na wierzchołku kwadrat podzielony na cztery mniejsze kwadraty, używany przez służby ratunkowe do łatwej i szybkiej identyfikacji substancji, związanego z nią ryzyka, środków gaśniczych stosowanych do gaszenia pożaru oraz innych zagrożeń i możliwości w czasie działań ratowniczych (źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/NFPA_704, dostęp: 01.02.2024).

Pozostała literatura dostępna u autorów.