Waterstof is een transporteerbare energiedrager en heeft een hoog energiepotentieel dat kan worden gebruikt als brandstof voor transport, energieopwekking, verwarming en industriële toepassingen. In tegenstelling tot aardgas produceert waterstof een schone verbranding zonder uitstoot van broeikasgassen. Vanuit het oogpunt van brand- en explosiegevaar is waterstof echter minder veilig dan aardgas omdat het gemakkelijker kan ontbranden. Het heeft een lager ontstekingsenergieniveau, een breder bereik van ontvlambare concentraties, is gevoeliger voor lekken, is geurloos, brandt heter dan aardgas en kan een hogere overdruk en explosie veroorzaken. Een breder bereik van brandbare concentraties en een snelle vlamsnelheid impliceren dat waterstofverbrandingen moeilijker te beheersen zijn. Waterstof heeft een hogere verbrandingswaarde per pond, maar heeft een veel groter volume nodig om dezelfde hoeveelheid energie op te wekken als aardgas. Hieronder staat een tabel met de fysieke eigenschappen van waterstof, methaan/aardgas en benzine.
Het ARIA-database-rapport van het Bureau for Analysis of Industrial Risk and Pollution (BARPI) bevat een analyse van 215 industriële waterstofgerelateerde ongevallen wereldwijd. De meerderheid (60%-70%) van deze waterstofongevallen deed zich voor in de energie- en chemische industrie. Het is niet duidelijk welk percentage van deze gegevens verband houdt met de productie van groene waterstof, maar de aantallen zijn waarschijnlijk klein, aangezien de gegevens over de ongevallen vóór 2007 werden verzameld. Een interessante observatie van deze statistieken is dat 70% van de ongelukken het gevolg was van "organisatorisch en menselijk falen", vandaar dat de preventie zich zou moeten richten op het risicobewustzijn als het gaat om waterstof en de veiligheidsprocedures van bedrijven. Dat gezegd hebbende, aangezien meer dan 90% van de waterstof die tegenwoordig geproduceerd wordt, afkomstig is van fossiele brandstoffen en voornamelijk gebruikt wordt in de raffinage- en kunstmestindustrie, vereisen de standaard industriepraktijken en -voorschriften een hoge beschikbaarheid van functionele veiligheidssystemen die geïnstalleerd moeten worden voor de procesveiligheid.
Groene waterstofelektrolyser
Het basisconcept achter de productie van groene waterstof is het elektrolyseproces dat gebruikmaakt van elektrificatie om watermoleculen te splitsen in waterstof en zuurstof. De elektriciteit moet afkomstig zijn van hernieuwbare energie om het groene waterstof te kunnen noemen. Een typische groene waterstoffabriek werkt met een elektrolyser van 5-25 MW, maar we zien dat er grotere fabriekscapaciteiten verwacht kunnen worden van meer dan 100 MW. In Rotterdam wordt nu een 200MW installatie gebouwd die naar verwachting in 2025 klaar is.
Elektrificatie verhogen en productiecapaciteit opschalen
De uitdaging voor groene waterstofproductie, vooral als deze geïntegreerd is in chemische, raffinage- of petrochemische fabrieken, is niet veiligheid, maar het opschalen van de productiecapaciteit en het elektrificatieproces. Industriële veiligheidsnormen zoals Occupational Safety and Health Administration (OSHA), Process Safety Management, ISO, NFPA, IEC, enz. omvatten al brandbaar gas zoals waterstof. Waterstof wordt meestal geproduceerd met behulp van een thermochemisch proces dat stoomreforming heet. Het wordt vaak grijze waterstof genoemd. Dit proces is vergelijkbaar met andere thermochemische processen binnen de fabriek, het is dus geïntegreerd in de fabrieksveiligheid. In een raffinaderij wordt bijvoorbeeld een grote hoeveelheid grijze waterstof geproduceerd en gebruikt in het waterstofontzwavelingsproces en het hydrokraakproces. Blauwe waterstof die afhankelijk is van CCUS om de grijze waterstof te decarboniseren verandert het veiligheidsprotocol in deze fabrieken ook niet. Groene waterstof die gebaseerd is op een elektrificatieproces verschilt van thermochemische processen - een proces dat niet bekend is in de traditionele chemische, raffinage- en petrochemische activiteiten. Bijvoorbeeld, voor een typische raffinaderij van150.000 bbl/d vereisen de elektrolysers die het omzetten van gas met stoom vervangen een extra 100 MW netvermogen om groene waterstof te genereren; dit is bijna 200% meer dan het traditionele netvermogen dat nodig is voor een hele raffinaderij met deze capaciteit. Voor standalone producenten van groene waterstof zal de omvang van de productie soortgelijke uitdagingen kennen bij het opschalen van 25 MW naar 100 MW. Het besturen van gelijkrichters en hogere stroombelasting vereisen een grotere elektrische infrastructuur en veiligheidsmaatregelen rond elektriciteit. De integratie van hernieuwbare elektrische energiebronnen met traditionele energie uit fossiele brandstoffen voor de productie van waterstof kan een overgangs- of hybride proces zijn dat optimalisatie van het micronetwerk vereist. Gecombineerde stroom- en procesveiligheid wordt steeds crucialer vanuit het oogpunt van de levenscyclus, inclusief ontwerp, techniek, uitvoering en onderhoud.
Waterstofveiligheidsnormen
Er zijn verschillende bestaande industrienormen die betrekking hebben op waterstof:
-
ISO 198880-1:2019: deze norm biedt veiligheidseisen voor waterstofgeneratoren die gebruikmaken van een waterelektrolyseproces voor industriële toepassingen.
-
NFPA 2: code voor waterstoftechnologieën. De National Fire Protection Association (NFPA) heeft deze code ontwikkeld voor de veilige installatie, opslag, gebruik en behandeling van waterstof in verschillende toepassingen. De code behandelt aspecten zoals waterstofproductie, opslag, transport en gebruik.
-
IEC 61508: kader om de functionele veiligheid te garanderen van elektrische/elektronische/programmeerbare gerelateerde systemen in verschillende industrieën, waaronder waterstof.
-
ISO 14687: productspecificatie voor waterstofbrandstof, inclusief limieten voor zuiverheidsniveaus en andere aspecten. Verzekert dat waterstof van hoge kwaliteit cruciaal is voor een veilig en efficiënt gebruik.
-
ASME BPVC Sectie VIII, Div. 1: een ketel- en drukvatcode die het ontwerp, de fabricage en de inspectie van drukvaten omvat. Waaronder vereisten voor waterstofopslagtanks en drukvaten.
-
IEC 62282: brandstofceltechnologieën. Deze norm behandelt verschillende aspecten van brandstofceltechnologieën, inclusief veiligheid.
Waterstofgaspijpleidingen werken onder hogere druk, wat kan leiden tot brosheid, kleine scheurtjes en deuken in oudere pijpleidingen, waardoor lekkage en breuken ontstaan. De algemene richtlijnen en onderzoek geven aan dat een bestaande gaspijpleiding tot 20% waterstofmengsels aankan. Materialen zoals staallegeringen, composietmaterialen en speciale polymeren worden vaak gebruikt voor de opslag en het transport van waterstof. In de opslagruimte moet een adequaat lekkagedetectiesysteem en een goed ventilatiesysteem worden geïnstalleerd om verbranding te voorkomen. Omzetting van waterstof in ammoniak en methanol wordt beschouwd als een goede energiedrager voor eenvoudig, omvangrijk, vloeibaar transport. Sommige normen voor het transport van waterstof en ammoniak kunnen verouderd zijn en niet geschikt voor grootschalig gebruik. Het gebruik van waterstof als brandstof in de verwerking van koolwaterstoffen kan een uitdaging zijn omdat waterstof heter verbrandt dan aardgas, speciale aandacht moet dan ook besteed worden aan metaalselectie.
Integratie van elektrische veiligheid met procesveiligheid
Waterstoftoepassingen zijn niets nieuws in het energie- en chemiesegment. Groene waterstofelektrificatie zal deel uitmaken van de risicobeoordelingen in de HAZOP (Hazard and Operability study). Veiligheidsexperts moeten de elektrische risico's opnieuw evalueren en een elektrische HAZOP uitvoeren. Nieuwe veiligheidsproblemen zijn onder andere oververhitting van kabels die kunnen leiden tot een elektrische uitval of een vlamboog. Veiligheid rond processen en elektriciteit moeten worden gecombineerd naarmate het proces elektro-intensiever wordt. Elektriciteitstoevoer is essentieel voor groene waterstof omdat het ongeveer 70%-80% van de totale kosten voor het genereren van groene waterstof vertegenwoordigt. Aanzienlijk hogere stroombelastingen en een elektrische infrastructuur die niet waren voorzien bij de productie van waterstof zorgen voor nieuwe veiligheidsproblemen. Digitalisering door IT/OT-convergentie vereist strengere cybersecurity-protocollen. Cybersecurity-strategieën moeten worden opgenomen in de best practices voor procesveiligheid, omdat cybersecurity in wezen digitale veiligheid is en een belangrijk onderdeel is van het beveiligen van uptime, security, en beveiliging van kritieke infrastructuur.
Best practices voor procesveiligheid bij waterstofproductie
Goed ontworpen - Procesontwerpen moeten waterstofveiligheidsnormen en protocollen uit HAZOP-, PHA-, LOPA- en SIL/SIF-studies bevatten. Het ontwikkelen van een digital twin van de waterstoffabriek en de bijbehorende installaties heeft invloed op de veiligheid van de fabriek gedurende de hele levenscyclus. Bijvoorbeeld, dynamische simulatie en training van operators op basis van digital twins kan operators leren omgaan met abnormaal gevaarlijke situaties. Integreer cybersecurity IEC 62443-ontwerppraktijk in IT en OT.
Goed gebouw - Een geïntegreerd besturings- en veiligheidssysteem automatiseert het proces en biedt de meest effectieve preventie tegen abnormale situaties. Het is belangrijk om cybersecurity IEC 62443-ontwerp op te nemen in IT/OT-interconnectie, het bestendigen van apparaten, toegangspunten op afstand en firewalls. Zorg voor goede ventilatie in gebieden waar waterstof wordt geproduceerd of opgeslagen om accumulatie van waterstofgas te voorkomen. Installeer waterstofgasdetectoren en monitoringsystemen om lekken of abnormale gasconcentraties onmiddellijk te detecteren. Kalibreer en onderhoud deze monitoringsystemen regelmatig.
Veilig bedienen - Naarmate werkzaamheden dynamisch veranderen, moeten processen, mensen en technologie ook mee evolueren. Een oplossing voor alarmbeheer geeft prioriteit aan alarmen en lost problemen met een teveel aan alarmmeldingen op. Systemen voor het analyseren van veiligheidsdata monitoren en beoordelen veiligheidsworkflows en doen aanbevelingen voor reparatie of aanpassing. Operatortrainingssystemen en Augmented Reality-softwareoplossingen zorgen ervoor dat de vaardigheden van operators up-to-date blijven. Werken op afstand om de veiligheid van werknemers te verbeteren wordt mogelijk gemaakt door digitaliseringstechnologieën zoals cloud en geavanceerde analytics. Cybersecurity-detectie, -bewustwording en -training zorgen voor een veilige uitvoer van werkzaamheden.
Goed geïnspecteerd - Procedurele automatisering en rondes van mobiele operators zorgen ervoor dat apparaten en installaties betrouwbaar presteren en veiligheidsprocedures worden gevolgd. Cybersecurity staat bij de meeste CIO's hoog op de agenda en cybersecurity-audits kunnen een goed startpunt zijn.
Goed onderhouden - Modernisering van besturingssystemen wordt overwogen als het systeem veroudert en betrouwbaarheid een probleem wordt. Asset performance management-oplossingen zorgen voor de betrouwbaarheid van instrumenten, kleppen, compressoren en pompen. Herstelprocedures voor cybersecurity en het beheer van softwarepatches zijn essentiële onderdelen van onderhoud. Adequate persoonlijke veiligheidsmaatregelen zoals persoonlijke beschermingsmiddelen (PPE), valbeveiliging en toegangsbeveiliging beschermen werknemers tegen letsel en ziekte.
De integratie van veiligheid rond elektriciteit en processen zal essentieel zijn naarmate de elektrificatie toeneemt. De meest effectieve strategie voor veiligheid rond elektriciteit is preventie. Het doel is om mensen te beschermen en brand te voorkomen.
Best practices voor elektrische veiligheid bij waterstofproductie
Goed ontworpen - Betrek experts op het gebied van elektriciteitssystemen bij de ontwerpfase van het elektrische systeem om het ontwerp te evalueren.
Goed gebouwd - Gebruik standaard ingebouwde stroomvoorzieningssystemen zoals MV-schakelborden, LV-stroomonderbrekers en motorbesturingscentra voor bescherming tegen elektrisch gevaar. Overweeg aanvullende innovatieve oplossingen zoals vlamboogdetectie, draadloze thermische bewaking met eigen voeding, op behuizing gebaseerde vlamboogbestendigheid, onboard racking, remote racking en bediening op afstand.
Veilig bediend - Zorg voor een adequate training op het gebied van elektrische veiligheid met behulp van virtualreality-oplossingen.
Goed geïnspecteerd - Controleer elektrische systemen met de Modernization, Performance, Safety (MPS) Enterprise Study en een Arc Flash Study.
Goed onderhouden - Zorg dat elektrische apparatuur en installaties veilig onderhouden, aangesloten en gemonitord worden met remote analytics en expert diagnostiek.
Veiligheid zal altijd de topprioriteit blijven voor energie- en chemiebedrijven, en veiligheid zal zich ontwikkelen met de opkomst van de waterstofeconomie. Als wereldwijde specialist in energiebeheer, industriële automatisering en digitalisering kan Schneider Electric een relevante rol spelen bij het helpen van klanten met groene waterstofontwerp, -techniek, -uitvoering en -onderhoud om veiliger, efficiënter, betrouwbaarder en kosteneffectiever te zijn.
Meer weten over hoe technologie initiatieven op het gebied van groene waterstof vooruit kan helpen? Neem contact op met Schneider Electric.