CC BY
9
УДК 614.841.12
Международный опыт обеспечения пожарной безопасности водородных автозаправочных станций
Ю.Н. Шебеко1, И.А. Болодьян1*
1 ФГБУ ВНИИПО МЧС России, Российская Федерация, 143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12 * E-mail: ivanbolodyan@yandex.ru
Тезисы. Проблема загрязнения атмосферы парниковыми газами, образующимися в основном при эксплуатации автомобилей на углеводородном топливе, выдвигает необходимость использования водорода в качестве альтернативного моторного топлива. Пути решения этой проблемы изложены в ряде работ зарубежных исследователей. Настоящая статья посвящена анализу указанных работ в части обеспечения пожаровзрывобезопасности автозаправочных станций (АЗС) на газообразном и жидком водороде (водородные АЗС).
Отмечены наиболее перспективные способы хранения водорода (в газообразном, жидком и адсорбированном виде, в составе гидридов металлов). Рассмотрены особенности обеспечения пожаровзрывобезопасности следующих типов АЗС: на которых водород хранится в сжатом виде и поставляется с предприятий-производителей (при этом, как правило, применяются передвижные топливозаправщики, оснащенные резервуарами со сжатым газом); на которые водород поставляется в жидком виде и так хранится с дальнейшей регазификацией и заправкой автомобилей сжатым газом; где топливо получают непосредственно на станции путем дегидрогенизации метилциклогек-сана, который поставляется автомобильными цистернами (полученный водород компримируется и хранится в сжатом виде в баллонах, из которых идет заправка автомобилей).
Рассмотрены также требования стандартов ГОСТ Р 55226-2012 (ISO/TS 20100: 2008) «Водород газообразный. Заправочные станции» и NFPA 2 «Hydrogen Technologies Code» для АЗС на сжатом и сжиженном водороде. На основании проведенного анализа сделан вывод, что в ряде стран активно ведутся работы по созданию водородных АЗС. Показано, что при выполнении необходимых защитных мероприятий водородные АЗС могут быть столь же безопасными, как и станции на углеводородном топливе. Сделан вывод о необходимости разработки отечественного свода правил в области пожарной безопасности, содержащего требования к водородным АЗС и использующего наработанный международный опыт.
Ключевые слова:
водородная
безопасность,
способы хранения
водорода,
сжатый водород,
сжиженный
водород,
получение водорода на автозаправочных станциях.
В настоящее время в развитых странах мира ведутся работы по адаптации экономики к использованию водородной энергетики, что связано во многом с решением проблемы загрязнения атмосферы парниковыми газами при применении углеводородного топлива. Научная основа для водородной энергетики была заложена в работах отечественных [1-4] и зарубежных [5-8] ученых. Там же рассмотрены аспекты пожаровзрывобезопасности объектов с использованием газообразного ^Н2) и жидкого ^Н2) водорода.
Известно, что основным источником поступления в атмосферу парниковых газов являются автомобили, работающие на углеводородном топливе. В связи с этим перевод автомобилей на водородное топливо помог бы решить указанную экологическую проблему. К сожалению, в нашей стране не уделяется достаточного внимания задаче перевода транспорта на водородное топливо. Поэтому авторы проанализировали работы зарубежных исследователей, посвященные вопросу обеспечения пожаровзры-вобезопасности автозаправочных станций (АЗС), осуществляющих заправку автомобилей GH2 и LH2 (далее - водородные АЗС).
Особенности хранения водорода
Одна из основных проблем функционирования водородных АЗС - осуществление хранения моторного топлива. Способы хранения водорода разделяют на три группы [7, 8]:
• физическое в виде GH2 и LH2;
• в адсорбированном виде;
• путем химического связывания с образованием соединений, разлагающихся с выделением водорода.
Хранение GH2 осуществляется в баллонах под давлением до 70 МПа, а также в подземных полостях соляных пластов земли. В случае КН2 существенны проблемы сжижения газа и снижения скорости его испарения при хранении. Для этого обычно используют двух-оболочечный резервуар с вакуумной теплоизоляцией. Возможно применение твердого теплоизоляционного материала. При этом скорость испарения составляет около 0,1 % в сутки. Испарившийся газ может подвергаться сжижению и направляться обратно в резервуар хранения.
Водород может храниться в адсорбированном виде на поверхности твердого пористого материала. При этом необходимо создать давление 1,0...10,0 МПа. Адсорбироваться способен также и жидкий водород.
При хранении водорода в химически связанном виде, например, в составе гидридов металлов или других соединений выделение водорода из гидридов достигается одним из двух путей: нагревания или реакции с водой (гидролиза). Наиболее эффективны гидриды NaBH4, MgH2, АШ3, LiBH4.
Дж. Андерсон и др. [7] и Дж.О. Абе и др. [8] констатируют, что наименьшая плотность хранящегося водорода реализуется в случае GH2, а наибольшая - при хранении LH2. Наиболее экономичны способы хранения в сжатом, сжиженном и адсорбированном видах, так как при этом не требуется много энергии для получения GH2, используемого для работы автомобильных двигателей. В случае использования гидридов металлов для получения GH2 требуется нагрев гидрида до температуры 100.300 °С в зависимости от его вида.
АЗС с использованием сжатого водорода
Рассмотрим особенности обеспечения пожарной безопасности АЗС, на которых водород присутствует в сжатом виде и поставляется с предприятий по его производству. При этом, как правило, применяются передвижные хранилища сжатого водорода.
Х.Р. Гые и др. [9] описали типичную АЗС с передвижным хранилищем Н2 в баллонах с давлением до 18 МПа, осуществляющую заправку автомобилей в городах. Станция
предназначена для одновременной заправки до 10 легковых автомобилей и до 2 автобусов. Размеры станции в плане 100*65 м. Газ из передвижного хранилища подается на компрессор, сжимающий его до давления 70 МПа, а затем в топливный бак заправляемого автомобиля. В состав АЗС входят передвижное хранилище, компрессор, распределительные трубопроводы, топливораздаточные колонки (ТРК) и пульт управления. Выполнен расчет риска для указанного объекта. Потенциальный риск вблизи ТРК превышает 10-3 год-1, а на расстоянии 400 м от АЗС составляет 10-4 год-1. Социальный риск появления жертв числом не более 100 превышает 10-4 год-1. Авторы делают вывод о недопустимости столь высокого риска и необходимости его снижения как минимум в 10 раз за счет дополнительных защитных мероприятий (например, оснащения станции датчиками довзрывоопасных концентраций, применения систем аварийного отключения, противопожарных экранов и т.п.).
Л.К. Ширвил и др. [10] экспериментально исследовали модельный пожар на АЗС со сжатым водородом. Изучен выброс струи Н2 в загроможденное пространство, имитирующее загромождение на реальной станции, с образованием и сгоранием в указанном пространстве водородовоздушной смеси. В экспериментах загромождение моделировало два резервуара хранения водорода, заправляемый автомобиль и ограждающий экран между ТРК и резервуарами хранения. Модель резервуара хранения имела размеры 0,6*0,9*2,1 м. Модель автомобиля имела размеры 3,8*1,7*1,3 м и была размещена на высоте 0,3 м от поверхности земли. Модель АЗС помещали в прозрачную пластиковую оболочку размерами 5,4*6,0*2,5 м, куда подавали водород. Проведены эксперименты двух типов:
1) с предварительно перемешанной водо-родовоздушной смесью, зажигаемой в различных местах (между моделями резервуаров хранения, между моделями резервуаров хранения и моделью автомобиля, под моделью автомобиля) искровым источником с энергией 50 мДж;
2) с зажиганием струи Н2, истекающей из отверстия диаметром 8 мм под давлением 40 МПа, при различных временах задержки зажигания.
Измеренные давления взрыва составляли, кПа: 31,7.136,6 вблизи модели автомобиля; 3,2.6,3 на расстоянии 30 м; 0,3.0,8
на расстоянии 100 м. Полученные результаты говорят о возможности реализации давлений взрыва, опасных для расположенных вблизи АЗС зданий и сооружений.
А.Дж. Маттхийсен и Э.С. Куи [11] провели расчетную оценку безопасных расстояний от АЗС на сжатом водороде до соседних объектов. Рассмотрены случаи, когда давление в топливном резервуаре автомобиля составляло 35 и 70 МПа. Найдено, что определенные в работе безопасные расстояния сравнимы с аналогичными величинами для АЗС на жидком моторном топливе и компримированном природном газе, в то время как для станции с наличием сжиженных углеводородных газов безопасные расстояния существенно выше. Сделан вывод о возможности размещения ТРК с водородом на АЗС с жидким моторным топливом.
К. Редди и др. [12] отметили, что АЗС на сжатом водороде с передвижным хранилищем топлива могут быть столь же безопасными, как станции с жидким моторным топливом, и при этом иметь более низкую стоимость. К. Сан и др. [13] проанализировали риск для водородной АЗС с передвижным блоком хранения топлива, размещенной в условиях плотной городской застройки. Риск оценен как для персонала объекта, так и для людей на окружающих станцию объектах. Показано, что риск аварии на указанной АЗС более, чем на порядок величины ниже установленных критериев. Наибольший вклад в величину риска дает нагнетательный компрессор, обеспечивающий необходимое для заправки автомобилей давление водорода. Утечки из резервуаров хранения значительно менее вероятны, но приводят к более тяжелым последствиям. Риск, связанный с перемещением передвижного блока хранения водорода по улицам города, может быть снижен до допустимого уровня путем организационно-технических мероприятий (например, перемещения блока хранения в ночное время, когда улицы города практически пусты).
М. Азума и др. [14] описали передвижной блок хранения водорода с баллонами из композитных материалов. Ранее для хранения водорода использовали стальные баллоны, рассчитанные на давление 19,6 МПа. Предложено использовать баллоны из композитных материалов с рабочими давлениями 35 и 45 МПа. В статье описаны конструкции указанных передвижных блоков хранения водорода. Также изучена возможность применения баллонов
из композитных материалов, которые рассматриваются как наиболее удобный способ хранения водорода под высоким давлением как в случае резервуаров АЗС, так и в случае топливных баков автомобилей [15]. Эти баллоны ведут себя при нагреве совершенно иначе, чем стальные баллоны, которые быстро нагреваются и передают тепло к хранящемуся газу с соответствующим ростом давления. В случае баллонов из композитных материалов рост давления при тепловом воздействии не превышает 10 % от первоначальной величины. В работе экспериментально изучено воздействие имитатора полного охвата пламенем поверхности баллона в предположении, что факельное горение менее опасным.
Проанализирована также проблема определения безопасных расстояний для водородной АЗС на сжатом газе [16]. Одним из способов определения безопасных расстояний является рассмотрение максимальной проектной аварии. При этом используются различные критерии поражения людей и окружающих объектов (например, предельно допустимая плотность теплового потока: 1,6 кВт/м2 при длительном воздействии на человека; 4,7 кВт/м2 при воздействии в течение 20 с; 25 кВт/м2 при длительном воздействии на соседние здания и сооружения). Альтернативным является подход, основанный на построении полей потенциального риска. В качестве примера взята водородная АЗС, предназначенная для ежедневной заправки 100 автомобилей с топливными резервуарами автомобилей, рассчитанными на давление до 70 МПа. Блок хранения водорода содержал 51 баллон емкостью 250 л каждый. Найдено, что опасные расстояния составляют:
• 33 м для смертельного поражения людей тепловым излучением;
• 25 м для смертельного поражения при возникновении пожара-вспышки.
Взрыв водородовоздушной смеси не рассматривался, так как в силу малой загромож-денности территории станции его вклад значительно меньше, чем вклады других упомянутых опасных сценариев аварии.
АЗС с использованием LH2
Переходя к рассмотрению пожарной опасности АЗС с использованием КН2 отметим, что в этом случае речь идет только о доставке топлива на станцию (в том числе и многотопливную). При этом предусматривается не загрузка LH2
непосредственно в топливный бак автомобиля, а регазификация LH2 с дальнейшим его ком-примированием для подачи в топливный бак.
Дж. Сакамото и др. [17] теоретически изучили воздействие пожара пролива бензина диаметром 3 м на многотопливной АЗС на резервуар хранения LH2. Длительность горения составила 30 мин. Варьировали расстояние от границ пролива бензина до резервуара хранения LH2 в диапазоне от 3,5 до 14 м. При этом температура внешней оболочки двухстенного резервуара хранения LH2, обращенной в сторону пожара пролива, находится в диапазоне от 300 до 800 °С. Сделан вывод, что минимально допустимое расстояние от границ пожара пролива до резервуара хранения LH2 составляет 14 м, в то время как согласно японским нормативным документам это расстояние равно 3,9 м, а по европейским нормативам - 8 м.
С. Кукукава и др. [18] рассчитали риск для АЗС с LH2. Оценены последствия аварий с оборудованием, содержащим LH2. Получены данные по качественному анализу риска (матрица риска), и предложены мероприятия по его снижению. В качестве примера рассмотрена станция пропускной способностью 10 заправляемых автомобилей в час. Жидкий водород хранится в двухоболочечном резервуаре. Технологические трубопроводы (включая заправочные рукава) являются двухстенными. Поставлена цель сделать АЗС с наличием LH2 столь же безопасными, что и станции на жидком моторном топливе. Рассматриваемая АЗС имеет следующие параметры:
• объем емкости хранения КН2 - 17 м3, рабочее давление - 0,35 МПа;
• на станции имеются две ТРК;
• скорость заправки автомобиля - 380 л/ч;
• емкость топливного бака автомобиля -38 л.
Рассмотрен 131 сценарий аварии. В качестве опасных проявлений аварии учитывали взрыв газового облака и факельное горение. Найдено, что при истечении КН2 из отверстия диаметром 1 мм с образованием и сгоранием газового облака давление взрыва на границе АЗС не превышает 30 кПа. При факельном горении длина факела составляет 10 м при диаметре истечения 14 мм и 1,7 м при диаметре истечения 1 мм. При диаметре истечения 0,2 мм факел не образуется. Предложены необходимые защитные мероприятия, среди которых основными являются применение
противопожарных экранов высотой 2 м, прокладка подземных технологических трубопроводов в специальных каналах, размещение технологического оборудования на едином фундаменте для защиты от землетрясений и подвижек грунта, контроль давления в межстенном пространстве резервуара хранения LH2.
Одной из основных опасностей, связанных с применением КН2 (в том числе на АЗС), является образование факела при истечении топлива. Экспериментально изучены параметры теплового излучения от факельного горения струи LH2 [19]. Найдено, что плотность теплового потока от факела при истечении LH2 из отверстия диаметром 1 мм на расстоянии 1,8 м от оси факела составляет 9 кВт/м2. Важной особенностью по сравнению с факелом углеводородного топлива является низкая доля теплоты сгорания, переходящей в излучение (около 0,06).
АЗС с получением водорода непосредственно на станции
Одним из способов снабжения водородной АЗС топливом является его получение непосредственно на станции путем разложения ме-тилциклогексана [20-22]. Технологический процесс на такой станции реализуется следующим образом [20]. На станцию в автоцистернах доставляется метилциклогексан и сливается в подземный резервуар хранения. Далее ме-тилциклогексан поступает в реактор дегидрогенизации, где в результате теплового разложения продукта получают водород. При этом толуол является побочным продуктом, который сливается в подземный резервуар, откуда его увозят автоцистернами для последующего использования в химической промышленности. Выделившийся водород компримируется и подается на очистку, после которой он опять ком-примируется до рабочего давления 82 МПа и направляется в резервуары хранения с дальнейшей подачей на ТРК. Резервуары хранения сжатого водорода выгорожены противопожарными экранами. Предусматриваются следующие меры безопасности:
• защита ТРК от наезда автомобилей;
• противопожарные экраны;
• датчики довзрывоопасных концентраций;
• спринклерная система водяного орошения технологического оборудования;
• система аварийного сброса давления;
• первичные средства пожаротушения;
• автоматическая установка пожарной сигнализации.
К. Цунеми и др. [21] проанализировали последствия аварий на АЗС рассматриваемого типа, связанных с утечкой газообразного водорода, а также с проливом метилциклогексана и толуола. Оценены параметры ударной волны при взрыве водородовоздушных смесей, теплового излучения от факела GH2 и пожаров пролива метилциклогексана и толуола, поражения токсичными парами указанных жидкостей. Найдено, что опасные факторы взрыва и токсического поражения распространяются за пределы АЗС, но их вклад в опасность объекта сравнительно невелик. В то же время, воздействие факела хотя и локализовано в пределах территории станции, но представляет более высокую опасность. Аналогичные выводы сделаны Дж. Накаямой и др. [22].
Основные положения нормативных документов в части водородных АЗС
В Российской Федерации действует стандарт ГОСТ Р 55226-2012 «Водород газообразный. Заправочные станции», представляющий собой адаптированный перевод международного стандарта ISO/TS 20100:2008 «Gaseous hydrogen - Fueling stations». Водородная АЗС может включать в себя:
• системы подачи GH2 или LH2 по трубопроводу или от автомобильных транспортных средств;
• автономные генераторы водорода, использующие процесс электролиза воды, или генераторы водорода, применяющие технологии переработки органического топлива;
• системы хранения, перекачивания и испарения сжиженного водорода;
• системы очистки и компримирования GH2;
• устройства для хранения GH2;
• топливораздаточные колонки GH2.
Водородные АЗС должны располагаться
таким образом, чтобы минимизировать риск аварий для потребителей и персонала станции и людей на соседних объектах. На АЗС должно быть ограждение из негорючих материалов высотой не менее 2 м, между которым и технологическим оборудованием должен быть существовать шириной не менее 0,8 м.
Резервуары с LH2 должны размещаться на открытых площадках с обеспечением условий проветриваемости и защиты от наезда
автотранспорта. Все противопожарные стены и перегородки следует изготавливать из негорючих материалов с обеспечением пределов огнестойкости не менее 90 мин. В месте расположения резервуаров должны быть предусмотрены обвалования. Вентиляционные трубопроводы, в том числе на устройствах сброса давления, должны соединяться со сбросной трубой с выполнением условий предотвращения попадания выходящего газа в места нахождения людей и оборудования.
ТРК следует размещать вне навесов, за исключением случаев, когда конструкция навеса исключает образование скоплений водорода под крышей навеса. Перед заправочным рукавом необходимо установить клапан, автоматически перекрывающий подачу газа при повреждении рукава с утечкой газа. При аварийном прекращении подачи газа ее возобновление возможно только в ручном режиме.
В радиусе 3 м от любого технологического оборудования с водородом не должны присутствовать горючие вещества и материалы. Приведены значения безопасных расстояний от наземных систем хранения GH2 или LH2 до других объектов на территории станции. Безопасные расстояния допускается сокращать при применении противопожарных экранов с пределом огнестойкости не менее 2 ч. Противопожарные экраны не должны устанавливаться более чем с двух сторон от резервуаров хранения водорода.
Помещения с наличием водорода следует снабжать принудительной вентиляцией, производительность которой обеспечивает непревышение концентрацией водорода значений 1 % об. при непрерывно действующей вентиляции и 0,4 % об. при аварийной вентиляции. В местах возможных выбросов водорода должны быть установлены датчики довзрывоопас-ных концентраций.
Как упомянуто выше, ГОСТ Р 55226-2012 является адаптированным переводом международного стандарта ISO/TS 20100:2008. Содержащиеся там требования вряд ли можно считать исчерпывающими с точки зрения обеспечения пожарной безопасности. Так, например, указанные там расстояния вряд ли могут считаться противопожарными в силу их аномальной малости, что ясно из их сравнения с данными, полученными в ходе оригинальных научных исследований (см., например, [16]). Кроме того, многие требования
стандарта записаны неконкретно (например, в отношении размещения резервуаров GH2 на козырьках и крышах АЗС). Ссылки приведены на стандарты ИСО, что затрудняет использование этого стандарта при проектировании водородных АЗС.
Одним из основных международных нормативных документов, регламентирующих безопасность объектов водородной энергетики, является стандарт NFPA 2 «Hydrogen Technologies Code» в редакции 2016 года. Рассмотрим основные положения этого стандарта, посвященные автозаправочным станциям на сжатом и сжиженном водороде.
Основные требования к АЗС на сжатом водороде заключаются в следующем. Система защиты от недопустимого давления (более 120 % от рабочего давления) не должна содержать разрывных мембран. Технологические трубопроводы должны быть стальными, при этом допускаются только сварные соединения. Гибкие трубопроводы могут быть использованы только для заправочных рукавов, которые должны быть снабжены обратными клапанами, автоматически перекрывающими указанные рукава при их повреждении. Заправочную площадку нужно оборудовать датчиками довзрывоо-пасных концентраций системы газового анализа и автоматической пожарной сигнализацией. При срабатывании датчиков указанных систем в автоматическом режиме заправку автомобиля следует прекратить, и возобновлена она может быть только ручным способом. При потере электроснабжения аварийная запорная арматура должна срабатывать автоматически. Заправочная площадка должна быть оснащена не менее чем двумя огнетушителями, расположенными на расстоянии не более 15 м от нее. Регламентированы минимально допустимые расстояния от АЗС до соседних зданий и сооружений. При соблюдении ряда дополнительных требований допускается расположение топливозаправочных пунктов в помещениях.
АЗС на LH2 должны отвечать приведенным выше требованиям для станций на сжатом газе, а также ряду дополнительных требований. Технологическое оборудование (за исключением ТРК и заправочных рукавов) следует отделять от прочих зданий и сооружений противопожарными экранами. Аварийные сбросные клапаны должны осуществлять сброс продукта через сбросную трубу. Заправка автомобилей в помещениях не допускается.
Сформулированы требования к технологическому оборудованию и его обслуживанию: технологическое оборудование должно размещаться на открытых площадках, на которых допускается использование навесов из негорючих материалов для защиты от неблагоприятных погодных условий. Заправочная площадка должна иметь бетонное покрытие, применение асфальта не допускается. Возможно использование передвижных АЗС.
***
В настоящей работе проведен анализ работ зарубежных исследователей в области обеспечения пожаровзрывобезопасности АЗС, осуществляющих заправку автомобилей водородом как моторным топливом. Рассмотрены различные способы хранения водорода (в газообразном, жидком, адсорбированном виде, в составе гидридов металлов или иных соединений). Проанализированы особенности по-жаровзрывоопасности АЗС с использованием GH2 и LH2, включая необходимые мероприятия по обеспечению их безопасности. Особо отмечены водородные АЗС, на которых водород получают непосредственно на станции путем дегидрогенизации метилциклогек-сана. Проанализированы основные положения российского стандарта ГОСТ Р 55226-2012 и международного стандарта ОТРА 2, касающиеся АЗС с наличием сжатого и сжиженного водорода.
На основании анализа могут быть сделаны следующие выводы. В ряде стран (Япония, Южная Корея, Китай) активно ведутся работы по созданию водородных АЗС, являющихся экологически более безопасными по сравнению со станциями на углеводородном топливе (как газообразном, так и жидком). Выполнены достаточно многочисленные научные исследования в области обеспечения пожаровзры-вобезопасности водородных АЗС. Показано, что при выполнении необходимых защитных мероприятий водородные АЗС могут быть столь же безопасными, как станции на углеводородном топливе. Созданы российский ГОСТ 55226-2012 и международный стандарт ОТРА 2, регламентирующие требования безопасности к водородным АЗС. Совокупность упомянутых работ может быть положена в основу создания отечественного свода правил в области пожарной безопасности, регламентирующего требования к водородным
АЗС. При этом необходимы также нормативные документы, предъявляющие требования пожарной безопасности как к автомобилям на водородном топливе, так и к соответствующим объектам инфраструктуры (стоянки
автомобилей на водороде, предприятия по обслуживанию автомобилей на водороде), а также правила пожарной безопасности при их эксплуатации и т.п.
Список литературы
1. Макеев В.И. Безопасность объектов
с использованием жидких криогенных продуктов // Пожаровзрывобезопасность. -1992. - Т. 1. - № 3. - С. 34-45.
2. Болодьян И.А. Взрывопожароопасность низкотемпературных облаков водорода
в атмосфере / И.А. Болодьян, Х.С. Кестенбойм, Г.М. Махвиладзе и др. // Горение гетерогенных и газовых систем: м-лы IX Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. -Черноголовка: Институт химической физики АН СССР, 1989. - С. 15-17.
3. Карпов В.Л. Пожаробезопасность регламентных и аварийных выбросов горючих газов. Ч. 1: Предельные условия устойчивого горения и тушения диффузионных факелов
в атмосфере // Пожаровзрывобезопасность. -1998. - Т. 7. - № 3. - С. 36-43.
4. Шебеко Ю.Н. Закономерности образования и горения локальных водородовоздушных смесей в большом объеме / Ю.Н. Шебеко,
B.Д. Келлер, О.Я. Еременко и др. // Химическая промышленность. - 1988. - № 12. - С. 728-731.
5. Dadashzaden M. Modeling of hydrogen tank fueling / M. Dadashzaden, D. Makarov,
V. Molkov // Proc. of the 9th International seminar on fire and explosion hazards. - СПб.: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2019. - Т. 2. - С. 1396-1407.
6. Gocalp I. A holistic approach to promote the safe development of hydrogen as an energy vector / I. Gocalp // Proc. of the 9th International seminar on fire and explosion hazards. -
СПб.: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2019. - Т. 2. -
C. 1387-1395.
7. Andersson J. Large-scale storage of hydrogen / J. Andersson, S. Gronkvist // International Journal of Hydrogen Energy. - 2019. - Т. 44. -С. 11901-11919.
8. Abe J.O. Hydrogen energy, economy and storage: review and recommendations / J.O. Abe,
A.P.I. Popoola, E. Ajenifuja // International Journal of Hydrogen Energy. - 2019. - Т. 44. -С. 15072-15086.
9. Gye H.R. Quantitative risk assessment of an urban hydrogen refueling station / H.R. Gye, S.K. Seo, Q.V. Bach, et al. // International Journal
of Hydrogen Energy. - 2019. - T. 44. -C. 1288-1298.
10. Shirvil L.C. Safety studies of high-pressure vehicle refueling stations: Releases into a simulated
high pressure dispensing area / L.C. Shirvil, T.A. Roberts, M. Royle, et al. // International Journal of Hydrogen Energy. - 2012. - T. 37. -C. 6949-6964.
11. Matthijsen A.J. Safety distances for hydrogen filling stations / A.J. Matthijsen, E.S. Kooi // International Journal of Hydrogen Energy. -2006. - T. 19. - № 6. - C. 719-723.
12. Reddi K. Hydrogen refueling station compression and storage optimization with tube-trailer deliveries / K. Reddi, A. Elgowainy,
E. Sutherland // International Journal of Hydrogen Energy. - 2014. - C. 39. - № 33. -C. 19169-19181.
13. Sun K. Risk analysis on mobile hydrogen refueling stations in Shanghai / K. Sun, X. Pan, Z. Li,
et al. // International Journal of Hydrogen Energy. - 2014. - T. 39. - № 35. -C. 20411-20419.
14. Azuma M. Safety design of compressed hydrogen trailers with composite cylinders / M. Azuma,
K. Oimatsu, S. Oyama, et al.// International Journal of Hydrogen Energy. - 2014. - T. 39. -№ 35. - C. 20420-20425.
15. Blane-Vannet P. Fire tests carried out in FGH JU Firecomp project, recommendations and application to safety of gas storage systems /
P. Blane-Vannet, S. Jallais, B. Fuster, et al. // International Journal of Hydrogen Energy. -2019. - T. 44. - C. 9100-9109.
16. La Chance J. Risk-informed separation distances for hydrogen refueling stations / J. La Chance // International Journal of Hydrogen Energy. -2009. - T. 34. - C. 5838-5845.
17. Sakamoto J. Effect of gasoline pool fire on liquid hydrogen storage tank in hybrid hydrogen-gasoline fueling station / J. Sakamoto, J. Nakayama,
T. Nakarai, et al. // International Journal of Hydrogen Energy. - 2016. - T. 41. -C. 2096-2104.
18. Kukukawa S. Risk assessment for liquid hydrogen fueling stations / S. Kukukawa, H. Mitsuhashi,
A. Miyake // International Journal of Hydrogen Energy. - 2009. - T. 34. - № 2. - C. 1135-1141.
19. Friedrich A. Ignition and heat radiation of cryogenic hydrogen jets / A. Friedrich, W. Breitung, G. Stern, et al. // International Journal of Hydrogen Energy. - 2012. - T. 37. -C. 17589-17598.
20. Nakayama J. Security risk analysis of a hydrogen fueling station with an on-site hydrogen production system involving methylcyclohexane / J. Nakayama, N. Kasai, T. Shibutani, et al. // International Journal of Hydrogen Energy. -2019. - T. 44. - C. 9110-9119.
21. Tsunemi K. Estimation of consequences and damage caused by an organic hydrogen refueling station / K. Tsunemi, K. Yoshida, M. Yoshida, et al. // International Journal
of Hydrogen Energy. - 2017. - T. 42. - № 41. -C. 26175-26182.
22. Nakayama J. Preliminary hazard identification for qualitative risk assessment on a hybrid gasoline-hydrogen fueling station with on-site hydrogen production system using organic chemical hydride / J. Nakayama, J. Sakamoto, N. Kasai,
et al. // International Journal of Hydrogen Energy. - 2016. - T. 41. - C. 7518-7525.
International practice of fire safety support for hydrogen motor filling stations
Yu.N. Shebeko1, I.A. Bolodyan1*
1 FGBU All-Russian Scientific Research Institute for Fire Protection, Bld. 12, VNIIPO, Balashikha, Moscow region, 143903, Russian Federation * E-mail: ivanbolodyan@yandex.ru
Abstract. An application of hydrogen as a motor fuel is a very important practical task because of a challenge to prevent the atmosphere pollution by greenhouse gases. Many investigators were looking for ways to solve this problem. This study is dedicated to analysis of the scientific works concerning the fire and explosion safety provision of car refueling stations (CRS), which distribute hydrogen as a motor fuel.
Safe storing a hydrogen motor fuel is one of the most difficult problem for designing the hydrogen CRSs. Authors consider the perspective methods of storing gaseous and liquid hydrogen, hydrogen adsorption, an application of hydrogen hydrides. The peculiarities of the fire safety provision are considered for the hydrogen CRSs distributing either the compressed hydrogen (it is mentioned that mobile CRSs are most suitable in this case), or the liquid hydrogen (hydrogen is delivered by car tanks from a plant, then is stored at the CRS, and then is regasified, compressed and transferred to cars). Production of hydrogen on a site by dehydrogenation of methylcyclohexane is one of the perspective tool for hydrogen CRS. Methylcyclohexane is delivered by car tanks, and after dehydrogenation hydrogen is compressed, stored and transferred to cars. The main features of the fire safety provision of these stations are analyzed.
Requirements of the standards GOST R 55226-2012 (ISO/TS 20100: 2008) and NFPA 2 "Hydrogen Technologies Code" for CRS which use compressed and liquid hydrogen are studied. Authors conclude that the hydrogen CRSs could become safe like the stations with a hydrocarbon fuel if the necessary fire protection measures are fulfilled. In Russia, there should be the domestic fire safety rules for the hydrogen CRSs. These rules are to be prepared using the international experience.
Keywords: hydrogen safety; methods for a hydrogen storage; compressed hydrogen; liquid hydrogen; hydrogen generation on a refueling station.
References
1. MAKEYEV, V.I. Safety of objects with an application of liquid cryogenic products [Bezopasnost obyektov s ispolzovaniyem zhidkikh kriogennykh produktov]. Pozharovzryvobezopasnost, 1992, vol. 1, no. 3, pp. 34-45, ISSN 0869-7493. (Russ.).
2. BOLODIAN, I.A., H.S. KESTENBOYM, G.M. MAKHVILADZE, et al. Fire and explosion hazard of low temperature clouds of hydrogen in atmosphere [Vzryvopozharoopasnost nizkotemperaturnykh oblakov vodoroda v atmosphere]. In: Combustion of Heterogenic and Gaseous Systems [Goreniye Geterogennykh i Gazovykh Ssstem]: Proc. of the 9th All-Union Symposium on Combustion and Explosion, Chernogolovka, Institute of Chemical Physics, 1989, pp. 15-17. (Russ.).
3. KARPOV, V.L. Fire safety of regular and accidental release of flammable gases [Pozharobezopasnost reglamentnykh i avariynykh vybrosov goryuchikh gazov]. Pt. 1. Limiting conditions of stable burning and extinguishing of jet flames in still air [Predelnyye usloviya ustoychivogo goreniya i tusheniya diffuzionnykh fakelov v atmosphere]. Pozharovzryvobezopasnost, 1998, vol. 7, no. 3, pp. 36-43, ISSN 0869-7493. (Russ.).
4. SHEBEKO, Yu.N., V.D. KELLER, O.Ya. YEREMENKO, et al. Peculiarities of formation and combustion of local hydrogen-air mixtures in a large volume [Zakonomernosti obrazovaniya i goreniya lokalnykh vodorodovozdushnykh smesey v bolshom obyeme]. Khimicheskaya Promyshlennost, 1988, no. 12, pp. 728-731. (Russ.).
5. DADASHZADEN M., D. MAKAROV, V. MOLKOV. Modeling of hydrogen tank fueling. In: Proc. of the 9th International Seminar on Fire and Explosion Hazards. St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 2019, vol. 2, pp. 1396-1407.
6. GOCALP, I. A holistic approach to promote the safe development of hydrogen as an energy vector. In: Proc. of the 9th International Seminar on Fire and Explosion Hazards. St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 2019, vol. 2, pp. 1387-1395.
7. ANDERSSON, J., S. GRONKVIST. Large-scale storage of hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy, 2019, vol. 44, pp. 11901-11919, ISSN 0360-3199.
8. ABE, J.O., A.P.I. POPOOLA, E. AJENIFUJA. Hydrogen energy, economy and storage: review and recommendations. International Journal ofHydrogen Energy, 2019, vol. 44, pp. 15072-15086, ISSN 0360-3199.
9. GYE, H.R., S.K. SEO, Q.V. BACH, et al. Quantitative risk assessment of an urban hydrogen refueling station. International Journal ofHydrogen Energy, 2019, vol. 44, pp. 1288-1298, ISSN 0360-3199.
10. SHIRVIL, L.C., T.A. ROBERTS, M. ROYLE, et al. Safety studies of high-pressure vehicle refueling stations: Releases into a simulated high pressure dispensing area. International Journal of Hydrogen Energy, 2012, vol. 37, pp. 6949-6964, ISSN 0360-3199.
11. MATTHIJSEN, A.J., E.S. KOOI. Safety distances for hydrogen filling stations. International Journal ofHydrogen Energy, 2006, vol. 19, no. 6, pp. 719-723, ISSN 0360-3199.
12. REDDI, K., A. ELGOWAINY, E. SUTHERLAND. Hydrogen refueling station compression and storage optimization with tube-trailer deliveries. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, vol. 39, no. 3, pp. 19169-19181, ISSN 0360-3199.
13. Sun, K., X. Pan, Z. Li, et al. Risk analysis on mobile hydrogen refueling stations in Shanghai. International Journal ofHydrogen Energy, 2014, vol. 39, no. 35, pp. 20411-20419, ISSN 0360-3199.
14. AZUMA, M., K. OIMATSU, S. OYAMA, et al. Safety design of compressed hydrogen trailers with composite cylinders. International Journal ofHydrogen Energy, 2014, vol. 39, no. 35, pp. 20420-20425, ISSN 0360-3199.
15. BLANE-VANNET, P., S. JALLAIS, B. FUSTER, et al. Fire tests carried out in FGH JU Firecomp project, recommendations and application to safety of gas storage systems. International Journal ofHydrogen Energy, 2019, vol. 44, pp. 9100-9109, ISSN 0360-3199.
16. LA CHANCE, J. Risk-informed separation distances for hydrogen refueling stations. International Journal ofHydrogen Energy, 2009, vol. 34, pp. 5838-5845, ISSN 0360-3199.
17. SAKAMOTO, J., J. NAKAYAMA, T. NAKARAI, et al. Effect of gasoline pool fire on liquid hydrogen storage tank in hybrid hydrogen-gasoline fueling station. International Journal of Hydrogen Energy, 2016, vol. 41, pp. 2096-2104, ISSN 0360-3199.
18. KUKUKAWA, S., H. MITSUHASHI, A. MIYAKE. Risk assessment for liquid hydrogen fueling stations. International Journal ofHydrogen Energy, 2009, vol. 34, no. 2, pp. 1135-1141, ISSN 0360-3199.
19. FRIEDRICH, A., W. BREITUNG, G. STERN, et al. Ignition and heat radiation of cryogenic hydrogen jets. International Journal ofHydrogen Energy, 2012, vol. 37, pp. 17589-17598, ISSN 0360-3199.
20. NAKAYAMA, J., N. KASAI, T. SHIBUTANI, et al. Security risk analysis of a hydrogen fueling station with an on-site hydrogen production system involving methylcyclohexane. International Journal of Hydrogen Energy, 2019, vol. 44, pp. 9110-9119, ISSN 0360-3199.
21. TSUNEMI, K., K. YOSHIDA, M. YOSHIDA, et al. Estimation of consequences and damage caused by an organic hydrogen refueling station. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, vol. 42, no. 41, pp. 26175-26182, ISSN 0360-3199.
22. NAKAYAMA, J., J. SAKAMOTO, N. KASAI, et al. Preliminary hazard identification for qualitative risk assessment on a hybrid gasoline-hydrogen fueling station with on-site hydrogen production system using organic chemical hydride. International Journal ofHydrogen Energy, 2016, vol. 41, pp. 7518-7525, ISSN 0360-3199.
