Причины аварий на водородных установках: исследование

Водород позиционируется как чистый, углеродно-нейтральный энергоноситель, способный к декарбонизации промышленности и транспорта. Однако его эффективность и малый вес сопряжены с определенными сложностями в обеспечении безопасности.

Новое исследование, опубликованное в International Journal of Hydrogen Energy, проведенное специалистами из Университета Нью-Йорка Тандон и Университетского колледжа Лондона, систематизирует анализ причин аварий на водородных объектах. Цель – определить, чем именно аварии, связанные с водородом, отличаются от обычных промышленных инцидентов, и каковы последствия для безопасности и регулирования.

Анализ более 700 инцидентов, зафиксированных в базе данных Hydrogen Incidents and Accidents Database (HIAD 2.0), показал, что 59% аварий с участием водорода вызваны типичными для других энергетических систем проблемами: конструктивными недостатками, механическими сбоями и человеческим фактором. Лишь 15% инцидентов напрямую связаны с внутренними свойствами самого водорода, такими как его высокая диффузия, низкая энергия воспламенения или способность вызывать деградацию металлов. В остальных случаях данных было недостаточно для точного определения причины.

«Безусловно, последствия пожара или взрыва на водородных объектах могут быть более серьезными из-за уникальных свойств горения этого газа. Однако, если рассматривать коренную причину инцидента, водород не является более опасным, чем другие легковоспламеняющиеся газы, используемые в промышленности», – отмечает ведущий автор исследования Огюстен Гибо, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники.

«Тем не менее, взаимодействие водорода с материалами и окружающей средой принципиально отличается. Опасность кроется в непонимании этих различий».

Эти различия обусловлены атомным масштабом водорода. Чрезвычайно малые молекулы водорода способны проникать сквозь решетки металлов, что недоступно для более крупных газов, таких как метан. Это приводит к тонким, но серьезным отказам материалов. Исследование подробно описывает несколько таких механизмов:

• Водородное охрупчивание: ослабление металлов за счет нарушения атомных связей.
• Водородное растрескивание: накопление под давлением водорода в микроскопических полостях, что в конечном итоге приводит к разрушению материала.
• Высокотемпературная водородная атака: взаимодействие водорода с углеродом в стали с образованием метана, что приводит к эрозии структуры.

Другие риски включают коррозию с участием водорода и хранение газа под давлением до 700 бар – в десятки раз выше, чем для природного газа.

Микроскопические процессы имеют далеко идущие последствия. Например, взрыв на водородной заправочной станции в Сандвике, Норвегия, в 2019 году был вызван не химией горения, а неисправностью компонента высокого давления. Этот случай подчеркнул, как незначительные механические дефекты могут быстро привести к серьезным последствиям в условиях эксплуатации водорода.

Гибо, также являющийся сотрудником Центра городских наук и прогресса, подчеркивает, что целью исследования не является преуменьшение рисков, связанных с водородом, а их четкое определение. «Наши выводы также указывают на то, где традиционные методы обеспечения безопасности не учитывают уникальное поведение водорода. Если мы сможем различать общие и специфические для водорода проблемы, то сможем сфокусировать регулирование и стандарты проектирования на решении правильных задач».

Авторы утверждают, что такое разграничение имеет решающее значение по мере расширения водородной инфраструктуры за пределы контролируемых промышленных объектов, охватывая городские заправочные станции, отопление жилых домов и хранение возобновляемой энергии. Существующие нормы, как отмечается, зачастую применяют универсальные коды безопасности или проектирования, которые не имеют прочной научной основы. Слишком осторожные правила могут замедлить внедрение и увеличить затраты, в то время как излишне разрешительные – оставят пробелы в защите.

Вместо этого исследователи выступают за основанные на риске и доказательствах стандарты безопасности, учитывающие специфическую химию и физику водорода. Они также призывают к улучшению сбора данных и международной координации, отмечая, что в настоящее время водородная промышленность лишена инструментов для систематического сбора данных и прозрачности.

«Задача, – говорит Гибо, – не просто в предотвращении аварий, а в достаточно быстром извлечении уроков из них, чтобы направлять быстро меняющийся энергетический ландшафт». По мере того как водород переходит из лабораторий в массовое применение, понимание того, какие отказы действительно являются «водородными», может оказаться столь же важным, как и сама технология.