firesmiПожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion SafetyPozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety0869-74932587-6201ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.22227/0869-7493.2022.31.02.41-51firesmi-1103Research ArticleБЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВSAFETY OF BUILDINGS, STRUCTURES, OBJECTSПожарная безопасность объектов инфраструктуры транспорта на водородном топливеThe fire safety of infrastructure facilities for hydrogen-powered vehicleshttps://orcid.org/0000-0002-5849-6956ГордиенкоД. М.GordienkoD. M.

Гордиенко Денис Михайлович, д-р техн. наук, начальник института

РИНЦ ID: 301154; Scopus Author ID: 2073393280; Researcher ID: 301154

143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, 12

Denis M. Gordienko, Dr. Sci. (Eng.), Head of Institute

ID RISC: 301154; Scopus Author ID: 2073393280; Researcher ID: 301154

12, Balashikha, Moscow Region, 143903

d_m_gordienko@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1916-2547ШебекоЮ. Н.ShebekoYu. N.

Шебеко Юрий Николаевич, д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник

РИНЦ ID: 47042; Scopus Author ID: 7006511704

143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, 12

Yury N. Shebeko, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Chief Researcher

ID RISC: 47042; Scopus Author ID: 7006511704

12, Balashikha, Moscow Region, 143903

yn_shebeko@mail.ruВсероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствийРоссияAll-Russian Research Institute for Fire Protection of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural DisastersRussian Federation2022030620223124151Copyright © Гордиенко Д.М., Шебеко Ю.Н., 20222022Гордиенко Д.М., Шебеко Ю.Н.Gordienko D.M., Shebeko Y.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.fire-smi.ru/jour/article/view/1103Введение

Введение. Статья содержит аналитический обзор отечественных и зарубежных публикаций, посвященных вопросам пожарной безопасности водородных автозаправочных станций (АЗС) и стоянок автомобилей на водородном топливе.

Общая характеристика пожарной опасности объектов инфраструктуры транспорта на водородном топливе. Дана общая характеристика специфики пожарной опасности объектов, использующих газообразный и сжиженный водород.

Водородные заправочные станции. Рассмотрены автозаправочные станции с использованием как газообразного, так и жидкого водорода. Показано, что для водородных АЗС наибольшую опасность представляет компрессорное оборудование, для которого значение потенциального риска на территории станции вблизи него превышает 10–4 год–1. Отмечено, что минимальное расстояние от указанного оборудования до окружающих объектов, не относящихся к станции, должно составлять 50 м.

Стоянки автомобилей на водородном топливе. Проанализирована специфика пожарной опасности стоянок для водородных автомобилей. Установлено, что при возникновении факельного горения при истечении водорода из сбросных клапанов топливных баков давление в гараже небольшого объема (индивидуальные гаражи) может достигать значения 55 кПа. Для струи водорода без образования факела указанное давление может достигать значения 10 кПа. Столь значительные давления при образовании факела вызваны высокой нормальной скоростью горения водорода, обусловливающей скорость тепловыделения во фронте пламени, существенно превышающую соответствующую величину для факелов углеводородных газов. Вследствие этого распространение требований, предъявляемых к помещениям для хранения автомобилей на углеводородном топливе, к гаражам для водородных автомобилей (как это регламентировано нормативным документом NFPA 2), может быть ошибочным.

Выводы

Выводы. Результаты проведенного анализа могут быть использованы при разработке нормативных документов, регламентирующих требования пожарной безопасности объектов инфраструктуры транспорта на водородном топливе.

Introduction

Introduction. The article offers an analytical review of domestic and foreign publications on the fire safety of hydrogen refueling stations and garages for hydrogen-powered vehicles.

General characteristics of the fire hazard of infrastructure facilities for hydrogen-powered vehicles. The authors offer the general characteristic of a specific fire hazard from facilities using compressed and liquid hydrogen.

Hydrogen refueling stations. Refueling stations using compressed and liquid hydrogen were considered in the article. It was found that compressors are the most hazardous items installed at refueling stations; therefore, the value of potential risks, arising in the area of a refueling station, exceeds 10–4 year–1. Experiments, simulating accidents at hydrogen refueling stations, are described. According to the authors, the minimal distance between the compressor and facilities located outside the station area should exceed 50 m.

Garages for hydrogen-powered vehicles. Features of the fire safety of garages for hydrogen-powered vehicles were analyzed. The authors have found that the overpressure inside a small garage (an individual garage) can reach 55 kPa in case of a jet flame caused by the release of hydrogen through the safety valves of fuel tanks. The overpressure of a hydrogen jet can reach 10 kPa in case of the unignited release of hydrogen. High pressure values that accompany the jet formation are triggered by the high normal burning velocity of hydrogen that boosts the velocity of heat release in the flame front, exceeding the same value for flares of hydrocarbon gases. Therefore, requirements, applicable to storage premises designated for vehicles powered by hydrocarbon fuel, may be erroneously extended to garages for hydrogen-powered vehicles (pursuant to NFPA 2).

Conclusions

Conclusions. The results of this analysis can be contributed to regulatory documents to be developed in the area of fire safety of infrastructure facilities for hydrogen-powered vehicles.

автозаправочные станциипомещения для хранения автомобилейгазообразный водороджидкий водородспецифика пожарной опасностиопасные факторы пожараrefueling stationsgaragesgaseous hydrogenliquid hydrogenfire safety featureshazardous fire factorsReferencesШебеко Ю.Н. Нормативные документы, регламентирующие вопросы пожарной безопасности объектов инфраструктуры водородной энергетики // Пожарная безопасность. 2020. № 4. С. 36–42. DOI: 10.37657/vniipo.pb.2020.101.4.003Shebeko Yu.N. Normative documents on fire safety of infrastructure objects of hydrogen energetic. Pozarnaya Bezopasnost/Fire Safety. 2020; 4:36-42. DOI: 10.37657/vniipo.pb.2020.101.4.003 (rus).Шебеко Ю.Н. Пожарная безопасность водородных автозаправочных станций // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2020. Т. 29. № 4. С. 42–50. DOI: 10.22227/PVB.2020.29.04.42-50Shebeko Yu.N. Fire safety of hydrogen filling stations. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2020; 29(4):42-50. (rus).Поваляев А.Е., Колбасов А.Ф., Козлов В.Н. Безопасность водородного транспорта // Транспорт на альтернативном топливе. Спецвыпуск. 2021. С. 25–30.Povalyaev A.E., Kolbasov A.F., Kozlov V.N. Safety of transport on hydrogen fuel. Alternative Fuel Transport. Special issue. 2021; 25-30.(rus).Hansen O.R. Hydrogen infrastructure — Efficient risk assessment and design optimization approach to ensure safe and practical solutions // Process Safety and Environment Protection. 2020. Vol. 143. Pp. 164–176. DOI: 10.1016/j.psep.2020.06.028Hansen O.R. Hydrogen infrastructure — Efficient risk assessment and design optimization approach to ensure safe and practical solutions. Process Safety and Environment Protection. 2020; 143:164-176. DOI: 10.1016/j.psep.2020.06.028Hansen O.R. Liquid hydrogen releases show dense gas behavior // International Journal of Hydrogen Energy. 2020. Vol. 45. Pp. 1343–1358. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.09.060Hansen O.R. Liquid hydrogen releases show dense gas behavior. International Journal of Hydrogen Energy. 2020; 45:1343-1358. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.09.060Fridrich A., Breitung W., Stern G., Veser A., Kuznetsov M. Ignition and heat radiation of cryogenic hydrogen jets // International Journal of Hydrogen Energy. 2012. Vol. 37. Pp. 17589–17598. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.07.070Fridrich A., Breitung W., Stern G., Veser A., Kuznetsov M. Ignition and heat radiation of cryogenic hydrogen jets. International Journal of Hydrogen Energy. 2012; 37:17589-17598. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.07.070Макеев В.И. Безопасность объектов с использованием криогенных продуктов // Пожаровзрывобезопасность/ Fire and Explosion Safety. 1992. Т. 1. № 3. С. 34–45.Makeev V.I. Safety of objects with an application of liquid cryogenic products. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 1992; 1(3):34-45. (rus).Болодьян И.А., Кестенбойм Х.С., Махвиладзе Г.М., Макеев В.И., Федотов А.П., Чугуев А.П. Взрывопожароопасность низкотемпературных облаков водорода в атмосфере // Горение гетерогенных и газовых систем : мат. 9-го Всесоюз. симп. по горению и взрыву. Черноголовка : Институт химической физики АН СССР, 1989. С. 15–17.Bolodian I.A., Kestenboym H.S., Makhviladze G.M., Makeev V.I., Fedotov A.P., Chuguev A.P. Fire and explosion hazard of low temperature clouds of hydrogen in atmosphere. Heterogeneous and Gas Systems Combustion : Proceedings of the 9th All-Union Symposium on Combustion and Explosion. Chernogolovka, Institute of Chemical Physics, 1989; 15-17. (rus).Yang F., Wang T., Deng X., Dang J., Huang Z., Hu S. et al. Review on hydrogen safety issues: Incident statistics, hydrogen diffusion, and detonation process // International Journal of Hydrogen Energy. 2021. Vol. 46. Pp. 31467–31488. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.07.005Yang F., Wang T., Deng X., Dang J., Huang Z., Hu S. et al. Review on hydrogen safety issues: Incident statistics, hydrogen diffusion, and detonation process. International Journal of Hydrogen Energy. 2021; 46:31467-31488. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.07.005Abohamzeh E., Salehi F., Sheikholeslami M., Abbassi R. Review of hydrogen safety during storage, transmission, and applications processes // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2021. Vol. 72. Pp. 104569. DOI: 10.1016/j.jlp.2021.104569Abohamzeh E., Salehi F., Sheikholeslami M., Abbassi R. Review of hydrogen safety during storage, transmission, and applications processes. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2021; 72:104569. DOI: 10.1016/j.jlp.2021.104569Pique S., Wienberger B., De-Dianous V., Debray B. Comparative study of regulations, codes and standards and practices on hydrogen fuelling stations // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42. Issue 11. Pp. 7429–7439. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.02.158Pique S., Wienberger B., De-Dianous V., Debray B. Comparative study of regulations, codes and standards and practices on hydrogen fuelling stations. International Journal of Hydrogen Energy. 2017; 42(11):7429-7439. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.02.158Tsunemi K., Kihara T., Kato E., Kawamoto A., Saburi T. Quantitative risk assessment of the interior of a hydrogen refueling station considering safety barrier systems // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Vol. 44. Pp. 23522–23531. DOI:10.1016/j.ijhydene.2019.07.027Tsunemi K., Kihara T., Kato E., Kawamoto A., Saburi T. Quantitative risk assessment of the interior of a hydrogen refueling station considering safety barrier systems. International Journal of Hydrogen Energy. 2019; 44:23522-23531. DOI:10.1016/j.ijhydene.2019.07.027Shirvill E.C., Roberts T.A., Royle M., Willoughby D.B., Sathiah P. Effects of congestion and confining walls on turbulent deflagrations in a hydrogen storage facility — Part 1: Experimental study // International Journal of Hydrogen Energy. 2018. Vol. 43. Pp. 7618–7642. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.02.135Shirvill E.C., Roberts T.A., Royle M., Willoughby D.B., Sathiah P. Effects of congestion and confining walls on turbulent deflagrations in a hydrogen storage facility — Part 1: Experimental study. International Journal of Hydrogen Energy. 2018; 43:7618-7642. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.02.135Tanaka T., Azuma T., Evans J.A., Cronin P.M., Jonson D.M., Cleaver R.P. Experimental study on hydrogen explosions in a full-scale hydrogen filling station model // International Journal of Hydrogen Energy. 2007. Vol. 32. Pp. 2162–2170. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2007.04.019Tanaka T., Azuma T., Evans J.A., Cronin P.M., Jonson D.M., Cleaver R.P. Experimental study on hydrogen explosions in a full-scale hydrogen filling station model. International Journal of Hydrogen Energy. 2007; 32:2162-2170. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2007.04.019Pan X., Li Z., Zhang C., Lv H., Liu S., Ma J. Safety study of wind-solar hybrid renewable hydrogen refueling station in China // International Journal of Hydrogen Energy. 2016. Vol. 41. Pp. 13315–13321.Pan X., Li Z., Zhang C., Lv H., Liu S., Ma J. Safety study of wind-solar hybrid renewable hydrogen refueling station in China. International Journal of Hydrogen Energy. 2016; 41:13315-13321.Карпов В.Л. Пожаробезопасность регламентных и аварийных выбросов горючих газов. Часть 1. Предельные условия устойчивого горения и тушения диффузионных факелов в не- подвижной атмосфере // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 1998. Т. 7. № 3. С. 36–43.Karpov V.L. Fire safety of regular and accidental releases of flammable gases. Part 1. Limiting conditions of stable combustion and extinguishing of jet flames in a still air. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 1998; 7(3):36-43. (rus).Saffers J.-B., Molkov V.V. Towards hydrogen safety engineering for reacting and non-reacting hydrogen releases // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2013. Vol. 26. Pp. 344–350. DOI: 10.1016/j.jlp.2011.05.002Saffers J.-B., Molkov V.V. Towards hydrogen safety engineering for reacting and non-reacting hydrogen releases. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2013; 26:344-350. DOI: 10.1016/j.jlp.2011.05.002La Chance J., Houf W., Middleton B., Fluer L. Analysis support development of risk-informed separation distances for hydrogen codes and standards. SAND2009-0874. Albuquerque : Sandia National Laboratory, 2009. 121 p.Chance J.La, Houf W., Middleton B., Fluer L. Analysis support development of risk-informed separation distances for hydrogen codes and standards. SAND2009-0874. Albuquerque, Sandia National Laboratory, 2009; 121.Pitts W.M., Yang J.C., Blais M., Joyce A. Dispersion and burning behavior of hydrogen released in a full-scale residential garage in the presence and absence of conventional automobiles // International Journal of Hydrogen Energy. 2012. Vol. 37. Pp. 17457–17469. DOI: 10.1016/J.IJHYDENE.2012.03.074Pitts W.M., Yang J.C., Blais M., Joyce A. Dispersion and burning behavior of hydrogen released in a full-scale residential garage in the presence and absence of conventional automobiles. International Journal of Hydrogen Energy. 2012; 37:17457-17469. DOI: 10.1016/J.IJHYDENE.2012.03.074Шебеко Ю.Н., Келлер В.Д., Еременко О.Я., Смолин И.М. Закономерности образования и горения локальных водородовоздушных смесей в большом объеме // Химическая промышленность. 1988. № 12. С. 728–731.Shebeko Yu.N., Keller V.D., Eremenko O.Ya., Smolin I.M. Peculiarities of formation and combustion of local hydrogen/air mixtures in a large volume. Khimicheskaya Promishlennost/Chemical Industry. 1988; 12:728-731.(rus).Brennan S., Hussein H.G., Makarov D., Shentsov V., Molkov V.V. Pressure effects of an ignited release from onboard storage in a garage with a single vent // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Vol. 44. Pp. 8927–8934. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.07.130Brennan S., Hussein H.G., Makarov D., Shentsov V., Molkov V.V. Pressure effects of an ignited release from onboard storage in a garage with a single vent. International Journal of Hydrogen Energy. 2019; 44:8927-8934. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.07.130Makarov D., Shentsov V., Kuznetsov M., Molkov V.V. Pressure peaking phenomenon: model validation against unignited release and jet fire experiments // International Journal of Hydrogen Energy. 2018. Vol. 43. Pp. 9454–9469. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.03.162Makarov D., Shentsov V., Kuznetsov M., Molkov V.V. Pressure peaking phenomenon: model validation against unignited release and jet fire experiments. International Journal of Hydrogen Energy. 2018; 43:9454-9469. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.03.162Brennan S., Molkov V. Safety assessment of unignited hydrogen discharge from onboard storage in garages with low levels of natural ventilation // International Journal of Hydrogen Energy. 2013. Vol. 38. Pp. 8159–8166. DOI: 10.1016/J.IJHYDENE.2012.08.036Brennan S., Molkov V. Safety assessment of unignited hydrogen discharge from onboard storage in garages with low levels of natural ventilation. International Journal of Hydrogen Energy. 2013; 38:8159-8166. DOI: 10.1016/J.IJHYDENE.2012.08.036Zhiyong Li, Yiying Luo. Comparison of hazard distances and accident duration between hydrogen vehicles and CNG vehicles // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Vol. 44. Pp. 8954–8959.Zhiyong Li, Yiying Luo. Comparison of hazard distances and accident duration between hydrogen vehicles and CNG vehicles. International Journal of Hydrogen Energy. 2019; 44:8954-8959.Bauwens C.R., Dorofeev S.B. CFD modeling and consequence analysis of an accidental hydrogen release in a large scale facility // International Journal of Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39. Pp. 20447–20454.Bauwens C.R., Dorofeev S.B. CFD modeling and consequence analysis of an accidental hydrogen release in a large scale facility. International Journal of Hydrogen Energy. 2014; 39:20447-20454.Lack A.W., Gaathaug A.V., Vaagsaether K. Pressure peaking phenomena: Unignited hydrogen release in confined spaces — Large scale experiments // International Journal of Hydrogen Energy. 2020. Vol. 45. Pp. 32702–32712.Lack A.W., Gaathaug A.V., Vaagsaether K. Pressure peaking phenomena: Unignited hydrogen release in confined spaces — Large scale experiments. International Journal of Hydrogen Energy. 2020; 45:32702-32712.Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М. : Наука, 1980. 478 с.Zeldovich Ya.B., Barenblatt G.I., Librovich V.B., Makhviladze G.M. Mathematical theory of combustion and explosion. Moscow, Nauka Publ., 1980; 478. (rus).Зельдович Я.Б., Воеводский В.В. Тепловой взрыв и распространение пламени в газах. Алма-Ата : Казахский государственный университет. 2004. 210 с.Zeldovich Ya.B., Voevodskii V.V. Thermal explosion and a flame propagation in gases. Alma Ata, Kazakh State University, 2004; 210. (rus).Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справочник / под ред. А.Н. Баратова и А.Я. Корольченко. Т. 1, 2. М. : Химия, 1990.Fire and explosion hazard of substances and materials and fire extinguishing agents : handbook. A.N. Baratov and A.Ya. Korolchenko (Eds.). Vol. 1, 2. Moscow, Khimiya Publ., 1990. (rus).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.