firesmiПожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion SafetyPozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety0869-74932587-6201ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.22227/PVB.2020.29.04.42-50firesmi-894Research ArticleБЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВSAFETY OF BUILDINGS, STRUCTURES, OBJECTSПожарная безопасность водородных автозаправочных станцийFire safety of hydrogen filling stationshttps://orcid.org/0000-0003-1916-2547ШебекоЮ. Н.ShebekoYu. N.

ШЕБЕКО Юрий Николаевич, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник

РИНЦ ID: 47042; Scopus Author ID: 7006511704

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

Yury N. SHEBEKO, Doctor Sci. (Eng.), Professor, Chief Researcher, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia 

ID RISC: 47042; Scopus Author ID: 7006511704 

VNIIPO, 12, Balashikha, Moscow Region, 143903

 

yn_shebeko@mail.ruВсероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС РоссииРоссияAll-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of RussiaRussian Federation2020300820202944250Copyright © Шебеко Ю.Н., 20202020Шебеко Ю.Н.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/894Введение

Введение. Проблема загрязнения атмосферы парниковыми газами, образующимися в основном при эксплуатации автомобилей на углеводородном топливе, делает актуальной 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).

Особенности хранения водорода. Одной из основных проблем функционирования водородных АЗС является хранение моторного топлива. Отмечены наиболее перспективные способы хранения водорода (в газообразном и жидком виде, адсорбированном виде, в составе гидридов металлов).

АЗС с хранением сжатого водорода. Рассмотрены особенности пожаровзрывобезопасности АЗС, на которых водород хранится в сжатом виде и поставляется предприятиями по его производству. При этом, как правило, применяются передвижные топливозаправщики, оснащенные резервуарами со сжатым газом.

АЗС с использованием жидкого водорода. Проанализированы аспекты обеспечения пожарной безопасности АЗС, на которые водород поставляется и хранится в жидком виде с дальнейшей регазификацией и заправкой автомобилей сжатым газом.

АЗС с получением водорода непосредственно на станции. Одним из способов снабжения водородной АЗС топливом является его получение непосредственно на станции путем дегидрогенизации метилциклогексана, который поставляется автомобильными цистернами. Полученный водород компримируется и хранится в сжатом виде в баллонах, из которых идет заправка автомобилей. Проанализированы особенности пожарной опасности таких станций.

Основные положения NFPA 2 в части водородных АЗС. Рассмотрены требования международного стандарта NFPA 2 Hydrogen Technologies Code. 2016 Edition для АЗС на сжатом и сжиженном водороде.

Выводы

Выводы. 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 нормативного документа, содержащего требования пожарной безопасности к водородным АЗС и использующего наработанный международный опыт.

Introduction

Introduction. The problem of greenhouse gas emissions from hydrocarbon-powered vehicles, polluting the air, makes consumption of hydrogen as an alternative motor fuel particularly relevant. Solutions to this problem are provided in a number of works written by foreign researchers. This article contains the analysis of these works in respect of fi re and explosion safety assurance at gaseous and liquid hydrogen filling stations (hydrogen fi lling stations).

Features of hydrogen storage. Motor fuel storage is a main problem of hydrogen filling stations and their operation. Most advanced hydrogen storage methods (applicable to gaseous, liquid and adsorbed hydrogen, as well as metal hydrides that contain hydrogen) are analyzed in the work.

Compressed hydrogen filling stations. Fire and explosion safety features of filling stations, where compressed hydrogen is stored, are considered by the author. As a rule, mobile fuel trucks, equipped with compressed gas tanks, are used there.

Liquid hydrogen filling stations. Fire safety aspects of filling stations, where liquid hydrogen is stored, regasifi cation is performed, and vehicles are fi lled with compressed gas, are also analyzed.

Hydrogen formation at filling stations. One of the ways to supply fuel to a hydrogen filling station is to produce it on site using dehydrogenation of methylcyclohexane, which is delivered in tank trucks. Hydrogen is compressed and stored in cylinders. Fire hazards arising at such stations are analyzed.

Main provisions of NFPA 2 in terms of hydrogen filling stations. The requirements of the international standard NFPA 2 Hydrogen Technologies Code. 2016 Edition, that apply to compressed and liquefi ed hydrogen filling stations, are considered.

Conclusions

Conclusions. The author has made a conclusion that hydrogen fi lling stations are intensively built in several countries. It has been proven that if necessary protective measures are taken, hydrogen fi lling stations can be as safe as those using hydrocarbon fuel. It is necessary to develop a domestic regulatory document containing fi re safety requirements applicable to hydrogen fi lling stations with account taken of the international experience.

водородная безопасностьспособы хранения водородасжатый водородсжиженный водородполучение водорода на АЗСhydrogen safetyhydrogen storage methodscompressed hydrogenliquefied hydrogenhydrogen generation at filling stationsReferencesМакеев В.И. Безопасность объектов с использованием жидких 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. IX Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Черноголовка : АН СССР, Отделение Института химической физики, 1989. С. 15–17.Bolodyan 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 the atmosphere. Combustion of Heterogeneous and Gaseous Systems : Proceedings of the IX All-Union Symposium on Combustion and Explosion. Chernogolovka, Academy of Sciences of the USSR, Department of the Institute of Chemical Physics, 1989; 15-17. (rus.).Карпов В.Л. Пожаробезопасность регламентных и аварийных выбросов горючих газов. Часть 1. Предельные условия устойчивого горения и тушения диффузионных факелов в неподвижной атмосфере // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 1998. Т. 7. № 3. С. 36–43.Karpov V.L. Fire safety of regulatory and emergency emissions of combustible gases. Part 1. Limiting conditions for stable combustion and extinguishing of diffusion flares in a stationary atmosphere. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 1998; 7(3):36-43. (rus.).Шебеко 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. Regularities of the formation and combustion of local hydrogen-air mixtures in large volumes. Chemical Industry. 1988; 12:728-731. (rus.).Dadashzadeh M., Makarov D., Molkov V. Modeling of hydrogen tank fuelling // Proceedings of the Ninth International Seminar on Fire and Explosion Hazards. Vol. 2. Saint Petersburg : Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 2019. Pp. 1396–1407. DOI: 10.18720/SPBPU/2/k19-20Dadashzadeh M., Makarov D., Molkov V. Modeling of Hydrogen Tank Fuelling. Proceedings of the Ninth International Seminar on Fire and Explosion Hazards. Vol. 2. Saint Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 2019; 1396-1407. DOI: 10.18720/SPBPU/2/k19-20Gökalp I. A holistic approach to promote the safe development of hydrogen as an energy vector // Proceedings of the Ninth International Seminar on Fire and Explosion Hazards. Vol. 2. Saint Petersburg : Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 2019. Pp. 1387–1395. DOI: 10.18720/SPBPU/2/k19-127Gökalp I. A Holistic Approach to Promote the Safe Development of Hydrogen As an Energy Vector. Proceedings of the Ninth International Seminar on Fire and Explosion Hazards. Vol. 2. Saint Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 2019; 1387-1395. DOI: 10.18720/SPBPU/2/k19-127Andersson J., Grönkvist S. Large-scale storage of hydrogen // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Vol. 44. Issue 23. Pp. 11901–11919. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.03.063Andersson J., Grönkvist S. Large-scale storage of hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy. 2019; 44(23):11901-11919. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.03.063Abe J.O., Popoola A.P.I., Ajenifuja E., Popoola O. Hydrogen energy, economy and storage: Review and recommendation // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Vol. 44. Issue 29. Pp. 15072–15086. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.04.068Abe J.O., Popoola A.P.I., Ajenifuja E., Popoola O.M. Hydrogen energy, economy and storage: Review and recommendation. International Journal of Hydrogen Energy. 2019; 44(29):15072-15086. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.04.068Gye H.-R., Seo S.-K., Bach Q.-V., Ha D., Lee C.-J. Quantitative risk assessment of an urban hydrogen refueling station // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Vol. 44. Issue 2. Pp. 1288–1298. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.11.035Gye H.-R., Seo S.-K., Bach Q.-V., Ha D., Lee C.-J. Quantitative risk assessment of an urban hydrogen refueling station. International Journal of Hydrogen Energy. 2019; 44(2):1288-1298. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.11.035Shirvill L.C., Roberts T.A., Royle M., Willoughby D.B., Gautier T. Safety studies on high-pressure hydrogen vehicle refuelling stations: Releases into a simulated high-pressure dispensing area // International Journal of Hydrogen Energy. 2012. Vol. 37. Issue 8. Pp. 6949–6964. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.01.030Shirvill L.C., Roberts T.A., Royle M., Willoughby D.B., Gautier T. Safety studies on high-pressure hydrogen vehicle refuelling stations: Releases into a simulated high-pressure dispensing area. International Journal of Hydrogen Energy. 2012; 37(8):6949-6964. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.01.030Matthijsen A.J.C.M., Kooi E.S. Safety distances for hydrogen filling stations // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2006. Vol. 19. Issue 6. Pp. 719–723. DOI: 10.1016/j.jlp.2006.05.006Matthijsen A.J.C.M., Kooi E.S. Safety distances for hydrogen filling stations. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2006; 19(6):719-723. DOI: 10.1016/j.jlp.2006.05.006Reddi K., Elgowainy A., Sutherland E. Hydrogen refueling station compression and storage optimization with tube-trailer deliveries // International Journal of Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39. Issue 33. Pp. 19169–19181. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.09.099Reddi K., Elgowainy A., Sutherland E. Hydrogen refueling station compression and storage optimization with tube-trailer deliveries. International Journal of Hydrogen Energy. 2014; 39(33):19169-19181. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.09.099Sun K., Pan X., Li Z., Ma J. Risk analysis on mobile hydrogen refueling stations in Shanghai // International Journal of Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39. Issue 35. Pp. 20411–20419. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.07.098Sun K., Pan X., Li Z., Ma J. Risk analysis on mobile hydrogen refueling stations in Shanghai. International Journal of Hydrogen Energy. 2014; 39(35):20411-20419. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.07.098Azuma M., Oimatsu K., Oyama S., Kamiya S., Igashira K., Takemura T. et al. Safety design of compressed hydrogen trailers with composite cylinders // International Journal of Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39. Issue 35. Pp. 20420–20425. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.05.147Azuma M., Oimatsu K., Oyama S., Kamiya S., Igashira K., Takemura T. et al. Safety design of compressed hydrogen trailers with composite cylinders. International Journal of Hydrogen Energy. 2014; 39(35):20420-20425. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.05.147Blanc-Vannet P., Jallais S., Fuster B., Fouillen F., Halm D., van Eekelen T. et al. Fire tests carried out in FCH JU Firecomp project, recommendations and application to safety of gas storage systems // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Vol. 44. Issue 17. Pp. 9100–9109. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.04.070Blanc-Vannet P., Jallais S., Fuster B., Fouillen F., Halm D., van Eekelen T. et al. Fire tests carried out in FCH JU Firecomp project, recommendations and application to safety of gas storage systems. International Journal of Hydrogen Energy. 2019; 44(17):9100-9109. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.04.070LaChance J. Risk-informed separation distances for hydrogen refueling stations // International Journal of Hydrogen Energy. 2009. Vol. 34. Issue 14. Pp. 5838–5845. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2009.02.070LaChance J. Risk-informed separation distances for hydrogen refueling stations. International Journal of Hydrogen Energy. 2009; 34(14):5838-5845. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2009.02.070Sakamoto J., Nakayama J., Nakarai T., Kasai N., Shibutani T., Miyake A. Effect of gasoline pool fire on liquid hydrogen storage tank in hybrid hydrogen-gasoline fueling station // International Journal of Hydrogen Energy. 2016. Vol. 41. Issue 3. Pp. 2096–2104. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.11.039Sakamoto J., Nakayama J., Nakarai T., Kasai N., Shibutani T., Miyake A. Effect of gasoline pool fire on liquid hydrogen storage tank in hybrid hydrogen-gasoline fueling station. International Journal of Hydrogen Energy. 2016; 41(3):2096-2104. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.11.039Kikukawa S., Mitsuhashi H., Miyake A. Risk assessment for liquid hydrogen fueling stations // International Journal of Hydrogen Energy. 2009. Vol. 34. Issue 2. Pp. 1135–1141. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2008.10.093Kikukawa S., Mitsuhashi H., Miyake A. Risk assessment for liquid hydrogen fueling stations. International Journal of Hydrogen Energy. 2009; 34(2):1135-1141. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2008.10.093Friedrich A., Breitung W., Stern G., Veser A., Kuznetsov M., Fast G. et al. Ignition and heat radiation of cryogenic hydrogen jets // International Journal of Hydrogen Energy. 2012. Vol. 37. Issue 22. Pp. 17589–17598. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.07.070Friedrich A., Breitung W., Stern G., Veser A., Kuznetsov M., Fast G. et al. Ignition and heat radiation of cryogenic hydrogen jets. International Journal of Hydrogen Energy. 2012; 37(22):17589-17598. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.07.070Nakayama J., Kasai N., Shibutani T., Miyake A. 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. Issue 17. Pp. 9110–9119. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.03.177Nakayama J., Kasai N., Shibutani T., Miyake A. Security risk analysis of a hydrogen fueling station with an on-site hydrogen production system involving methylcyclohexane. International Journal of Hydrogen Energy. 2019; 44(17):9110-9119. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.03.177Tsunemi K., Yoshida K., Yoshida M., Kato E., Kawamoto A., Kihara T. et al. Estimation of consequence and damage caused by an organic hydride hydrogen refueling station // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42. Issue 41. Pp. 26175–26182. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.08.082Tsunemi K., Yoshida K., Yoshida M., Kato E., Kawamoto A., Kihara T. et al. Estimation of consequence and damage caused by an organic hydride hydrogen refueling station. International Journal of Hydrogen Energy. 2017; 42(41):26175-26182. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.08.082Nakayama J., Sakamoto J., Kasai N., Shibutani T., Miyake A. Preliminary hazard identification for qualitative risk assessment on a hybrid gasoline-hydrogen fueling station with an on-site hydrogen production system using organic chemical hydride // International Journal of Hydrogen Energy. 2016. Vol. 41. Issue 18. Pp. 7518–7525. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.03.143Nakayama J., Sakamoto J., Kasai N., Shibutani T., Miyake A. Preliminary hazard identification for qualitative risk assessment on a hybrid gasoline-hydrogen fueling station with an on-site hydrogen production system using organic chemical hydride. International Journal of Hydrogen Energy. 2016; 41(18):7518-7525. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.03.143

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