Een veilige waterstofeconomie vraagt om kennis en samenwerking
ISPT brengt partijen samen voor risicobeoordeling en standaardisatie
Willen we de productie van groene waterstof opschalen tot een niveau van betekenis voor de energietransitie, dan is aandacht voor veiligheid een ‘must’. ISPT voerde al eerder een studie uit waarin de fundamentele veiligheidsaspecten van de productie van groene waterstof zijn geïnventariseerd. In een tweede onderzoek is gekeken naar de productie van waterstof op industriële schaal met behulp van twee verschillende processen. Dit heeft geresulteerd in generieke gevarenscenario’s van waterstofelektrolysers die door OEM’s en exploitanten gebruikt kunnen worden voor hun procesrisicobeoordelingen. Tevens bevat het een overzicht van de Nederlandse richtlijn NPR7910-1 en de toepasbaarheid ervan voor ATEX-zoneringsdoeleinden.
Waterstof speelt een belangrijke rol in de energietransitie. Door waterstof geproduceerd met fossiele brandstoffen te vervangen door (groene) waterstof uit hernieuwbare energiebronnen, kunnen we onze afhankelijkheid van olie, gas en steenkool verminderen en de CO2-uitstoot reduceren. Een volwassen waterstofeconomie in Europa kan bovendien bijdragen aan werkgelegenheid, economische groei en energieonafhankelijkheid van andere regio’s.
Daarvoor is het echter noodzakelijk om de productie aanzienlijk op te schalen. Dat is geen eenvoudige opgave. Naast de uitdagingen rond de beschikbaarheid van voldoende hernieuwbare energie en de betaalbaarheid daarvan, is het cruciaal om onderzoek te doen naar de veiligheid van deze grootschalige processen. Zo heeft waterstof een lage ontstekingsenergie, wat een potentieel explosierisico vormt voor de fabriek en haar omgeving.
"De opschaling van waterstof staat of valt met procesveiligheid"
Een eerste stap
Het belang van veiligheid bleek ook uit het innovatieve ontwerp voor een groene waterstoffabriek dat ISPT in 2022 presenteerde (figuur 1). Deze waterstoffabriek heeft een capaciteit van 1 GW en kan waterstof produceren door middel van alkalische waterelektrolyse (AWE) en waterelektrolyse op basis van proton exchange membranes (PEM). De veiligheid hiervoor is onderzocht in het project 'Veiligheidsaspecten van groene waterstofproductie op industriële schaal'.
Hieruit bleek onder meer dat er bij leveranciers, engineering contractors en eindgebruikers onvoldoende kennis is over de veiligheidsaspecten van grootschalige waterstofproductie. Ook toonde het onderzoek aan dat de bestaande wet- en regelgeving onvoldoende specifiek is voor groene waterstofproductie, wat leidt tot een sterke behoefte aan standaardisatie rond elektrolyserveiligheid.
Hans van ’t Noordende, waterstofexpert bij ISPT: “Deze twee aspecten zijn door ISPT opgepakt door relevante partners en stakeholders samen te brengen en verder onderzoek te doen. Opvallend daarbij is de belangrijke rol die de leveranciers van elektrolysers spelen. Zij zijn immers de partij die veilige apparatuur moet ontwerpen en leveren. Bovendien moeten leveranciers in samenwerking met de engineering contractors en industriële eindgebruikers het proces werkend maken zodat elektrolysers veilig kunnen worden gebruikt in grotere waterstoffabrieken.”
Conclusies rapport Veiligheidsstandaardisatie
De hiaten in beschikbare kennis over veiligheidsaspecten zijn onder meer onderzocht in het project 'H2-Safety2 - Veiligheidsstandaardisatie van groene waterstof-elektrolysesystemen'. Dit project is het resultaat van meer dan twee jaar onderzoek, waarbij intensief is samengewerkt met veiligheidsexperts van Battolyser Systems, Equinor, Green Hydrogen Systems, HyCC, ISPT, John Cockerill, NEN, Ørsted, Plug Power, RHDHV, RWE, Shell, TNO, VoltH2 en Yara.
Richard Bollen, die inmiddels twee jaar bij ISPT aan dit project werkt, licht toe: “Het onderzoek betreft een procesveiligheidsstudie op basis van generieke gevarenscenario's voor waterstofelektrolyse-installaties. Deze informatie is onder meer bruikbaar voor producenten van elektrolysers en exploitanten van fabrieken in het kader van risicobeoordeling en vergunningaanvraag. Het openbare rapport is bovendien een eerste stap richting standaardisatie van de wet- en regelgeving. Zo zijn de resultaten gepresenteerd aan het Nederlands Normalisatie Instituut (NEN) en vormen de basis voor een specifieke Nationale Technische Afspraak (NTA).”
Generieke gevarenscenario’s
De generieke gevarenscenario’s hebben betrekking op brand- en explosierisico’s bij specifiek AWE en PEM. Deze scenario’s kunnen verband houden met ontwerpaspecten, de productie en het onderhoud van de benodigde membranen, degradatie van cel- en stackcomponenten en storingen in de procesbesturing.
Een van de belangrijkste conclusies is dat de risico's verbonden aan waterelektrolyse-installaties tot een acceptabel niveau zijn terug te brengen wanneer risicobeoordelings- en risicoreductiemethoden worden toegepast die momenteel gangbaar zijn voor (petro)chemische installaties. Van ’t Noordende: “Een effectief Process Safety Management (PSM)-systeem is daarbij essentieel. Dit omvat naast organisatorische procedures zoals MOC, onder andere HAZOP- en LOPA-beoordelingen, inherent veilig ontwerp en (instrumentele) beveiligingsmethoden (SIL). Om de vereiste veiligheidsmaatregelen te definiëren, zijn installatiespecifieke details nodig, wat wederom het belang aangeeft van samenwerking met producenten van elektrolysers.”
"Een effectieve standaard voor veiligheid begint bij gedeelde kennis"
Met een analyse van de risico’s komt ook een aantal technische veiligheidsmaatregelen aan bod. Dit is in eerste instantie de detectie van overmatige waterstof- en zuurstofconcentraties in apparatuur. De studies tonen aan dat er scenario's zijn waarbij elektrolyseprocessen zich zo snel kunnen voltrekken, dat gasdetectoren te traag zijn en geen effectieve beveiliging bieden wanneer zij niet dicht genoeg bij de bron van de overmatige concentratie zijn gemonteerd. Sensoren voor metingen in een tweefasige stroom (gas/vloeistof) ontbreken nog, waarmee een betrouwbare detectie nog een uitdaging is voor deze snelle scenario’s. Een andere belangrijke bevinding was dat waterstof (en zuurstof) zich door interne lekkages ook kunnen ophopen in randapparatuur, waaronder koelcircuits.
Verder levert specifiek het gebruik van hernieuwbare energie een unieke situatie op waarin de belasting van het productiesysteem varieert met de beschikbaarheid van vooral zon en wind. Dit betekent dat er regelmatig wordt geschakeld tussen lage en normale belasting. Bollen: “Naar verwachting zal dit niet zozeer een directe invloed hebben op de veiligheid van elektrolysersystemen. Installatiedelen zullen echter frequent stoppen en weer opstarten, wat waarschijnlijk gevolgen heeft voor de degradatie van de membranen. De uitdaging is hier dat directe monitoring van membraandegradatie niet mogelijk is en dat deze moet worden afgeleid uit andere procesparameters. Bijvoorbeeld (langzame) veranderingen in de output of efficiëntie van de installatie, cel- en stackspanningen en gasconcentraties.”
Wet- en regelgeving
Geschikte wet- en regelgeving concentreert zich op de explosieveiligheidsrichtlijn ATEX. De hier beschreven voorschriften zijn belangrijk voor de beoordeling van de kans op gasexplosies en brand, en voor bestemmingsplannen met betrekking tot gebiedsindeling. Voor de bijbehorende zonering wordt in Nederland gebruikgemaakt van de NPR7910-1. Omdat deze echter voornamelijk is geschreven voor organische dampen die (veel) zwaarder zijn dan waterstof, mag hij niet worden gebruikt voor waterstof. Daarom wordt voor de zonering van waterstoffabrieken gebruikgemaakt van de Europese norm IEC60079-10-1.
Ook andere ATEX-aspecten zoals ventilatie en het voorkomen van ophoping van brandbare stoffen zijn van toepassing op waterstof. Ventilatie – geforceerd of natuurlijk – is alleen effectief bij lekken die onder de ATEX-regelgeving vallen, maar onvoldoende om de vorming van een brandbare wolk te voorkomen bij grote lekken (ongevallen). Van ’t Noordende: “De standaardisatie van elektrolysers zal internationaal worden voortgezet met de actualisering van ISO22734 en andere normen, bijvoorbeeld door DNV JT301, en nationaal via NTA8221 (Procesveiligheid voor de productie van waterstof door elektrolyse) en de PGS40 – Waterstofproductie. Het is belangrijk dat de afstemming tussen de industrie en de autoriteiten wordt voortgezet en dat best practices worden gedeeld.”
Doorpakken
Met het H2-Safety-project is waardevolle kennis opgebouwd en zijn regelgevende instanties geactiveerd. Nu is het tijd voor praktijkervaring en het delen van ‘best practices’. Hiervoor is het noodzakelijk dat er ook proeffabrieken worden gebouwd. Bollen: “Deze ervaring is onder meer belangrijk omdat we verwachten steeds meer modulair te gaan bouwen vanwege de beschikbaarheid van hernieuwbare energiebronnen en mogelijk de verschillende technieken die je wilt combineren. Het koppelen van verschillende modules levert in iedere nieuwe configuratie opnieuw de vraag op: waar kan het fout gaan, waar zitten de risico’s, in hoeverre kan ik deze elimineren en welke maatregelen moet ik nemen om de restrisico’s tot een minimum te beperken?”
Een van de testcentra – het Hydrohub MegaWatt Test Centre (figuur 2) – bevindt zich op het EnTranCe terrein van de Hanzehogeschool in Groningen. Het betreft een state-of-the-art onderzoeksfaciliteit voor het onderzoeken en testen van grootschalige kleine industriële Proton Exchange Membrane (PEM) Electrolyser en Alkaline Electrolyser (AE) eenheden van elk 250 kW.
Van ’t Noordende en Bollen besluiten: “Dit is een open innovatiecentrum dat op termijn ook ruimte biedt aan leveranciers om hun innovatieve producten, zoals componenten voor elektrolysers, op industriële schaal te testen en te optimaliseren. Het uiteindelijke doel is om door innovatie de robuustheid, flexibiliteit en efficiëntie van grootschalige productie van groene waterstof te verbeteren en daarmee kosten te verlagen om zo de energietransitie te versnellen.”
ISPT en waterstof
ISPT verbindt de Nederlandse maakindustrie, eindgebruikers en academische partners om innovaties snel van idee naar markt te brengen. In totaal zijn meer dan 90 partijen aangesloten op het Hydrohub Innovatieplatform waarin onderzoek wordt gedaan naar alle aspecten die hiermee te maken hebben.
Lees meer op de ISPT-projectpagina Safety Standardisation of Green Hydrogen Electrolyser Systems
Ontdek het Safety2 rapport: New Safety Report on Enabling Green Hydrogen Production
