Нові технології на основі водню й питання безпеки

Listen to online Stop   Розвиток цивілізації супроводжується зростанням споживання і дедалі різноманітнішим спектром використовуваних первинних джерел енергії. Поряд з добре освоєними технологіями використання енергії біомаси, вугілля, нафти та природного газу, четвертий енергетичний перехід передбачає суттєве збільшення частки використання поновлюваних джерел енергії. Водночас світова стратегія сталого розвитку вимагає взаємної оптимізації цілей розвитку економіки, соціуму і впливу на навколишній світ в інтересах майбутніх поколінь, а кліматичні зміни — стабілізації й зменшення викидів парникових газів. Формулюючи завдання вуглеводно-нейтральної економіки, реалізуються відповідні програми. Різноманіття залучених ресурсів для досягнення таких цілей, надзвичайно велике, але серед них суттєва роль відводиться технологіям, пов’язаним із застосуванням водню, що позначаються термінами «воднева енергетика» і «воднева економіка». Чит. про Підсумки опитування з питань Охорони праці від БДО в Україні Привабливість ідеї залучення водню — висока питома (на одиницю маси) теплота спалювання, відсутність у продуктах спалювання вуглекислого газу, його широка поширеність у вигляді сполук доповнюється енергоефективними технологіями використання водню як носія енергії й прямого перетворення енергії в електричну. Чистий водень не отруйний і не є канцерогеном, загалом, потенційний вплив водневих технологій на людину й екологію буде значно меншим у порівнянні з основними застосовуваними нині технологіями отримання і використання енергії. Нижче наведена одна зі схем енергетично-водневої інтеграції для різних галузевих застосувань у США. Джерело: DOE, USA Така багатофункціональна платформа вимагає колосальних інвестицій по всьому інфраструктурному ланцюжку створення вартості: виробництво—зберігання—транспортування—кінцеве використання. Кожен із цих етапів, так само, має різні ресурсні джерела, технології, вимоги та способи оптимізації для цілей кінцевого застосування. Ця обставина ускладнює об’єктивний аналіз і різко підвищує градус дискусій про економічну доцільність пріоритетного розвитку різних напрямів водневої енергетики. Основною особливістю чергового сплеску інтересу до можливостей водневої енергетики є комерціалізація ідей і перенесення практичних застосувань водню на побутовий рівень споживання. З точки зору техніки безпеки, такий перехід вимагає навіть більшої уваги до повсюдного застосування електрики, оскільки техногенні ризики одночасного побутового використання цих зручних форм передання енергії в багато разів небезпечніші. Водень давно й успішно використовується як джерело або носій енергії, робочий сировинний компонент у нафтовій промисловості, виробництві мінеральних добрив, органічної хімічної промисловості, металургії, електроніці, виробництві скла, космічної індустрії і атомній енергетиці, виробництві продуктів харчування. Головне, що його кількість виходить методами конверсії природного газу за участю повітря і води або газифікацією вугілля, і супроводжується значним виділенням парникових газів. На частку екологічно чистих методів отримання припадає менше ніж 1 % від загального обсягу виробництва. Як було зазначено вище, нині, поряд з розвитком і удосконаленням технологій промислового застосування, водневі технології вже знаходяться на стадіях комерціалізації та практичного застосування у сфері кінцевого споживання. Автомобільний, залізничний, трубопровідний, водний, повітряний транспорт, системи автономного енергопостачання для приватного житла — перелік застосувань водню постійно розширюється. Відповідно, експоненціально зростає кількість користувачів і операцій з воднем, кількість необхідних інфраструктурних об’єктів. Подібні зміни вимагають відповідних заходів з управління ризиками техногенної безпеки, пов’язаних з широким комерційним поширенням водневих технологій. Доступна за 2018–2020 рр. інформація про водневі вибухи та пожежі на заправних станціях і під час перевезення водню в США й Норвегії підтверджує це міркування. Цікавез теми:Ключові аспекти з питань аудиту охорони праці у 2021 році Водень як джерело техногенної небезпеки. Водень є найпоширенішим хімічним елементом у Всесвіті. Зважаючи на свою високу активність він практично не зустрічається у вільному вигляді в природному середовищі існування й життєдіяльності людини. Основні природні ресурси водню зосереджені у вигляді хімічних сполук води, вуглеводнях (сланцеві форми нафти й газу включно), газогідратах, біомасі. Загальновідомими техногенно-небезпечними властивостями газоподібного водню є його вибухо- і пожежонебезпека, широкий діапазон (4–75 % об’ємних) меж вибуховості для сумішей з киснем повітря, низькащільність (летючість) і висока проникаюча здатність. Для займання досить значно меншої концентрації воднево-повітряної суміші, ніж суміші бензину з повітрям; енергії на рівні іскри статичної електрики на тілі людини або енергії інших джерел, які можуть бути присутніми в більшості відповідних технологічних процесів. Високий ризик подальшого розвитку процесів детонації та виникнення ударної хвилі також у широкому діапазоні концентрацій. Водень не має кольору й запаху, його полум’я невидиме. Додатковими техногенними ризиками під час отримання водню є високий тиск і температура, використання високоактивних каталізаторів хімічних реакцій, застосування динамічного обладнання й низки інших процесів, що вимагають обліку водневої специфіки. Особливі додаткові заходи безпеки необхідні під час виробництва, зберігання, транспортування та роботи з рідким воднем — як загальні, для кріогенних технологій, так і специфічні, пов’язані з великим виділенням тепла в процесах конверсії до рівноважного стану або необхідністю жорсткого дотримання вимог високої чистоти продукту. У промислових процесах поводження з воднем досить добре вивчено й регулюється, забезпечується високим рівнем технологічної культури для дотримання особливих вимог на всіх стадіях проєктування, виробництва і монтажу устаткування, спеціальної підготовки та навчання персоналу, систем контролю безпечної експлуатації. Але навіть у давно використовуваних промислових процесах, потенційна небезпека, пов’язана з воднем, підносить сюрпризи. Наприклад, катастрофічні руйнування на трьох енергоблоках АЕС Фукусіма-1 у 2011 році, хоча й були наслідком цілого ланцюжка негативних позапроєктних чинників, у кінцевому підсумку, відбулися через вибухи водню, що з’явився в результаті паро-цирконієвої реакції. З моменту аварії на АЕС Фукусіма-1 накопичився радіоактивний ізотоп водню, — тритій і далі залишається джерелом радіоактивного зараження Світового океану. На стадії активного наукового вивчення є питання впливу та техногенної небезпеки окремих викидів водню із земної кори. В Україні є ресурси для виходу на міжнародний ринок водневої енергетики й потенціал для розвитку внутрішнього ринку. Практично всі перераховані вище традиційні галузеві (хімія, металургія, енергетика) промислові застосування технологій із залученням газоподібного водню давно й успішно використовуються в Україні. Трохи більше ніж 20 років тому була повна інфраструктура для отримання, зберігання і транспортування рідкого водню для ракетно-космічної техніки, одержання особливо чистих стабільних ізотопів водню. У контексті Європейської водневої стратегії України є цікавим об’єктом інтеграції завдяки добре розвиненій трубопровідній газовій інфраструктурі, потенціалу сонячної, вітрової та атомної енергетики й хімічної промисловості. Ведуться практичні роботи з визначення можливостей транспортування водню в ЄС. У перспективі передбачається використання нових типів електролізерів (великої одиничної потужності, електролізерів з полімерним електролітом, електролізерів під тиском), що працюють у тандемі із СЕС, ВЕС і АЕС. Зрозуміло, що будуть потрібні відповідні рішення з управління ризиками впливу на технологічний процес електролізу через високий ступінь нерівномірності, як на стороні первинного вироблення електроенергії, так і на стороні кінцевого споживання водню. Окреме питання — ризики, пов’язані з впливом водню при спільному транспортуванні та використанні з природним газом на властивості міцності, герметичність і безпеку трубопровідних систем різного рівня. Завдяки широкому й давньому поширенню логістичних операцій навантаження — розвантаження, фахівці знають, що значна кількість аварій складської техніки з використанням свинцево-кислотних акумуляторів пов’язана з порушенням правил електробезпеки та подальшими «ударами» (вибухами) зовсім невеликої кількості водню. Екологічність застосування водню на транспорті нині активно стимулює пріоритетний розвиток цього напряму у світовій логістиці перевезень, так і для засобів індивідуальної мобільності. Водночас нові вже серійні зразки водневого автотранспорту містять на порядок більше водню, ніж може виділитися в акумуляторі електронавантажувача. Так, наприклад, легковий седан Toyota Mirai — 5,6 кг водню на одну заправку. Рекордний пробіг — 1360 км, витрата 0,42 кг на 100 км. Це дійсно тріумф сучасних технологій! Але, важливо пам’ятати, що, за нормальних умов, обсяг газу цієї кількості водню складатиме 62 кубометри, що еквівалентно вмісту 10 заповнених стандартних 40-літрових водневих балонів (за умови тиску в 15 МПа). Окремі приклади з величезного спектра завдань, пов’язаних з розвитком водневої енергетики, показують соціально-економічну необхідність прискореного розвязання питань перегляду наявної й підготовки нової нормативно-технічної бази, що забезпечує безпеку й управління ризиками в нових сферах водневих технологій. В Україні за ДП «УкрНДНЦ» створено спеціалізований Технічний комітет стандартизації ТК 197 «Водневі технології». Розроблено «Проєкт дорожньої карти для виробництва та використання водню в Україні». Методом підтвердження прийняті національні стандарти, узгоджені з міжнародними стандартами, це такі ДСТУ як «Якість водневого палива. Технічні характеристики продукції», «Основні концепції щодо безпеки водневих систем», «Водневі генератори з використанням електролізу води. Промислове, комерційне та житлове застосування». Водень не тільки народжує воду — джерело життя, але й, якщо виділяється в чистому вигляді — це джерело підвищеної небезпеки. У сфері промислового застосування традиційних і нових водневих технологій склалася система управління ризиками. Світ активно працює в цьому напряму. Тільки комітет ISO із цієї тематики (ТК 197) переглядає й розробляє понад 30 стандартів. Для України система забезпечення безпеки у сфері побутового застосування нових водневих технологій тільки зароджується, наш соціум поки недостатньо підготовлений до їхнього безпечного використання. У рамках загальних зусиль з просування й участі у формуванні безпечної водневої економіки України, пропонується Ініціатива BDО: створення відкритої IT-платформи з питань безпечного впровадження водневих технологій. Завдання: збільшення рівня безпеки, внаслідок підвищення рівня інформованості та готовності суспільства, зниження техногенних ризиків, відповідність Цілям сталого розвитку. Питання до розгляду на платформі: Відкрита (з дотриманням вимог конфіденційності) Технічна База даних про будь-які інциденти, пов’язані з воднем в Україні, кваліфікований аналіз причин, дій щодо усунення і надання рекомендацій щодо запобігання аварій. Суспільне й експертне обговорення питань безпеки для включення відповідних розділів у Водневу стратегію України та інших розроблюваних документів. Оприлюднення ключових аспектів і вимог міжнародних стандартів, норм і стандартів для продуктів водневих технологій, безпечного поводження з воднем і зберігання водню, які відсутні у відкритому доступі і їхня локалізація в Україні. Швидке просування практичних питань дотримання техніки безпеки під час використання водневих пристроїв і технологій на рівні їхнього побутового застосування. Передбачається використання переваг цифровізації, широке залучення всіх зацікавлених сторін. Розвиток різноманітних додатків водневих технологій на новому рівні сучасних технологічних можливостей це вже об’єктивний факт з привабливими очевидними перспективами для суспільства. Як показує попередній досвід, до водню треба ставитися з повагою! Щоб правила безпечного використання писалися не тільки методом проб і помилок, а на підставі сучасних можливостей і підходів до питань управління техногенними ризиками. Про авторів: Суханенко В. Є. — керівник консалтингу з охорони праці БДО в Україні, аудитор (ISO 45001, OHSAS 18001), координатор групи IT в ESOSH. Іоффе В. А. — директор напряму стратегічний консалтинг BDO в Україні. Практичний досвід технічної експлуатації великотоннажних установок одержання особливо чистого газоподібного водню, дейтерію, отримання зберігання і транспортування рідкого водню. Досвід локалізації та ліквідації аварійних ситуацій.