Protezione contro le esplosioni di idrogeno

Perché l'idrogeno è diverso

L'idrogeno non è solo un altro gas infiammabile. Si colloca all'estremità di quasi tutti i parametri di esplosione:

• Il più ampio intervallo di infiammabilità tra tutti i gas comuni: 4–75% in aria (rispetto al 2,1–9,5% del propano)
• Energia di accensione più bassa: ~0,017 mJ (è sufficiente una scintilla statica impercettibile)
• Velocità di propagazione della fiamma più elevata: velocità di combustione laminare di 2,65 m/s (10 volte più veloce del metano)
• MESG più piccolo: 0,29 mm (sono richiesti spazi antiesplosione più ristretti)
• Gas più leggero: 14,4 volte più leggero dell'aria (sale e si disperde estremamente rapidamente)
• Molecola più piccola: penetra nelle guarnizioni, nei giunti e persino in alcuni metalli (infragilimento da idrogeno)

Queste proprietà collocano l'idrogeno nel Gruppo di gas IIC, la classificazione più esigente. Le apparecchiature certificate per IIC possono gestire qualsiasi gas; le apparecchiature certificate per IIA o IIB non possono essere utilizzate con l'idrogeno. Consultare l'EPL per la mappatura delle zone alle apparecchiature.

Panoramica delle proprietà dell'idrogeno

L'economia dell'idrogeno: domanda in crescita

La spinta globale verso la decarbonizzazione sta determinando ingenti investimenti nelle infrastrutture per l’idrogeno:

• Produzione di idrogeno verde. Impianti di elettrolisi alimentati da energia rinnovabile
• Idrogeno blu. Riformazione del metano a vapore con cattura del carbonio
• Stazioni di rifornimento di idrogeno. Per veicoli a celle a combustibile (auto, camion, autobus, treni)
• Idrogeno industriale. Raffinerie, produzione di ammoniaca, produzione di acciaio, produzione di semiconduttori
• Power-to-gas. Iniezione di idrogeno nelle reti del gas naturale (miscelazione fino al 20%)
• Celle a combustibile. Generazione di energia stazionaria e mobile

Ciascuna di queste applicazioni crea nuove aree a rischio che necessitano di protezione antideflagrante classificata IIC. L'Agenzia Internazionale per l'Energia stima che il mercato dell'idrogeno crescerà da circa 95 Mt/anno (2022) a oltre 150 Mt/anno entro il 2030.

Requisiti delle apparecchiature per l'idrogeno

Il gruppo di gas IIC è obbligatorio

Tutte le apparecchiature nelle aree classificate per l'idrogeno devono essere classificate per il gruppo di gas IIC. Le apparecchiature classificate IIA o IIB non sono accettabili. Gli spazi antincendio sono troppo ampi e i limiti di energia di sicurezza intrinseca sono troppo elevati per la sensibilità all'accensione dell'idrogeno.

Classe di temperatura

L'idrogeno ha una temperatura di autoaccensione relativamente alta (560 °C), che lo colloca nella classe T1. Ciò significa che la classe di temperatura è raramente il fattore limitante per l'idrogeno. La maggior parte delle apparecchiature industriali raggiunge già la classe T3 o T4, entrambe ben al di sotto dei 560 °C.

Tuttavia, in atmosfere miste (idrogeno + altri gas), il gas con l'AIT più bassa determina la classe T richiesta. Verificare sempre la composizione completa dell'atmosfera.

Apparecchiature antideflagranti (Ex d) per l'idrogeno

Gli involucri antideflagranti per l'idrogeno IIC devono avere:

• Dimensioni degli spazi più ridotte. Massimo 0,15 mm (rispetto a 0,25 mm per IIA) per lunghezze tipiche dei giunti
• Percorsi di fiamma più lunghi. Minimo 25 mm per involucri più grandi (rispetto a 12,5 mm per alcune applicazioni IIA)
• Pressioni nominali più elevate. La rapida velocità della fiamma dell'idrogeno genera pressioni di esplosione più elevate all'interno degli involucri
• Una migliore finitura superficiale. I giunti lavorati devono essere più lisci per mantenere l'integrità delle fessure

Questo è il motivo per cui le apparecchiature IIC Ex d sono in genere più costose e più pesanti rispetto alle equivalenti IIA/IIB.

Apparecchiature a sicurezza intrinseca (Ex i) per l'idrogeno

I circuiti IS per ambienti a idrogeno devono funzionare entro limiti energetici ancora più ristretti:

• Tensione e corrente inferiori. Ridotte rispetto ai circuiti IIA/IIB
• Limiti di capacità/induttanza più rigorosi. Meno energia immagazzinata consentita nei cavi e nei componenti
• Lunghezze massime dei cavi più brevi. A causa di limiti di capacità più restrittivi

La sicurezza intrinseca è particolarmente adatta alle applicazioni con idrogeno perché la soglia energetica per l'accensione dell'idrogeno (0,017 mJ) è esattamente il valore al di sotto del quale i circuiti IS sono progettati per rimanere.

Altri metodi di protezione

• Ex e (sicurezza aumentata): Adatto per IIC se correttamente classificato. Si utilizzano comunemente scatole terminali e scatole di derivazione.
• Ex p (pressurizzazione): efficace per l'idrogeno. Mantiene una pressione positiva per escludere il gas. Richiede un'alimentazione di gas affidabile e un monitoraggio dell'interblocco.
• Ex n (antiscintilla): Solo zona 2. Sono disponibili alcune apparecchiature Ex nA classificate IIC per applicazioni antiscintilla.

Rischi specifici dell'idrogeno

Fiamma invisibile

L'idrogeno brucia con una fiamma quasi invisibile alla luce del giorno. Non è possibile vedere un incendio causato dall'idrogeno senza apparecchiature di rilevamento speciali (termocamere, rilevatori di fiamma UV). Ciò rende l'identificazione visiva delle perdite che hanno preso fuoco estremamente difficile e pericolosa.

Rapida dispersione

Essendo 14 volte più leggero dell'aria, l'idrogeno sale e si disperde più rapidamente di qualsiasi altro gas. Questo rappresenta sia un vantaggio (le fughe all'aperto si dissipano rapidamente) sia un pericolo (il gas si accumula nei soffitti, negli intercapedini dei tetti e nelle aree chiuse sopraelevate piuttosto che a livello del suolo).

Rischio di detonazione

L'idrogeno ha una dimensione della cella di detonazione di 10-15 mm, molto più piccola rispetto ad altri combustibili. In spazi chiusi o parzialmente confinati, una deflagrazione (fronte di fiamma) può trasformarsi in una detonazione (onda d'urto). Le pressioni di detonazione sono 15-20 volte superiori a quelle di deflagrazione e possono distruggere strutture progettate solo per il contenimento della deflagrazione.

Infragilimento da idrogeno

Gli atomi di idrogeno possono penetrare nei reticoli metallici, causando infragilimento, fessurazioni e, infine, il cedimento dei componenti in acciaio. Ciò riguarda:

• Tubazioni e recipienti in acciaio al carbonio (in particolare acciai ad alta resistenza)
• Bulloni e elementi di fissaggio sottoposti a sollecitazioni
• Guarnizioni di tenuta e guarnizioni

L'impiego in presenza di idrogeno richiede la selezione dei materiali in conformità a norme quali ASME B31.12 (Tubazioni e condotte per idrogeno) e NACE MR0175/ISO 15156.

Sensibilità elettrostatica

L'energia minima di accensione dell'idrogeno (0,017 mJ) è talmente bassa che può essere innescata da:

• Scariche elettrostatiche prodotte da una persona che cammina (~10–30 mJ, di un ordine di grandezza superiore all'energia minima di accensione dell'idrogeno)
• Accumulo di carica su apparecchiature non collegate a terra
• Gas in flusso che genera carica in tubi o tubi flessibili di plastica

Tutte le apparecchiature nelle aree in cui è presente idrogeno devono essere correttamente messe a terra e collegate (vedere i requisiti di installazione). I materiali non conduttivi devono essere evitati dove è possibile il contatto con l'idrogeno.

Classificazione delle aree per l'idrogeno

Installazioni all'aperto

La galleggiabilità dell'idrogeno rappresenta un vantaggio significativo all'aperto:

• L'idrogeno rilasciato sale a circa 20 m/s e si disperde rapidamente
• L'estensione delle zone può essere inferiore rispetto a quella dei gas più pesanti, poiché il gas non si accumula né ristagna a livello del suolo
• Tuttavia, qualsiasi struttura sopraelevata (tettoia, sporgenza dell'edificio, soffitto del modulo di processo) può intrappolare l'idrogeno in salita

Installazioni interne

Le installazioni di idrogeno in ambienti interni richiedono un'attenta progettazione della ventilazione:

• L'idrogeno si accumula nel punto più alto di una stanza o di un locale
• Le aperture di ventilazione devono trovarsi a livello del soffitto (al contrario delle installazioni a propano/butano)
• In genere è richiesta una ventilazione meccanica con elevati tassi di ricambio d'aria
• I rilevatori di gas devono essere installati a livello del soffitto, non all'altezza di lavoro

Stazioni di rifornimento di idrogeno

Una sfida di classificazione sempre più complessa. Disposizione tipica delle zone:

• Zona 1: Intorno alle bocchette di erogazione, ai raccordi a sgancio rapido, ai dispositivi di scarico della pressione
• Zona 2: Intorno agli alloggiamenti dei compressori, ai raccordi dei tubi di stoccaggio, alle flange delle tubazioni
• Aree non pericolose: aree clienti (separate da distanza e ventilazione), sale di controllo (con pressurizzazione positiva)

Rilevamento di gas per l'idrogeno

Il rilevamento dell'idrogeno presenta sfide uniche:

Tipi di rilevatori

• Sensori catalitici a perla: funzionano per l'idrogeno ma presentano sensibilità incrociata ad altri gas. Il tempo di risposta è accettabile per installazioni fisse.
• Sensori a conducibilità termica: efficaci per l'idrogeno grazie alla sua elevatissima conducibilità termica (7 volte superiore a quella dell'aria). Meno soggetti ad avvelenamento rispetto ai sensori catalitici.
• Sensori elettrochimici: utilizzati nei rilevatori portatili. Buona sensibilità ma durata limitata.
• Sensori a semiconduttore (MOS): elevata sensibilità, risposta rapida. Alcuni tipi sono specifici per l'idrogeno.

Posizionamento

• Installare a livello del soffitto (l'idrogeno sale; il rilevamento a livello del suolo è inefficace)
• Posizionare i rilevatori vicino a potenziali fonti di perdita (valvole, giunti, guarnizioni) ma al di sopra di esse
• Tenere conto delle correnti d'aria che potrebbero allontanare l'idrogeno dalla fonte
• Utilizzare più rilevatori in spazi ampi per evitare zone morte

Livelli di allarme

• Allarme basso: 10% LEL (0,4% H₂). Livello di avvertimento
• Allarme alto: 25% LEL (1% H₂). Azione esecutiva (aumento della ventilazione, isolamento, evacuazione)

Norme relative all'idrogeno

• IEC 60079-10-1. Classificazione delle aree (l'idrogeno è considerato un gas IIC)
• IEC 60079-20-1. Caratteristiche dei materiali per la classificazione dei gas (dati sull'idrogeno)
• Serie ISO 19880. Stazioni di rifornimento di idrogeno gassoso
• ISO 22734. Generatori di idrogeno mediante elettrolisi dell'acqua
• ASME B31.12. Tubazioni e condotte per l'idrogeno
• NFPA 2. Codice sulle tecnologie dell'idrogeno (USA)
• EN 17127. Punti di rifornimento di idrogeno (all'aperto, ad accesso pubblico)
• CGA G-5.4. Norma per i sistemi di tubazioni per l'idrogeno (Compressed Gas Association)

Lista di controllo per la selezione delle apparecchiature per l'idrogeno

1. ☐ Verificare che le apparecchiature siano classificate nel Gruppo di gas IIC (non IIA o IIB)
2. ☐ Verificare che la classe di temperatura sia adeguata all'applicazione (T1 sufficiente per l'idrogeno puro; controllare le miscele)
3. ☐ Confermare che la categoria corrisponda alla zona (Categoria 1 per la Zona 0, Categoria 2 per la Zona 1)
4. ☐ Per Ex d: verificare che gli spazi antideflagranti e le lunghezze del percorso di fiamma soddisfino i requisiti IIC
5. ☐ Per Ex i: ricalcolare i parametri dei cavi. IIC ha limiti di capacità/induttanza più restrittivi
6. ☐ Verificare la compatibilità dei materiali. Evitare acciai al carbonio ad alta resistenza soggetti a infragilimento
7. ☐ Assicurarsi che la messa a terra e il collegamento siano corretti in tutto l'impianto (MIE = 0,017 mJ, l'elettricità statica è un rischio reale)
8. ☐ Installare i rilevatori di gas a livello del soffitto, non a livello del suolo
9. ☐ Considerare i rilevatori di fiamma: tipo UV/IR (le fiamme di idrogeno sono invisibili ai rilevatori ottici standard)
10. ☐ Rivedere il progetto di ventilazione. Aperture in alto per la ventilazione naturale, estrazione a soffitto per quella meccanica

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