Impianti di produzione di idrogeno: l’importanza della progettazione per la sicurezza

-PUBBLIREDAZIONALE-

La domanda di idrogeno verde sta aumentando sempre più e diventa imprescindibile disporre di impianti conformi; questo richiede una progettazione attenta e strutturata per ottenere un’installazione sicura, generando fiducia tra investitori ed utilizzatori per rendere l’idrogeno una pietra angolare di un’economia sostenibile.

Di Koen Vandenhende, Kristophe Van Immerseel, Chantal Marlé, Yannick Dandois, Evert Vermaut, Diego De Rosa

Approccio ai rischi nella progettazione

A seconda della tecnologia scelta per gli elettrolizzatori, (PEM, SOEC…), emergono rischi specifici; l’approccio per la loro identificazione deve essere attentamente selezionato.

Sicurezza occupazionale vs sicurezza di processo

Per ogni processo, i rischi possono essere suddivisi in tre domini:

• Rischi relativi al processo – derivano da deviazioni operative rispetto al progetto; tipicamente analizzati in uno studio sui rischi e l’operabilità (HAZOP)
• Rischi relativi alle apparecchiature – generalmente investigati mediante analisi FMEA (Failure Mode Effect Analysis)
• Rischi legati all’interfaccia umana – relativi alla complessità dell’operatività; solitamente vengono indagati tramite analisi dell’albero degli eventi (ETA) o dei guasti (FTA)

Questo “approccio diretto” standard prevede:

1. L’identificazione del dominio in cui si verificano i rischi predominanti
2. la conseguente scelta della tecnica di analisi del rischio adeguata
3. l’incorporazione dei rischi meno importanti (altri domini) nella tecnica di analisi del rischio prescelta

Poiché per il processo di elettrolisi i rischi sono equamente ripartiti nei tre domini descritti, l’approccio standard non risulta idoneo e l’esecuzione di tutte le tecniche di analisi richiederebbe molto tempo e risorse; pertanto, è opportuno sviluppare una metodologia specifica e adeguata.

In generale, i rischi relativi ai tre domini porteranno a due tipologie di requisiti (v. figura):

• Requisiti di salute sul lavoro – relativi a salute, sicurezza e benessere degli operatori
• Requisiti di sicurezza del processo – collegati ad eventuali rilasci di energia o sostanze pericolose che possono generare incidenti gravi

Per identificare e gestire correttamente questi rischi di processo, le tecniche di analisi sono spesso combinate con tecniche di gestione del rischio come LOPA (Layers Of Protection Analysis), che valuta l’efficacia dei livelli di protezione indipendenti, evidenzia la necessità di ulteriori salvaguardie ed identifica il livello di integrità della sicurezza richiesto (classificazione SIL).

Gestione dei rischi nella progettazione

In questo articolo vengono affrontati alcuni rischi principali; tuttavia, nella progettazione di un impianto di produzione di idrogeno sono presenti altri rischi rilevanti.

Sicurezza contro le esplosioni – “ATEX” o “non ATEX”?

Parlando di idrogeno, uno dei rischi più impegnativi è quello di esplosione; i seguenti aspetti hanno importanza massima:

• Il rischio assoluto va identificato sulla base di criteri di valutazione specifici per l’idrogeno (completamente diversi rispetto a quelli di altri gas)
• La mitigazione del rischio deve seguire la gerarchia della prevenzione:
  • Prevenzione primaria nel concept design, scegliendo di operare esternamente all’intervallo di esplosione
  • Introduzione di misure di prevenzione secondaria (es. controllo delle fonti di innesco), se non è possibile la prevenzione primaria
  • Gestione delle onde di esplosione mediante sistemi di soppressione

A causa della bassa energia di accensione e delle proprietà di accumulo elettrostatico dell’idrogeno, il controllo delle fonti di accensione rimane un aspetto critico.

Le direttive ATEX sono focalizzate sulle perdite accidentali e sui rischi di esplosione durante il funzionamento normale ed il malfunzionamento; quindi, la sola conformità ATEX delle apparecchiature non garantisce sempre la sicurezza contro le esplosioni.

Infatti, con una molecola così piccola e pressioni così elevate, la protezione dalle esplosioni si ottiene anche selezionando materiali compatibili, sulla base degli standard pertinenti applicabili.

Una buona valutazione della sicurezza contro le esplosioni richiede dati affidabili, non sempre disponibili, provenienti da ricerca e sviluppo, pre-utilizzo, ispezioni basate sul rischio (RBI)… Parallelamente, la modellazione con il software Quantitative Risk Analysis (QRA) e rigorosi protocolli di prova devono essere condotti specificamente.

I dati così raccolti vanno trattati in un ciclo di miglioramento continuo PDCA (Plan-Do-Check-Act) e RCA (Root Cause Analysis).

Il rischio di esplosione rimane uno dei rischi più importanti per questi impianti; la corretta progettazione è una misura di prevenzione primaria fondamentale.

Gestione del rischio elettromagnetico

Il processo di elettrolisi necessita di corrente continua ad alta potenza, in bassa tensione ed elevata intensità; questo genera un campo magnetico statico attorno alla sorgente con relativi rischi specifici.

Quando apparecchiature sensibili o esseri viventi si trovano nel campo magnetico, possono verificarsi interferenze con dispositivi medici impiantati, strumenti di misura…

La Commissione Internazionale per la Protezione dalle Radiazioni Non Ionizzanti (ICNIRP) fornisce le linee guida sui limiti di esposizione ai campi magnetici statici e la Direttiva Europea 2013/35/UE per la protezione dei lavoratori sostiene gli stessi valori.

Queste caratteristiche specifiche confermano l’inadeguatezza di un “approccio diretto” standard per affrontare i rischi di sicurezza del processo.

Gestione del livello di prontezza tecnologica (TRL)

Lo studio “Innovative Solid Oxide Electrolyser Stacks for Efficient and Reliable Hydrogen Production” (https://cordis.europa.eu/project/id/213009), descrive il livello di prontezza delle tecnologie degli elettrolizzatori, evidenzia che solo la tecnologia PEM ha ottenuto il livello 9 di prontezza tecnologica (TRL), mentre per SOEC è stato ottenuto solo il livello 7 (vedi figura).

A causa del rapido cambiamento di TRL e del quadro normativo applicabile, le misure proposte per i rischi andrebbero verificate regolarmente mediante un’opportuna valutazione della conformità, come spiegato di seguito.

Progettare un impianto a idrogeno conforme

Attualmente, non esiste un approccio standardizzato per progettare un impianto di produzione di idrogeno conforme; infatti, è necessario considerare diversi aspetti, responsabilità e parti interessate.

Una metodologia per semplificare consiste nell’eseguire una valutazione dinamica della conformità:

• identificazione della legislazione applicabile e del relativo campo di applicazione
• definizione dei documenti da produrre per ogni sistema funzionale e per l’intero impianto
• identificazione di ruoli e responsabilità delle diverse parti interessate (OEM, appaltatore, EPC, utente finale…)

Conclusione

Gestire la sicurezza dell’idrogeno durante la progettazione è imprescindibile, ma può essere particolarmente impegnativo in un contesto tecnico e legale in rapida evoluzione.

All’interno di Vinçotte, società del gruppo KIWA, abbiamo un team di esperti qualificati dedicato alla sicurezza dei processi che può supportare nella progettazione orientata alla conformità nei confronti del quadro normativo applicabile e nelle revisioni dovute ad uno scenario ancora mutevole.

Contattaci per maggiori informazioni: idrogeno@kiwa.com