Specifika analýzy rizik vodíku

Specifika analýzy rizik vodíku

Zájem o technické plyny a zvláště o vodík neustále roste. Vodík se používá při mnoha technologických procesech. Zejména vzhledem k úvahám o vodíku jako o pohonné látce dopravních prostředků automobilů roste tlak na analýzy rizik spojených s jeho používáním v technické praxi. Článek upozorňuje na základní aspekty, které je třeba při analýze rizik spjatých s vodíkem respektovat.

Základní vlastnosti a současné postavení vodíku

Vodík (hydrogen, chemická značka H) je z hlediska předpokládaného vývoje krytí potřeby energie velmi perspektivní látka. Má celkem výhodné fyzikálně-chemické vlastnosti, včetně poměrně velké výhřevnosti, a jeho použití je ekologické. Světová spotřeba vodíku v poslední době výrazně roste a existuje reálný předpoklad, že tento trend bude pokračovat.

V současnosti se ve světě spotřebuje asi 50 milionů tun vodíku za rok a podle prognóz v nejbližší době toto číslo poroste, a to zejména díky růstu spotřeby v oblasti petrochemických výrob, tj. při výrobě methanolu a amoniaku. Poroste také spotřeba vodíku v rafinerském průmyslu (hydrogenační procesy) stejně jako v ostatních odvětvích, zejména v energetice a automobilovém průmyslu. Nejvýznamnějším se do budoucna jeví využití vodíku jako motorového paliva.

Vodík patří mezi nebezpečné látky zejména díky jeho extrémní hořlavosti (vodík je podle české legislativy klasifikován jako F+), výbušnosti a malé iniciační energii.

Nehoda, ve které hraje hlavní roli vodík, může způsobit rozsáhlé škody nejen z ekonomického hlediska (materiální škody na výrobních, skladovacích a transportních zařízeních, okolních budovách apod.), ale také z hlediska ekologického, sociálního a psychologického. Na závažnost následků případných budoucích nehod lze usuzovat z havárií, k nimž při manipulaci s vodíkem došlo v minulosti.

Havárie s vodíkem nejčastěji vznikly v důsledku selhání obsluhy nebo technické závady. Proto je důležité věnovat co největší pozornost všem dějům při výrobě, skladování, stáčení, přepravě i používání vodíku. V souvislosti s většími skladovacími kapacitami a rostoucí frekvencí stáčení totiž výrazně roste i riziko.

Vnímání vodíku

V USA existuje pojem, který dobře vystihuje vnímání rizik vodíku – jde o tzv. vodíkové stigma. S vodíkem je spjato několik nehod, resp. událostí, které ovlivnily veřejné vnímání vodíku a poškodily ho v očích veřejnosti. Jejich vliv přetrvává v současnosti a patrně přesáhne i do budoucnosti.

Nehoda Pilatre de Roziera
Pilatre de Rozier byl vynálezce tzv. roziéry (balon, jehož nosným médiem je vodík, ohřívaný teplým vzduchem). Dne 15. června 1785 Pilatre de Rozier a jeho druh Pierre Jules Romain vzlétli z Boulogne-sur-Mer k pokusu o přelet kanálu La Manche. V poryvech větru se oheň dostal až k vodíku, umístěnému ve zvláštním obalu, a horní část balonu rychle vzplála. Aerostat začal prudce klesat a asi 200 m nad zemí se jeho klesání změnilo v pád. Dopadl na kamenitou pláž a oba nešťastní letci byli vyproštěni z trosek již mrtví. Oba byli prvními oběťmi vodíku a současně první zaznamenané letecké havárie.

Nehoda vzducholodi Hindenburg
Německá vzducholoď LZ-129 Hindenburg byla zničena požárem 6. května 1937 při přistávání na letišti Lakehurst v New Jersey (USA). Z 97 osob přítomných na palubě při této katastrofě zahynulo třináct pasažérů a 22 členů posádky a dále zemřel jeden člen pozemního personálu (katastrofa si tedy vyžádala celkem 36 lidských životů). Přestože tato havárie není příliš významná rozsahem ztrát, vlivem pozornosti médií byla příčinou změny pohledu na tento typ dopravy a na rizika spojená s používáním vodíku (byla to jedna z prvních nehod zaznamenaná masovými médii).

Zkáza raketoplánu Challenger
Vodík sehrál svoji úlohu i při tragédii raketoplánu Challenger, který pouhých 73 s po vzletu 28. ledna 1986 explodoval nad mysem Canaveral. Havárii nepřežilo sedm astronautů. Challenger byl v pořadí druhý raketoplán vesmírné letky NASA, který se dostal na oběžnou dráhu kolem Země. I tato havárie pověsti vodíku v očích většiny lidí významně uškodila.

Havárie jaderné elektrárny v Černobylu
Nehody vzniklé za spolupůsobení vodíku často souvisejí s provozem jaderných zařízení. Voda se v nich působením záření rozkládá a nahromaděný vodík může být příčinou výbuchu. Při havárii v Černobylu byl reaktor vlivem nesprávné manipulace uveden do nestabilního stavu a poté přetlakován tak, že pára odsunula horní betonovou desku reaktoru o hmotnosti 1 000 tun. Do reaktoru vnikl vzduch a reakcí vodní páry s rozžhaveným grafitem vznikl vodík, který vzápětí explodoval a rozmetal do okolí jaderné palivo spolu s hořícím grafitem.

Vodíková bomba
Vodíková bomba je atomová bomba, v jejímž pouzdru se nacházejí těžké izotopy vodíku – deuterium a tritium. Atomový výbuch vytvoří počáteční teplotu několika milionů stupňů Celsia, která rozběhne jadernou fúzi. Podle velikosti nálože má výbuch sílu odpovídající více než 100 000 tun TNT (největší sestrojené bomby mají účinek desítek megatun TNT). Bomba je schopna ničit budovy v okruhu 20 km a zapalovat hořlavé předměty do vzdálenosti 100 km. V tomto případě nejde o nehodu, ale o výsledek záměrné lidské činnosti, kdy je ovšem vodík neoprávněně veřejností opět vnímán ve velmi negativních souvislostech.

Vlastnosti vodíku

Vodík má některé vlastnosti, které se u jiných látek nevyskytují. Při analýze rizik je tyto vlastnosti nutné brát v úvahu. V následujících odstavcích a tabulkách (tab. 1, tab. 2) jsou uvedeny alespoň ty nejvýznamnější.

Tab. 1. Základní vlastnosti vodíku

Nezaznamenatelnost lidskými smysly
Vodík je bezbarvý plyn bez chuti a zápachu. Pro jeho velkou reaktivitu a nízkou teplotu varu je omezeno použití odorantů. Vodíkový plamen je neviditelný, což dále znesnadňuje detekci (přesto je jeho teplota asi 2 400 °C, a může tedy způsobit poškození okolního zařízení nebo zranění zaměstnanců).

Velká difuzivita
Vodík je lehčí než vzduch, s velkou difuzivitou (asi 3,8krát větší než zemní plyn). To znamená, že se rychleji rozřeďuje na nižší koncentrace a rychleji proniká i zdánlivě kompaktními materiály. Vodík při úniku ve volné atmosféře stoupá rychlostí asi 20 m·s^–1.

Při úniku v uzavřeném nebo nevětraném prostoru je ve směsi se vzduchem velké riziko dosažení výbušné koncentrace a následné iniciace výbuchu.

Tab. 2. Bezpečnostní vlastnosti vodíku

Reaktivita
Reakce vodíku jsou provázeny uvolňováním tepla (exotermní reakce) a hořením. Významné jsou redukční vlastnosti vodíku, které se využívají k výrobě některých kovů z jejich oxidů.

Malá hustota a nízká kritická teplota
Kritická teplota běžného vodíku je –239,96 °C. Nad touto teplotou nemůže vodík existovat v kapalném stavu. Použití vodíku v kapalném stavu je proto energeticky a finančně náročné. Přesto se však kapalný vodík používá, protože má mnohonásobně větší hustotu než plynný vodík (při teplotě varu a atmosférickém tlaku asi 53krát).

Obr. 1. Inverzní křivka vodíku

Záporný Jouleův-Thompsonův koeficient
V případě tzv. škrcení plynu (izoentalpická změna tlaku bez výměny tepla a technické práce) dochází v reálném plynu (na rozdíl od ideálního plynu) i ke změně teploty. Poměr těchto změn vyjadřuje Jouleův-Thompsonův koeficient µ_JT. V diagramu závislosti teploty T na tlaku p je oblast s µ_JT > 0 ohraničena tzv. inverzní křivkou. Průběh inverzní křivky vodíku je znázorněn na obr. 1, kde je patrné, že při teplotách nad 200 K je Jouleův-Thompsonův koeficient u vodíku záporný – vodík se při poklesu tlaku zahřívá. Hodnota µ_JT je však při normální teplotě příliš malá, než aby mohla způsobit zahřátí vodíku nad teplotu vznícení.

Vodíkové křehnutí a vodíková koroze
Vliv vodíkového křehnutí a vodíkové koroze se projevuje nejčastěji v místech mechanického namáhání. Jev je o to nebezpečnější, že v počáteční fázi není možné pozorovat jakékoliv jeho vnější projevy, neboť celý proces probíhá uvnitř materiálu. Tento jev je způsoben difuzí vodíku materiálem. Při změně teploty rychlejší než asi 20 K·h^–1 zůstává vodík uvězněn v čele trhlin, shromažďuje se ve vzniklých dutinách (vodíková past) a dochází k růstu trhlin.

Široké meze hořlavosti a malá iniciační energie
Meze hořlavosti vodíku jsou velmi široké a jeho iniciační energie současně velmi malá (až 2·10^–5 J, viz obr. 2). Další základní vlastnosti charakterizující vodík z hlediska hořlavosti a výbušnosti jsou uvedeny v tab. 2.

Obr. 2. Závislost iniciační energie směsi vodíku se vzduchem na koncentraci

Požadavky na konstrukci zařízení
Při konstrukci vodíkových zařízení je důležité věnovat pozornost sběru informací o podmínkách provozu zařízení a v maximální možné míře eliminovat možnost selhání lidského činitele. Současné trendy směřují k vytlačení člověka z celého procesu skladování, výroby a manipulace s vodíkem do role faktoru minimalizujícího možné následky závažné havárie.

Mnohá doporučení pro konstrukci vodíkových zařízení lze nalézt v normách ISO (Technická komise 197) a v publikacích Evropské asociace EIGA (http://www.eiga.org).

Závěr

Využití vodíku bylo dosud provázeno několika nehodami, resp. jevy, které zásadním způsobem ovlivnily vnímání rizik, která vodík přináší. Veřejnost vnímá použití vodíku jako zásadně významnější riziko než např. použití kapalného propan-butanu (LPG) nebo zemního plynu. Tento stav není způsoben objektivním vnímáním rizik provázejících vodík. Cílem článku tedy bylo přinést informace o nejvýznamnějších nehodách, které vodík provázely, a upozornit na základní vlastnosti, které musí být uváženy při analýze rizik spjatých s vodíkem.

Literatura:
[1] BALAJKA, J.: Vodík a iné nové nosiče energie. Alfa, Bratislava, 1982.
[2] CROWL, D. A. – LOUVAR, J. F.: Chemical Process Safety: Fundamentals with Applications. Prentice Hall PTR, Upper Saddle River, 2001.
[3] KOTEK, L. – FAJMONOVÁ, L. – BABINEC, F.: Popis vzniku nehody metodou description model. In: Sborník z konference chemického a procesního inženýrství CHISA 2003, Praha, 2003.
[4] LEES, F. P.: Loss Prevention in the Process Industries. Butterworth-Heinemann, 1980.
[5] McCARTY, D. R. et al.: Hydrogen: Its Technology and Implications. CRC Press, Cleveland, 1975.
[6] NOVÁK, J. P. et al.: Plyny a plynné směsi. Academia, Praha, 1972.
[7] PALMOVÁ, I. – SCHONGUT, J.: Perspektivy výroby a využití vodíku. In: Chemické listy, 2004, roč. 98, s. 205Hydrogen Energy System – Production and Utilization of Hydrogen and Future Aspects. Kluwer Academic Publishers, Ankara, 1995.
[9] Zařízení na výrobu vodíku. Československá vědeckotechnická společnost – Dům techniky Brno, Brno, 1990.
[10] ZÜTTEL, A.: Hydrogen Storage Methods and Materials. University of Fribourg, Fribourg, 2003.
[11] ISO/PDTR 15916: Basic considerations for the safety of hydrogen systems. 2001.
[12] IGC 132/05/E Automatic Air and Gas Devices: Construction and Operation. 2005.

Ing. Luboš Kotek,
ústav metrologie a zkušebnictví,
Fakulta strojního inženýrství, VUT v Brně
(lubos.kotek@post.cz)

Článek je redigovanou verzí stejnojmenného příspěvku předneseného autorem na 29. mezinárodní konferenci TD 2006 – Diagon 2006, UTB ve Zlíně, květen 2006.