Waterstofexplosie in container

Algemene beschrijving

Een groot bouwterrein wordt van stroom voorzien door gebruik te maken van twee waterstofaggregaten. Waterstofaggregaten wekken stroom op door waterstof met zuurstof te laten reageren tot water. Deze reactie vindt plaats in een brandstofcel. De waterstofaggregaten zijn ieder aangesloten op een waterstofbundel van 16 waterstofcilinders. Ieder waterstofaggregaat wordt gecombineerd met een batterijsysteem om de opgewekte stroom op te slaan.

Zowel de waterstofaggregaten als de aangesloten waterstofbundels en de batterijsystemen staan in twee 20 ft. containers. Er is gekozen om deze systemen in containers te plaatsen, omdat containers eenvoudig te transporteren zijn met de bestaande infrastructuur en snel ingezet kunnen worden. Op het bouwterrein zijn daarnaast vier waterstofbundels als voorraad aanwezig.

Bij het waterstofaggregaat wordt de waterstofdruk van 300 bar naar 0,5 bar gebracht. Door een installatiefout ontstaat in een van de twee containers een breuk in de waterstofleiding van 0,5 bar, waardoor een paar seconden lang waterstof vrijkomt in de container. Het lek wordt gedetecteerd door de aanwezige ATEX-detectoren waardoor de toevoer van waterstof wordt gestopt. Er stroomt ongeveer een kilo waterstof de container in. Een deel van de waterstof wordt door natuurlijke ventilatie naar buiten gedreven, maar evengoed is in de container gedurende langere tijd een hoge waterstofconcentratie aanwezig. Door onbekende oorzaak ontsteekt de waterstofwolk en explodeert, waardoor de container openscheurt.

Kans van optreden

De kans dat een explosie optreedt, wordt bepaald door de kans dat waterstof vrijkomt uit een leiding van het waterstofaggregaat en de kans dat de waterstofwolk in de container explodeert.

Kans dat waterstof vrijkomt uit een leiding

Van een waterstofaggregaat en de bijbehorende appendage zijn geen uitstroomscenario’s en faalfrequenties bekend. Daarom is gebruikgemaakt van de scenario’s en faalfrequenties die gelden voor bovengronds liggende leidingen met een diameter van minder dan 75 mm (RIVM, 2021):

1. Breuk van de leiding. Faalfrequentie = 1 ´ 10^-6 per meter per jaar.
2. Lek van de leiding. Faalfrequentie = 5 ´ 10^-6 per meter per jaar.

Aangenomen wordt dat het falen van appendages onderdeel uitmaakt van de faalfrequentie voor bovengronds liggende leidingen. Ook wordt aangenomen dat de scenario’s en de faalfrequenties niet afhankelijk zijn van de ligging van de leidingen binnen of buiten de container. Voor het lekscenario geldt dat de gatgrootte 10 % van de diameter is (RIVM, 2021).

Kans dat een waterstofwolk in een container ontsteekt

In een binnenruimte zijn de ontstekingskansen voor brandbare gassen hoger dan in de open lucht, omdat een brandbare wolk zich niet kan verplaatsen en veel langer blijft hangen. Dat is de reden dat in een binnenruimte niet zozeer het uitstroomdebiet, als wel de hoeveelheid uitgestroomd brandbaar gas bepalend is voor de ontstekingskans. Voor de container geldt daarom dat hoe meer waterstof vrijkomt, hoe groter de ontstekingskans is. Deze kans gaat naar 1 als potentiële ontstekingsbronnen zich lange tijd in de waterstofwolk bevinden (Myrstad, 2023).

Effecten

Experimenten met een 20 ft. container

In het HySEA-project zijn tussen 2015 en 2017 experimenten uitgevoerd waarbij waterstofwolken onder verschillende omstandigheden in een 20 ft. container werden ontstoken. De omstandigheden betroffen de waterstofverdeling en -concentratie, ventilatieoppervlakken, explosieluiken en obstakels (Skjold et al, 2019).

Er zijn in totaal 66 experimenten gedaan. Bij alle experimenten bleef de container intact, behalve bij het experiment met een waterstofconcentratie van 24 vol.% in de afwezigheid van ventilatie en van explosieluiken. Zie onderstaande figuur. Bij een overdruk van 1,1-1,3 bar braken de deuren bij de scharnieren; een daarvan belandde op 30 m afstand van de container. Ook ontstonden er scheuren in de lange wanden van de container, net als bij een ander experiment in het project (Skjold et al, 2017).

De binnenafmetingen van een 20. ft container zijn 5,90 (l) x 2,39 (h) x 2,35 (b) m. De inhoud van een 20. ft container is daarmee 33 m³. Een waterstofconcentratie van 24 vol.% in deze container komt overeen met de aanwezigheid van 7,95 m³ (0,66 kg) waterstof bij atmosferische druk (CMB, z.d.).

Niet alleen in de containers, maar ook daarbuiten waren druksensoren geplaatst. Deze bevonden zich in het verlengde van de containers op 5 m, 10 m en 15 m afstand van de containerdeur en op een hoogte van 1,65 m. Onderstaande figuur laat het verloop van de overdruk zien bij het enige experiment waarbij de deuren van de container openbraken. De hoogste overdruk in de container is 1,45 bar en bij de deur is die overdruk gezakt naar 1,1 – 1,3 bar. Aangezien de overdruk van een explosie exponentieel afneemt met de afstand (Shirbhate et al, 2021), zijn de overdrukken buiten de container al een stuk lager en gezakt naar 0,10 – 0,25 bar.

Doordat de waterstofconcentraties relatief laag bleven (< 24 vol.%), heeft nergens een overgang van deflagratie naar detonatie plaatsgevonden. Bij hogere waterstofconcentraties en bij meer turbulentie zijn hogere overdrukken te verwachten en mogelijk ook detonatie.

Uitgangspunten effectberekeningen met EFFECTS

Het programma EFFECTS is bedoeld voor incidenten die in de open lucht plaatsvinden. Het berekenen van de overdruk van een gaswolkexplosie van waterstof in een besloten ruimte is daarom niet mogelijk met EFFECTS. Wat wel kan, is het bepalen van de effecten van de gaswolkexplosie aan de hand van een fysische explosie van een waterstoftank. Voor het schadebeeld door overdruk maakt het namelijk weinig uit of de overdruk veroorzaakt is door een chemische explosie of door een fysische explosie.

Voor het bepalen van de overdrukeffecten, is gebruikgemaakt van het experiment in het HySEA-project waarbij de container niet intact bleef. In EFFECTS is een fysische explosie gemodelleerd van een drukvat dat faalt bij 1,2 bar. Dat is de gemiddelde overdruk waarbij de deuren van de container openbraken. Voor de berekeningen is het drukvat aan de rand van de container geplaatst. De effectafstanden gelden daarom vanaf de rand van de container. EFFECTS berekent ten opzichte van het HySEA-experiment wat hogere overdrukken dicht bij de container, maar de resultaten zijn gegeven de onzekerheden vergelijkbaar.

Een chemische explosie van een uniform verdeelde waterstofwolk van 24 vol.% in een 20 ft. container leidt tot hoge overdrukken in de container, maar daarbuiten zijn de overdrukken aanmerkelijk lager. De containerwanden vangen een groot deel van de drukgolf op, waardoor de container vervormt en scheurt. Buiten de container en in het verlengde van de deuren is een overdruk van 0,1 bar te verwachten op ongeveer 20 m afstand. Bij deze overdruk overlijdt 1 % van mensen in gebouwen als gevolg van glasscherven. Als binnen deze afstand geen gebouwen staan, zijn dodelijke slachtoffers niet te verwachten. Mensen zijn overigens beter bestand tegen de effecten van overdruk dan gebouwen.

Zelfredzaamheid en handelingsperspectief

Mogelijk handelingsperspectief

Het handelingsperspectief is afhankelijk van de situatie en van de inrichting van de omgeving. Snel reageren is bevorderlijk.

• Als het incident niet opgemerkt wordt, kunnen mensen buiten verrast worden door de explosie, zeker als zij zich in het verlengde van de deuren bevinden.
• Als het incident wel opgemerkt wordt, moeten mensen buiten vluchten, dekking zoeken of een schuilplaats binnengaan. Voor personen binnen en dicht bij de bron is het handelingsperspectief binnenblijven en wegblijven van ramen.

Randvoorwaarden

De onderstaande aspecten zijn medebepalend voor de mogelijkheden op het gebied van zelfredzaamheid. Deze zijn locatieafhankelijk en staan in relatie tot elkaar.

Het verloop van het ongevalscenario

• De snelheid waarmee het scenario zich voltrekt, is afhankelijk van het ontstekingsmoment. Na ontsteking zijn direct de effecten merkbaar. Bij een lek is er gedurende langere tijd een explosieve wolk aanwezig.
• Het lekken van waterstofgas bij een druk van 0,5 bar zal hoorbaar zijn, maar in de praktijk zal er waarschijnlijk onvoldoende tijd zijn om een veilige plek te bereiken.

Herkenbaarheid van het scenario

De explosie is direct waarneembaar voor aanwezigen.

Mate van bewustzijn van de gevaren

• Weten dat een dergelijk ongeval mogelijk is bij een bouwterrein.
• Weten wat de gevaren zijn van waterstof.
• Weten wat gedaan moet worden in geval van een lek of dreigende explosie.

Gesteldheid van personen

Het is te verwachten dat de aanwezigen op een bouwterrein fysiek en mentaal in staat zijn zichzelf in veiligheid te brengen.

Aanwezige voorzieningen Een container met een waterstofaggregaat zal geventileerd worden en voorzien zijn van ATEX-detectoren. Het is niet bekend of in dergelijke containers ook explosieluiken aanwezig zijn.

Optreden multidisciplinaire hulpverlening

Brandweerzorg

Het incident is van korte duur. De hulpverlening komt ter plaatse, nadat de explosie zich heeft voorgedaan. Daardoor ligt bij dit scenario de nadruk op redden en evacueren, uitbreiding voorkomen en (eventueel) blussen van secundaire branden en gecontroleerd af laten fakkelen of leeg laten stromen van beschadigde installatieonderdelen.

De brandweer start de processen:

Bron- en emissiebestrijding

Bij aankomst bepaalt de brandweer het bron- en effectgebied. De omgeving wordt beschermd door te voorkomen dat het incident uitbreidt en door effecten te beperken. Het incident wordt gestabiliseerd, branden in de omgeving worden geblust en de bevolking wordt gewaarschuwd.

Redding

Redden en verlenen van eerste hulp aan slachtoffers.

Materieel en mankracht

De benodigde slagkracht is afhankelijk van de omgeving, de omvang van het incident, het aantal slachtoffers en de aard en het type van de verwondingen. Het incident zal niet direct brand in het effectgebied veroorzaken, maar doordat binnen 5 m zware schade kan worden toegebracht aan gebouwen, kunnen deze instorten.

Bluswater

Op een bouwterrein kan bluswater een issue zijn. Daarom moet nagegaan worden hoeveel bluswater nodig is bij het scenario en of deze hoeveelheid op de locatie aanwezig is. Mogelijk dat aanvullende bluswatervoorzieningen nodig zijn.

Indicatiebepaling hoeveelheid slachtoffers

Op een bouwterrein kunnen veel mensen aanwezig zijn. Afhankelijk van de locatie van de container kunnen meerdere mensen gewond raken. Het bouwbedrijf zal een indicatiebepaling kunnen geven van het aantal personen op de locatie.

Maatregelen

Algemeen

Om een veilige werkomgeving te creëren, is een werkgever verplicht een explosieveiligheidsdocument (EVD) op te stellen. Het EVD bevat de volgende informatie:

• Een identificatie en beoordeling van explosierisico’s.
• De wijze waarop alarminstallaties zijn ontworpen, worden gebruikt, bediend en onderhouden.
• De indeling van de ATEX-gevarenzones.
• De maatregelen die zijn genomen om explosieve atmosferen en ontstekingsbronnen te voorkomen en om de gevolgen van een explosie te beperken.
• De wijze waarop twee of meer werkgevers samenwerken en werkzaamheden coördineren.

Kansbeperkende maatregelen

• Ontstekingsbronnen vermijden.
• Gebruik van explosieveilige apparatuur (ATEX 114).
• Ophopen voorkomen door ventileren van de besloten ruimte.
• Het aan- en afkoppelen van systemen mag alleen gebeuren door personeel dat hiervoor is opgeleid en getraind wordt.
• Gebruiken van zo weinig mogelijk aansluitingen.
• Onderhoud en testen van lekdichtheid van verbindingen.

Effect- en gevolgbeperkende maatregelen

• Begrenzen van de inhoud van het insluitsysteem.
• Beperken van de overdruk door het creëren van zwakke plekken.
• Afstand houden tot mensen, gebouwen en wegen.

Voorbeeld

De beheergroep heeft geen beeld en/of filmmateriaal gevonden van Wolkbrand bij een CNG-tankstation.
Suggesties kunnen gemaild worden naar info@nipv.nl

Voetnoten

• Alconet (z.d.). 20ft Container afmetingen.
• CMB.TECH (Compagnie Maritime Belge, z.d.). Hydrogen sytem mass calculator.
• NIPV e.a. (2023). Leidraad Grootschalige Geneeskundige Bijstand (GGB), versie 2.1.
• Myrstad, H.E. Myrstad (2023). Ignition probability of hydrogen facilities.
• RIVM (2021). Handleiding Risicoberekeningen Bevi, versie 4.3.
• Shirbhate, P.A. et al. (2021). A Critical Review of Blast Wave Parameters and Approaches for Blast Load Mitigation. Archives of Computational Methods in Engineering 28, 1713–1730.
• Skjold, T. et al (2017). Vented hydrogen deflagrations in containers: Effect of congestion for homogeneous and inhomogeneous mixtures. Proceedings of the 7^th International Conference on Hydrogen Safety (ICHS-7), Hamburg, Paper ID 223.
• Skjold, T. et al (2019). Vented hydrogen deflagrations in containers: Effect of congestion for homogeneous and inhomogeneous mixtures. International Journal of Hydrogen Energy, 44(17), 8819-8832,