Safe Hydrogen Fuel Handling and Use for Efficient Implementation - SH2IFT

Det er en økende interesse for hydrogen som utslippsfri energibærer som kan bidra til å realisere de nødvendige reduksjonene i globale CO2-utslipp. Avkarbonisering av kraftproduksjon og industri samt drivstoff til tungtransport er relevante bruksområder. Manglende kunnskap om sikkerhetsspørsmål knyttet til utrulling av H2-teknologi representerer imidlertid et sentralt hinder for industri, myndigheter, sluttbrukere og allmennheten. For å unngå unødvendige begrensninger når det gjelder håndtering og bruk av hydrogen, må kunnskapshull knyttet til sikkerhet fylles. Det vil redusere potensielle farer og barrierer for utbredt implementering. Validering av konsekvensmodeller mot eksperimenter og etablering og formidling av kunnskap og retningslinjer for hydrogensikkerhet er av avgjørende betydning for å muliggjøre økt bruk av hydrogen. SH2IFT-prosjektet kombinerer samfunnsfaglige og teknisk-naturvitenskapelige metoder for å fylle kunnskapshull med hensyn til sikker håndtering og bruk av hydrogen, både i gassform og flytende. Teoretiske tilnærminger blir komplettert med brann- og eksplosjonseksperimenter, med vekt på temaer av strategisk betydning for Norge, slik som blant annet tunnelsikkerhet og maritime applikasjoner. Forskningspartnerne i prosjektet er NTNU, NORCE/Gexcon, RISE Fire Research, SINTEF og TØI. Spørreundersøkelsen som ble gjennomført indikerer at kunnskapen om hydrogen i den generelle befolkningen er relativt lav. Hydrogen anses imidlertid som bærekraftig, mens sikkerhet oppleves som uavklart. De opplevde bekymringene for sikkerhet med tanke på bruk av hydrogendrivstoff er signifikant korrelert med kjennskapen til hydrogenstasjonseksplosjonen i 2019 i Oslo, Norge. Målrettede kampanjer for å øke kjennskapen til hydrogen som drivstoff kan bidra til å øke den opplevde sikkerheten. Effekten av jetbrann i innelukkede strukturer ble undersøkt i en serie forsøk med varierende grad av innelukking. Både synlige og (for det menneskelige øyet) usynlige flammer ble registrert. Det ble funnet at synligheten til flammen var avhengig av betingelser i omgivelsene. Siden mesteparten av varmen fra en hydrogenjetbrann blir overført via konveksjon, blir varmen mot overflatene konsentrert omkring treffpunktet. I en kort periode ble det målt opp til 700 kW/m2 i området hvor jetflammen traff. På grunn av dette vil varmepåkjenningen mot omgivelsene være mer retningsbestemt enn for jetbranner med hydrokarboner. Det har blitt utført stor-skala eksperimenter for å studere lagertanker for flytende hydrogen (LH2) når de utsettes for brann. Til dette formålet ble det bygget 3 dobbeltisolerte vakuumtanker på 1 m3 med forskjellige isolasjonsmaterialer og orientering(horisontalt eller vertikalt). En av de tre tankene sviktet katastrofalt etter 1 time og 6 minutter, mens de to andre tankene holdt seg intakte etter å ha vært utsatt for brann i henholdsvis 1 time og 20 minutter og 4 timer. Tanken som sviktet resulterte i en stor ildkule, fragmenter og en eksplosjonsbølge. Sikkerhetsventilene var stengt under alle eksperimentene. I tillegg ble det utført eksperimenter for å studere flytende hydrogen når det frigjøres over eller under vann. Totalt ble det utført 60 eksperimenter hvor flytende hydrogen ble sluppet ut i forskjellige hastigheter i et basseng. Alle utslippskonfigurasjoner over og under vann resulterte i en veldig kaotisk LH2-vann-blandingssone, noe som forårsaket betydelig fordampning og resulterte i mindre overtrykk. Ingen Rapid Phase Transitions (RPT) ble observert. De fleste testene resulterte i antenning av gasskyen som oppstod ved fordampningen. Antenningskilden er ukjent, og det krever videre forskningsinnsats for å forstå dette bedre. Parallelt med det eksperimentelle arbeidet ble en teoretisk analyse av utløsing og hypotetiske konsekvenser av RPT for flytende hydrogen gjennomført. De overordnede konklusjonene er at en LH2 RPT-hendelse som følge av et utslipp på vann er svært usannsynlig, og at de hypotetiske konsekvensene av LH2 RPT er små sammenlignet med LNG RPT. Dette samsvarer bra med de eksperimentelle resultatene. Modeller som er utviklet for å beskrive og analysere Boiling Liquid Expanding Vapour EExplosion (BLEVE) ble validert med data fra tester utført av BMW på 1990-tallet. En analyse av disse eksperimentene ved bruk av et CFD-simuleringsverktøy viste at både gass- og væskefasen i LH2-tanker bidrar til eksplosjonstrykket generert av BLEVEs. Basert på disse resultatene ble det foreslått forbedringer av eksisterende analysemodeller. Det ble også spekulert i at en liten andel av forbrenningsprosessen bidrar til trykkbølgen som oppstår. Dette er allerede vist for høytrykkstanker for lagring av gassformig hydrogen. Både analytiske og numeriske modeller ble brukt for å simulere en slik branntest for å undersøke hva som skjer før tanken svikter og hvor lang tid det tar. Detaljert beskrivelse av arbeidet og resultatene er beskrevet i sluttrapporten: www.sh2ift.com

During this KSP project, the partners have developed working methods and digital tools for studying liquid and gaseous hydrogen. The partners have made progress in the understanding of important parameters related to hydrogen safety.There is a significant effort in developing infrastructure for the green energy shift. It is critical that safety is considered as a part of the totality, and sufficient knowledge, recommendations and procedures will help new hydrogen applications find its way on the market. This is a significant business opportunity for value creation from Norwegian natural resources. SH2IFT may also promote new technology within detection, ventilation and fire extinguishing techniques. SH2IFT focused on challenges especially relevant for the Norwegian industry, and were identified through close collaboration between the industry- and research partners. The knowledge obtained increases the probability of long term value creation within industry segments important for Norway, such as power/gas as well as maritime and transportation industry. The SH2IFT project has also educated highly competent scientists for future developments and for the progress of existing production as well as future expansions. SH2IFT is an interdisciplinary project, and we have been a number of research and industry partners who have been involved and have collaborated across different work packages. This has provided useful insight into each other's research fields. Several international partners have also been involved. This has resulted in an expanded network and plans to continue the good collaboration in a follow-up project, SH2IFT-2. SH2IFT has contributed to increase knowledge, guidelines and procedures that will address new and upcoming technology from a Norwegian perspective. The project initiated new collaboration between research, industry, authorities and other relevant actors within hydrogen safety, and has established a platform of common understanding of hydrogen related safety issues. SH2IFT concluded with a high-impact hybrid event in Trondheim in May 2022, with attendees from research, industry, authorities and policymaking bodies. The event was streamed and can be viewed at the project website www.sh2ift.com

The Norwegian energy policy presents a political initiative to introduce H2 as fuel. This opens for the use of H2 in several modes of transportation, as well as to support the build-up of intermittent, renewable energy storage. Norway has extensive experience from H2 producing by electrolysis and methane reforming, and can become a supplier of clean hydrogen and H2 technology to Europe and other parts of the world. Large industrial actors are currently exploring the potential of producing large quantities of sustainable H2 from Norwegian natural gas with solutions that include carbon capture and storage. However, insufficient knowledge about safety issues related to widespread roll-out of H2 technology represents a major bottleneck for industry, authorities, end-users and the general public. To avoid unnecessary restrictions regarding handling and use of H2, knowledge gaps related to safety must be filled, thereby mitigating potential hazards and lowering barriers to widespread implementation. Hence, validating consequence models against experiments and establishing and disseminating knowledge and guidelines regarding H2 safety, especially for use in the general public, is of key importance for the future H2 society. The proposed project, SH2IFT, combines social and technical scientific methods to address knowledge gaps regarding safe handling and use of gaseous and liquid H2, and theoretical approaches will be complemented by fire and explosion experiments, with emphasis on topics of strategic importance to Norway, such as tunnel safety, maritime applications, etc. Impact -Increased relevance and accuracy of consequence models and risk assessments, resulting from experimental investigations and state-of-the-art modelling; -Input to requirements, procedures and guidelines regarding GH2 and LH2 safety in road, rail and maritime applications; -Increased acceptance and accelerated implementation of H2 technology in society, contributing to reduced GHG emissions