Improved modelling of hydrogen explosions

Etterspørselen etter teknologi som kan sikre trygg bruk av hydrogen i samfunnet øker, og mangelen på tilfredsstillende løsninger utgjør en av de største hindringene for innføringen av den ?grønne? hydrogenøkonomien. Hydrogen er fundamentalt forskjellig fra de konvensjonelle hydrokarbonbaserte drivstoffene, og det vil derfor være nødvendig med andre systemdesign og risikoreduserende tiltak der hydrogen skal brukes. Resultater fra konsekvensmodeller som er utviklet for å håndtere hydrogenanvendelser, kan i prinsippet brukes i designprosessen av for eksempel skip og kjøretøy drevet av brenselceller, eller under utformingen av infrastruktur for å distribuere, fylle og lagre hydrogen. Konsekvensmodellen FLACS, som blir utviklet av Gexcon AS, inneholder en kompleks matematisk modell for strømning, varmetransport og kjemiske forbrenningsreaksjoner. Modellens evne til å representere konsekvensene av ulykkescenarioer hvor hydrogen er involvert har blitt utviklet som en del av flere forskningsprogrammer de siste tiårene. Imidlertid har flere av disse initiativene også avdekket begrensninger i modellen. For eksempel er reaktiviteten til en rekke blandinger (konsentrasjoner) av hydrogen i luft for høy i den nåværende kommersielle versjonen av FLACS. En forbrenningsmodell som reduserer dette problemet eksisterer internt i Gexcon, men denne modellen må bli utviklet videre for å bli tilstrekkelig generell. Videre kan den nåværende versjonen av FLACS bare representere effekten av å introdusere ekstra nitrogen i atmosfæren hvor forbrenningen skjer, mens det ville være svært relevant å også kunne representere effekten av vann, CO2 og forskjellige typer kjemiske inhibitorer. Hovedmålet med doktorgradsprosjektet er derfor å utvikle et generelt rammeverk for modellering av forbrenningshastigheter av gassblandinger som inneholder hydrogen i FLACS, og å demonstrere at modellen dermed an simulere ulykkescenarioer ved hydrogeninstallasjoner med større nøyaktighet.

The capability of FLACS to represent the consequences of accident scenarios involving hydrogen has been developed as part of several research programmes over the last two decades. However, several of these initiatives have also uncovered shortcomings in the predictive capabilities of the model. For example, the predicted reactivity for a range of concentrations of hydrogen (when mixed with air) has been found to be overly conservative in the present commercial version of FLACS (version 10.9). Furthermore, the relative reactivity between various mixtures is misrepresented. A combustion model that alleviates this problem exists in-house in Gexcon, however, this model requires further development in order to be sufficiently general (e.g. to account for mixtures with other flammable and inert gases, as well as burning velocities at temperatures and pressures that deviates from atmospheric values). The present version of FLACS can only account for the mitigating effect by introducing additional nitrogen to the atmosphere, while it would be highly relevant to also represent the effect of e.g. water (H2O), CO2 and various types of chemical inhibitors. The approach to premixed combustion modelling in the present commercial release of FLACS has been based on data and experience for a quite limited range of fuels, and the modelled burning velocities for several of the gas types have been tuned ‘manually’ to fit certain validation experiments. It is therefore not straightforward to extend the applicability of the model to new mixtures and process conditions. The primary objective of the doctoral project is to develop a general framework for modelling burning velocities of gas mixtures containing hydrogen in the CFD tool FLACS, and to demonstrate improved accuracy of model predictions of accident scenarios relevant for hydrogen installations through systematic validation against experiments.