Als energiedrager heeft waterstof wereldwijd een groot potentieel voor klimaatbescherming en het speelt een sleutelrol bij het behalen van klimaatdoelstellingen. Er zijn echter risico’s verbonden aan de productie, de hantering en het gebruik van waterstof. Om de mens en het milieu te beschermen, moet bij het werken met waterstof de functionele veiligheid gegarandeerd zijn. Beschikbare veiligheidsprincipes uit de automatisering vervullen daarbij belangrijke taken. Ze dragen ertoe bij dat waterstof niet alleen schoon, maar ook veilig is zo bleek onlangs op een persconferentie bij Pilz GmbH & Co. KG.
Waterstof biedt kansen, maar levert ook risico’s op. Het is immers licht ontvlambaar en zeer explosief, zelfs als slechts kleine hoeveelheden worden gemengd met lucht: ontbranding is al mogelijk bij een waterstofgehalte van slechts 4% in de lucht. Lucht en waterstof mogen daarom niet ongecontroleerd gemengd worden om het risico van ontsteking door een vonk of hitte te vermijden.
Veilige opslag
Gasdichtheid, robuustheid van afsluiters en drukbestendigheid en dichtheid van leidingen, sensoren en kleppen zijn in de waterstofindustrie van groot belang. Een gaslek, te hoge druk of een lekkende klep kunnen bijvoorbeeld ernstige gevolgen hebben voor mensen, installaties en het milieu. Daarom worden veiligheidstaken vaak gerealiseerd in de vorm van speciale materiaaleigenschappen en mechanische afmetingen: hoe robuuster bijvoorbeeld afsluiters zijn, hoe veiliger ze in het gebruik zijn. Bij het tanken van waterstof in voertuigen of treinen zijn immers de hoogste procesdrukken vereist. Waterstof kan vloeibaar worden gemaakt door het af te koelen tot – 253° C. Dit maakt het makkelijker om het met minder ruimtebeslag in waterstoftanks te vervoeren. Een veilige isolatie biedt niet alleen bescherming tegen hitte, maar ook tegen contact met de omgeving. Als waterstof in deze zogenaamde cryogene toestand in contact komt met de huid of als de ijskoude dampen van vloeibare waterstof worden ingeademd, kan bevriezing, onderkoeling en longschade optreden. Als alternatief wordt waterstof gasvormig opgeslagen onder hoge druk, tussen 200 en 900 bar. Dit verhoogt de energie-inhoud per kubieke meter.
Vluchtig medium
Gasvormig waterstof verspreidt zich snel in de hoogte en vermengt zich met lucht. Het kan problematisch worden wanneer waterstof zich verzamelt in gesloten structuren of gebouwen, waardoor het risico op ontbranding of explosie toeneemt. Dit komt omdat waterstof uiterst ontvlambaar is en zelfs kleine vonkjes of warmtebronnen al tot een explosie kunnen leiden. Daarom vormen zelfs de kleinste lekken in waterstofleidingen, kleppen, schroefverbindingen en tanks een serieus risico. Waterstof is ook een kleurloos en reukloos gas. Waterstofbranden zijn daarom vaak moeilijk te lokaliseren en te blussen.
Automatiseringsoplossingen
Beschikbare veiligheidsprincipes uit de automatisering en functionele veiligheid helpen om veiligheid altijd te beschouwen als een overkoepelende bewakingsfunctie van componenten en hun functionele verband in de procesketen. Naast de statische veiligheidseigenschappen van de componenten kunnen veilige automatiseringsoplossingen bijvoorbeeld voor dynamische druken temperatuurbewaking of veilige naleving van belastinglimieten van nageschakelde structuren zorgen. De besturingssystemen van Pilz detecteren op betrouwbare wijze gaslekken door analyse van gasdetectoren en bewaken veilig temperatuur, druk, vulpeil, spanning en stroom, maar ook de noodstop. Ze detecteren fouten in milliseconden en starten vooraf gedefinieerde veiligheidsreacties die de mens en de installatie beschermen.
Voor veel van de processen om waterstof te produceren zijn een hoge druk en temperaturen vereist, die moeten worden bewaakt en geregeld om ongelukken te voorkomen. Als de druk in de tank te hoog is, wordt bijvoorbeeld een overdrukventiel geactiveerd, waarbij het ventiel automatisch opengaat en overtollig waterstof kan ontsnappen. Gas- en vlamdetectoren zijn belangrijk omdat ze ontsnappende gassen en vlammen onmiddellijk detecteren, waardoor snel veiligheidsmaatregelen kunnen worden genomen. Afhankelijk van het elektrolyseproces kunnen er tijdens de elektrolyse ook schommelingen in de belasting optreden. Om dit te voorkomen is het raadzaam om de configureerbare besturing PNOZmulti 2 van Pilz functioneel te plaatsen tussen het veiligheidsrelais PNOZ en grote, programmeerbare besturingssystemen in het automatiserings-systeem PSS 4000. Door middel van veilige analoge ingangen en de flexibiliteit van de softwaretool regelt en bewaakt de kleine besturing alle noodzakelijke veiligheidsfuncties, zoals druk, temperatuur of vulniveau.
Bron: Pilz
Stoom
Een ander proces om waterstof te produceren uit koolstofhoudende energiebronnen en water, is omvorming onder stoom. Het zuurstofgehalte van de waterdamp leidt tot gedeeltelijke oxidatie van de brandstof, waardoor waterstof en koolmonoxide worden geproduceerd. Dit proces vereist hoge temperaturen, die worden bereikt met behulp van branders. De kleine besturing PNOZmulti 2 Burner en het automatiseringssysteem PSS 4000 kunnen niet alleen de veilige besturings- en bewakingssequentie van een klassiek ‘Burner Management System’ overnemen, maar ook de besturing en veiligheidsbewaking van de productie-installatie of machine waarin het thermische proces is geïntegreerd.
Waterstoftankstation
Om waterstof te kunnen gebruiken als brandstof in verbrandingsmotoren is ook een passende infrastructuur nodig. Waterstoftankstations (HRS) zijn daarom cruciaal voor de ontwikkeling van waterstofmobiliteit. Een waterstoftankstation bestaat uit een compressieruimte waarin het gas tot 1000 bar kan worden samengeperst, een koelsysteem, hogedrukopslagtanks en de pompen. De installatie en het beheer van een waterstoftankstation wordt goedgekeurd door de lokale autoriteiten en is onderworpen aan nationale of regionale wetgeving. De veiligheidsfuncties waarmee rekening moet worden gehouden in het waterstoftankstation zijn onder andere waterstoflek-, vlam- en rookdetectie en temperatuur- en drukbewaking. In Frankrijk zorgt het automatiseringssysteem PSS 4000 van Pilz momenteel bij 10 openbare tankstations voor de veiligheid bij het tanken van waterstof. Pilz Frankrijk werkt daar sinds 2023 samen met het bedrijf Hydrogen Refuelling Solutions (HRS). Dankzij de gedecentraliseerde structuur en de gedecentraliseerde ‘fail safe’ analoge ingangen van PSS 4000 kan het hele systeem worden opgezet met korte bekabelingstrajecten en een modulair ontwerp.
Functionele veiligheid
Essentieel is verder het onderwerp ‘Industrial Security’. ‘Industrial Security’ beschrijft de bescherming van productie- en industrie-installaties tegen manipulatie of onjuiste bediening. Tegenwoordig zijn ook productie- en industriële waterstofinstallaties in hoge mate onderling verbonden wat betreft informatietechnologie. Aanvallers kunnen automatiserings-en besturingssystemen gemakkelijker binnendringen, manipuleren en zelfs de veiligheid (machineveiligheid) in gevaar brengen. Dit betekent dat ook werknemers die geen IT-experts zijn, worden geconfronteerd met potentiële gevaren. ‘Industrial Security’ houdt zich bezig met de beveiliging van besturingsnetwerken in productie- en industrie-installaties voor fabrieksautomatisering en procesbesturing. Aanvallers maken vaak gebruik van bestaande kwetsbaarheden om besturingsnetwerken binnen te dringen of processen te verstoren. Om te voorkomen dat aanvallers toegang krijgen tot het besturingsnetwerk, moeten potentiële kwetsbaarheden tijdig worden ontdekt en verholpen. Als aanvallers erin slagen om gebruik te maken van een zwakke plek, kan dit catastrofale gevolgen voor het bedrijf hebben. De ‘Industrial Firewall SecurityBridge’ van Pilz voorkomt dit. Binnen het besturingsnetwerk zijn alle verbindingen tussen de engineering-, diagnose- of configuratietools en de besturingen beveiligd tegen manipulatie en maken ze veilige verbindingen met de buitenwereld mogelijk. Met het toegangsautorisatiesysteem ‘PITreader’ en de bijbehorende RFID-transpondersleutels kunnen de installaties worden beveiligd tegen onbevoegde toegang en kunnen toegangsautorisaties betrouwbaar en individueel worden geregeld. Alle gebruikersacties kunnen namelijk alleen worden uitgevoerd na autorisatiecontrole en goedkeuring. Een uniforme benadering van ‘safety’ en ‘security’. Om het gebruik van waterstof als energiedrager te optimaliseren, moeten alle radertjes in elkaar passen. Automatiseringsoplossingen kunnen een waardevolle aanvulling vormen op de klassieke mechanische veiligheidsvoorzieningen van de waterstofindustrie. Functionele veiligheid houdt namelijk altijd rekening met de hele levenscyclus van beveiligingsinrichtingen. Een end-to-end systematische en functionele veiligheidsbenadering beschermt de mens, de installatie en het milieu – van de productie van de energiedrager tot het gebruik ervan in het waterstoftankstation. Pilz is er ook van overtuigd dat alleen een uniforme benadering van ‘safety’ en ‘security’ een allesomvattende bescherming kan garanderen. Security beschermt de beschikbaarheid van installaties en machines tegen manipulatie en bedieningsfouten.
Het magazine fysiek ontvangen? Klik hier om een kennismakingsabonnement af te sluiten.
Vacatures bekijk je via de vacaturepagina.
