HomeVeiligheidVeiligheid voorwaarde voor realisatie elektrolyzers

Veiligheid voorwaarde voor realisatie elektrolyzers

Voor elk nieuw project is de veiligheid geborgd via vergunningen, regels, richtlijnen en standaarden. Het realiseren van grootschalige elektrolyzers voor groene waterstofproductie is echter nieuw en daardoor schieten kennis en ervaring op bepaalde gebieden tekort. Dat levert eindeloze discussies en overdesign op, wat enorm vertragend kan werken. ISPT onderzoekt daarom met partners hoe de veiligheid van elektrolyzers objectief kan worden getoetst en welk aanvullend onderzoek daarvoor nog nodig is.

Liesbeth Schipper

De Nederlandse doelen voor waterstof in het Klimaatakkoord omvatten een elektrolysecapaciteit van 3 tot 4 gigawatt in 2030. De Europese ambitie is zelfs 40 tot 60 GW in 2030. En dat terwijl de grootste bestaande waterstoffabriek op dit moment een capaciteit van maximaal 10 megawatt heeft in Europa. In acht jaar tijd moet de capaciteit van de installatie dus enorm worden opgeschaald. Op welke manier is dat mogelijk en wat zijn de kosten?

Begin dit jaar presenteerde het Institute for Sustainable Process Technology (ISPT) het innovatieve ontwerp van een groene-waterstoffabriek met een capaciteit van 1 GW, die in 2030 operationeel zou kunnen zijn. De fabriek draait op windenergie van de Noordzee en kan flexibel opereren. De investering voor zo’n GW-schaal elektrolysefabriek met Alkaline- of PEM-technologie kan uitkomen op ruim 700 respectievelijk 800 miljoen euro, berekende het ISPT (prijspeil 2021).

Bottleneck

Maar niet alleen het opschalen van de capaciteit en de financiering van grote elektrolyzers is een uitdaging. Industriële partners in het GW-project gaven aan dat er ook rond veiligheid meer duidelijkheid moet komen. ‘Veiligheid is op dit moment de bottleneck om elektrolyzers op grote én kleine schaal te kunnen realiseren’, stelt Carol Xiao, programmamanager Groene Waterstof bij ISPT. ‘De vraag waarom het gaat is: wanneer is een elektrolyzer veilig genoeg? Zolang we het daar niet over eens zijn met leveranciers, eindgebruikers, vergunningverleners en EPC-contractors kan de papierwinkel, voordat een project kan worden opgestart, heel lang duren. Bovendien moet elke partij telkens opnieuw per project door dit langdradige proces heen.’

ISPT is daarom samen met partners HyCC, Ørsted, Shell, Yara, DNV, RHDHV, TNO en Safety Delta Nederland begonnen met het project Green Hydrogen Inherent Safety Practices on large industrial scale. ‘De onzekerheden op veiligheidsgebied hebben vooral te maken met het risico op het optreden van explosies’, vertelt projectleider Hans van ’t Noordende. ‘Die risico’s kunnen zo klein zijn dat explosies bijna nooit voorkomen of nog niet voorgekomen zijn. Daardoor zijn er heel weinig historische incidenten waarvan we kunnen leren. We missen dus kennis en ervaring, weten niet precies wat er kan gebeuren. We gaan dan vaak veiligheidshalve uit van het maximale effect, terwijl we uit zouden moeten gaan van geloofwaardige effecten.’

Niet reëel

Dit lijkt vreemd omdat waterstofproductie en ook waterelektrolyse niet nieuw is, de technologie bestaat al heel lang. ‘Dat klopt, maar de opschaling van elektrolyzers gaat nu heel snel’, geeft Van ’t Noordende aan. ‘Ook verandert de technologie, met andere materialen, membranen en elektrodes om het proces steeds efficiënter te maken. Bovendien verschuiven we naar een flexibele bedrijfsvoering. Elektrolyzers gaan draaien op groene elektriciteit, dus ze gaan het wind- en zonpatroon volgen. Ook dat creëert nieuwe omstandigheden, waarbij mogelijk een explosief mengsel kan ontstaan.’

We begrijpen steeds beter welk effect flexibel gedrag met zich meebrengt, verzekert Van ’t Noordende. ‘Dit geeft ons en leveranciers de mogelijkheid om oplossingen te ontwikkelen die we kunnen toepassen in het ontwerp. Maar we hebben wel te maken met kansen. Kansen dat er iets faalt. Doordat de ontwikkelingen nu in korte tijd plaatsvinden, hebben we nog weinig ervaring en historische data over die faalkansen. Dat hebben we wel voor traditionele waterstoffabrieken, steam methane reformers, maar dus niet voor nieuwe, grootschalige waterelektrolyse.’

De industrie heeft ontzettend veel ervaring met gevaarlijke stoffen en situaties, vult Xiao aan. ‘Bedrijven weten daar uitstekend mee om te gaan, maar we krijgen nu echt een nieuwe situatie. Daardoor hebben we geen bewijs dat een elektrolyzer honderd procent veilig is. En daardoor blijven we worst case scenario’s uitwerken. Niemand kan onderbouwd aantonen dat deze scenario’s niet reëel zijn.’

Hans van ’t Noordende: ‘We gaan veiligheidshalve uit van het maximale effect, terwijl we uit zouden moeten gaan van geloofwaardige effecten.’

Credible scenario

Het veiligheidsproject van ISPT en partners is precies daarom opgezet. ‘In ons project gaan we van worst case scenario naar credible scenario, dus een scenario waarin een kans op een zwaarst realistisch effect te verwachten is’, vertelt Van ’t Noordende. ‘Scenario’s leiden in dat geval tot een incident dat gezien de omstandigheden kan plaatsvinden. Omstandigheden in de bedrijfsvoering, bijvoorbeeld met drukken en temperaturen. Stel dat er een scenario is, maar de druk kan niet hoog oplopen of er vindt geen ontsteking plaats, dan volgt er ook geen explosie. Er gebeurt in dat geval verder niets en dus is dat geen credible scenario.’
Het project richt zich onder andere op een speciaal type explosie, namelijk detonatie. Bij een “gewone” explosie treedt er een snelle verbranding op met drukopbouw. In een gesloten vat resulteert dit in een drukgolf waardoor het vat scheurt en de drukgolf naar buiten komt. Dit heet deflagratie. Bij detonatie echter, plant het reactiefront zich voort door de energie van de geluidssnelheid. Hierdoor ontstaat een schokgolf die veel hogere drukken kan bereiken. Van ’t Noordende: ‘Het gaat bij detonatie om heel heftige explosies. Gelukkig is dit type explosie nooit voorgekomen in verband met industriële elektrolyzers, maar we kunnen het niet uitsluiten. In een elektyrolyzer pilot plant in Korea heeft dit wel degelijk recent plaatsgevonden.’

Drie onbekende factoren

Over drie veiligheidsaspecten bestaat nog veel onzekerheid. Van ’t Noordende: ‘Ten eerste is niet bekend of er bij explosies die binnen een elektrolyzer plaatsvinden detonatie kan plaatsvinden. En zo ja, onder welke condities? Met welke drukopbouw? En hoe snel gaat dat dan? Buiten een installatie weten we het wel, dat kunnen we inschatten, maar wat gebeurt er binnen een installatie?’

Het tweede aspect is dat er in het geval van een explosie van bijvoorbeeld een vat fragmentatie zal optreden, scherfwerking, maar dat niet bekend is wat voor schade dit gaat aanrichten aan een gebouw en vervolgens in de omgeving. ‘We weten dus ook niet precies wat we daartegen zouden moeten doen. Wat we daarom nu doen, is dat we ons een maximaal effect voorstellen en daarvoor dus ook maximale maatregelen nemen. Dit aspect willen we daarom ook beter begrijpen.’

Het derde aspect gaat in op de kans van ontsteking van een explosief mengsel onder bepaalde condities.

Aanvullend onderzoek

Het eerste doel van het project, medegefinancierd door TKI Energie en Industrie, is daarom het opstellen van beoordelingsmethodieken om risico’s op explosies met deflagratie-detonatie-transitie (DDT) en (vertraagde) ontsteking beter te kunnen bepalen. ‘We willen dit op een objectieve en uniforme manier kunnen doen’, legt Van ’t Noordende uit. ‘Dit project levert schema’s op die we aanbieden aan de hele industrie en vergunningverlening om stapsgewijs te kunnen bepalen hoe je risico’s zou moeten inschatten. En we willen bepalen wat er nog nodig is aan aanvullend onderzoek. Denk aan experimenten die kunnen leiden tot kennis over DDT en validatie van de modellen.’

Met die modellen worden bijvoorbeeld veiligheidsafstanden berekend. Xiao: ‘Straks staan heel veel elektrolyzers bij elkaar. Op welke afstand van elkaar is dat veilig? Maar allereerst: wat is de impact van een explosie en wat de kans? Mogelijk moeten we veldtesten doen om data daarover op te bouwen. Hoe kunnen we die representatief doen? Ook dat onderzoeken we.’

Carol Xiao: ‘Wat is de impact van een explosie en wat de kans? Mogelijk moeten we veldtesten doen om data daarover op te bouwen.’

Verantwoordelijkheid

De risico’s zijn overigens onafhankelijk van de grootte van de installatie. Zowel grote als kleine elektrolyzers hebben te maken met dezelfde risico’s, stelt Van ’t Noordende. ‘Het verschil zit erin dat een grote installatie uit heel veel kleintjes bestaat. Dus dat brengt weer extra risico’s met zich mee. Maar de klap van de explosie kan in beide gevallen even groot zijn.’

En daar noemt Van ‘t Noordende zijdelings een bijkomend risico, vindt Xiao. ‘Als een bedrijf het letterlijk verknalt, dan kan dit de versnelling en implementatie van de waterstofeconomie tegenhouden. Een technologie kan immers falen als het publiek het niet accepteert. We moeten dus alle belanghebbenden meenemen voor een gezamenlijk succes in de waterstoftransitie.’ Het belangrijkste blijft echter om de risico’s op explosies te verkleinen zodat werknemers en de omgeving beschermd zijn. Xiao: ‘De industrie neemt haar verantwoordelijkheid voor de veiligheid van elektrolyzers serieus en daar ben ik erg trots op.’

Delen:

Eindredacteur van Industrielinqs en Petrochem, en immer speurend naar relevant nieuws om te delen. Mijn interesse: breed. Mijn specialiteit: investeringsprojecten en onderhoudsstops!

liesbeth@industrielinqs.nl