هیدروژن به عنوان یک عنصر کلیدی در صنعت انرژی و شیمیایی، از سال 1766 تاکنون به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفته است. طی این سال‌ها، استانداردها و مقررات ایمنی متعددی برای تولید، ذخیره‌سازی و حمل و نقل آن در سطح جهانی تدوین شده است. برخلاف تصور عمومی که ممکن است هیدروژن را به‌دلیل قابل اشتعال بودنش خطرناک‌تر از سایر سوخت‌ها بدانند، مطالعات متعدد نشان داده‌اند که هیدروژن، اگرچه دارای ویژگی‌های خاصی است، اما به‌طور کلی از نظر ایمنی تفاوت چشمگیری با دیگر سوخت‌های متداول ندارد.
در بررسی خواص احتراقی سوخت‌های مختلف، هیدروژن به‌دلیل محدوده اشتعال‌پذیری وسیع خود به‌طور ویژه مورد توجه قرار گرفته است. در دمای 25 درجه سانتی‌گراد و فشار 1 اتمسفر، محدوده اشتعال‌پذیری هیدروژن بین 4.1 تا 74.8 درصد است، به این معنی که در این بازه غلظتی، مخلوط هیدروژن و هوا می‌تواند قابل اشتعال باشد. این ویژگی، هیدروژن را در شرایط خاصی به یک سوخت حساس تبدیل می‌کند که نیازمند مدیریت دقیق و رعایت اصول ایمنی است.
ایمنی هیدروژن مایع
در مقایسه با هیدروژن گازی، هیدروژن مایع چالش‌های ایمنی بیشتری به همراه دارد که بیشتر ناشی از دمای بسیار پایین و چگالی بالای آن است. تماس مستقیم با هیدروژن مایع یا گاز سرد حاصل از آن، می‌تواند منجر به سوختگی‌های شدید سرمایی، سرمازدگی، و در موارد حادتر حتی هیپوترمی شود. این اثرات مشابه سوختگی‌های حرارتی هستند، اما به‌دلیل سرما، بافت‌های بدن ممکن است به سرعت دچار آسیب شوند.
علاوه بر این، استنشاق بخار سرد هیدروژن مایع نیز می‌تواند به مشکلات تنفسی و حتی خفگی منجر شود. در شرایطی که هیدروژن مایع به‌طور طولانی مدت با بدن یا تجهیزات در تماس باشد، احتمال چسبندگی پوست به تجهیزات و آسیب ناشی از آن وجود دارد. همچنین، نشت هیدروژن مایع می‌تواند هوای اطراف خود را جامد کند و جوی غنی از هیدروژن ایجاد کند که احتمال انفجار را به‌شدت افزایش می‌دهد. در این شرایط، بهترین روش مقابله استفاده از آب اسپری شده است که تبخیر سریع هیدروژن و جلوگیری از تجمع آن را تضمین می‌کند.
خطرات ناشی از انتقال فاز هیدروژن مایع
هیدروژن مایع به محض تبخیر، به هیدروژن گازی تبدیل می‌شود، اما این گاز سرد شده ویژگی‌هایی متفاوت با هیدروژن گازی معمولی دارد. این گاز سرد چگالی بالایی دارد و در نزدیکی سطح زمین انباشته می‌شود که خطر انفجار یا واکنش با هوا را افزایش می‌دهد. تماس ناگهانی میان هیدروژن سرد و مایع داغ نیز می‌تواند منجر به پدیده‌ای به نام “انفجار سریع انتقال فاز” شود که برخلاف انفجارهای شیمیایی، یک فرآیند فیزیکی است و انرژی کمتری آزاد می‌کند. با این حال، نظارت و کنترل دقیق برای جلوگیری از این نوع انفجارها ضروری است.
تاثیر اکسیژن و نیتروژن در ذخیره‌سازی هیدروژن مایع
یکی از چالش‌های مهم در ذخیره‌سازی هیدروژن مایع، تفاوت در دماهای ذوب و جوش اکسیژن و نیتروژن است. از آن‌جایی که اکسیژن در دمای بالاتری نسبت به نیتروژن متراکم می‌شود، هنگامی که هوا در اطراف هیدروژن مایع جامد می‌شود، غلظت اکسیژن در این مخلوط جامد افزایش می‌یابد. این افزایش غلظت، به‌ویژه در صورت تکرار چرخه‌های پر کردن و فشرده‌سازی، خطرات بالقوه‌ای ایجاد می‌کند. در نتیجه، پس از تبخیر مواد جامد شده و بازگشت به حالت گازی، گاز غنی از اکسیژن تشکیل می‌شود که قابلیت اشتعال و خطر انفجار را افزایش می‌دهد.
این پدیده باعث کاهش انرژی مورد نیاز برای احتراق می‌شود و به‌دلیل غلظت بالای اکسیژن، سرعت احتراق را نیز افزایش می‌دهد. بنابراین، در هنگام نگه‌داری و جابجایی هیدروژن مایع، لازم است که اقدامات ایمنی شدیداً رعایت شود تا از این خطرات جلوگیری گردد.
چالش‌های نشت و تراکم هوا
یکی از موارد خطرناک دیگر، تراکم و انجماد هوای اطراف در صورت نشت یا جریان هیدروژن مایع است. این امر باعث ایجاد مخلوطی از هوای جامد و هیدروژن مایع می‌شود که به‌شدت حساس به شوک است و در هنگام بازگشت به حالت گازی، شرایط قابل اشتعال و انفجار ایجاد می‌کند.
ابر بخار حاصل از تبخیر هیدروژن مایع نیز به‌دلیل تراکم آب در هوا گسترش پیدا می‌کند و به‌دلیل چگالی بالاتر هیدروژن مایع نسبت به هوا، پخش شدن آن به آهستگی صورت می‌گیرد. این فرآیند پخش کند هیدروژن، خطرات بیشتری را در هنگام جابجایی ایجاد می‌کند و نیاز به طراحی دقیق مخازن و تجهیزات ذخیره‌سازی برای جلوگیری از نشت و انفجار احتمالی دارد.
اصول ایمنی در جابجایی هیدروژن مایع
در زمان جابجایی یا استفاده از هیدروژن مایع، حضور حداقل دو نفر در محل ضروری است، مگر این‌که کارکنان کاملاً آموزش‌دیده و مجرب باشند. برداشت مایع از مخازن یا سیلندرهای هیدروژن مایع باید با استفاده از سیستم‌های بسته و مجهز به وسایل امدادی ایمنی صورت گیرد. این سیستم‌ها باید به‌گونه‌ای طراحی شوند که از تشکیل مخلوط قابل اشتعال یا انفجاری جلوگیری کنند.
به منظور تخلیه هیدروژن مایع، از گاز هلیوم استفاده می‌شود، زیرا هیدروژن مایع قادر است سایر گازها مانند نیتروژن را به حالت جامد درآورد و این مسئله می‌تواند باعث مسدود شدن و حتی پارگی خطوط انتقال شود. خطوط انتقال مایع هیدروژن باید به‌صورت عایق خلاء طراحی شوند تا از تبخیر و هدر رفت محصول جلوگیری شود. همچنین، تمامی تجهیزات قبل از انتقال مایع باید به زمین متصل شوند تا از بروز حوادث الکتریکی و اشتعال جلوگیری گردد.
اهمیت پاکسازی قبل از ورود هیدروژن
سیستم‌های هیدروژن گازی و مایع باید قبل از هرگونه استفاده از هیدروژن، از هرگونه هوا، اکسیژن یا سایر اکسیدکننده‌ها کاملاً پاک شوند. این مرحله از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا وجود اکسیژن یا هوا در سیستم می‌تواند منجر به تشکیل مخلوط‌های قابل اشتعال و افزایش خطر انفجار شود. همچنین، پیش از باز کردن سیستم به جو، باید هیدروژن به‌طور کامل از سیستم تخلیه شود. فرآیند پاکسازی به روش‌های مختلفی انجام می‌شود و باید با دقت و در چند مرحله صورت گیرد.
مراحل تخلیه و پاکسازی تجهیزات هیدروژن گازی
برای اطمینان از ایمنی و جلوگیری از تشکیل مخلوط‌های قابل اشتعال، پاکسازی و تخلیه تجهیزات در سرویس هیدروژن گازی باید مراحل زیر را دنبال کند:
- تخلیه تجهیزات و ایجاد خلا با گاز بی‌اثر: در این مرحله، ابتدا سیستم از هرگونه گاز یا هوا تخلیه می‌شود و با استفاده از گاز بی‌اثر مانند نیتروژن، خلا حاصل می‌شود. در مواردی که ایجاد خلا امکان‌پذیر نباشد، سیستم باید با گاز بی‌اثر تحت فشار قرار گیرد تا جایگزین اکسیژن و هوا در داخل تجهیزات شود.
- تکرار فرآیند تخلیه و پر کردن سیستم با گاز بی‌اثر: این مرحله باید حداقل سه بار تکرار شود تا اکسیژن موجود به حداقل برسد و میزان اکسیژن به زیر سطح استاندارد ناخالصی کاهش یابد. این تکرارها تضمین می‌کنند که هوا و اکسیژن به‌طور کامل از سیستم خارج شده و محیطی ایمن برای ورود هیدروژن فراهم می‌شود.
- تزریق هیدروژن به سیستم: پس از اطمینان از پاکسازی کامل سیستم، هیدروژن به تجهیزات تزریق می‌شود. این مرحله باید با دقت انجام شود تا از وجود هرگونه اکسیژن یا هوای باقی‌مانده در سیستم جلوگیری شود.
- شست‌وشوی سیستم با هیدروژن: در این مرحله، هیدروژن داخل سیستم به‌منظور اطمینان از خلوص کامل گاز، شست‌وشو داده می‌شود. هیدروژن مورد استفاده برای شست‌وشو باید از طریق دودکش تخلیه شود تا اطمینان حاصل شود که تنها هیدروژن خالص در سیستم باقی می‌ماند.
هر یک از این مراحل باید به دفعات تکرار شوند تا اطمینان حاصل شود که پس از وارد کردن هیدروژن به سیستم، هیچ‌گونه مخلوط قابل اشتعالی وجود نخواهد داشت. رعایت دقیق این فرآیند برای اطمینان از ایمنی سیستم‌ها و جلوگیری از بروز حوادث ضروری است.
استانداردهای بین‌المللی در ایمنی هیدروژن
سازمان بین‌المللی استاندارد (ISO) در راستای استفاده ایمن از هیدروژن، چندین دستورالعمل و استاندارد تدوین کرده است. کمیته فنی TC 197 این سازمان مسئول توسعه استانداردهای مربوط به سیستم‌ها و تجهیزات تولید، ذخیره‌سازی، حمل و نقل، و اندازه‌گیری هیدروژن است. از جمله مهم‌ترین استانداردهای منتشر شده توسط این کمیته می‌توان به ISO/TR 15916:2004 اشاره کرد که دستورالعمل‌های ایمنی برای استفاده از هیدروژن در دو حالت گازی و مایع را ارائه می‌دهد. این استاندارد، خطرات اساسی مربوط به هیدروژن، خواص اصلی آن، و مسائل ایمنی کلیدی مرتبط با این سوخت را بررسی می‌کند.
همچنین، دو استاندارد دیگر ISO 13984:1999 و ISO 13985:2006 به‌ترتیب به مسائل مربوط به توزیع هیدروژن مایع به خودروها و مشخصات مخازن سوخت هیدروژن مایع پرداخته‌اند. این استانداردها، چارچوبی روشن برای استفاده ایمن از هیدروژن در صنایع مختلف و وسایل نقلیه فراهم کرده‌اند.
فاصله‌های ایمنی و مقررات نگه‌داری هیدروژن مایع
یکی از اصول کلیدی در ایمنی هیدروژن، تعریف دقیق فاصله‌های ایمنی است. فاصله ایمنی حداقل فاصله بین منبع خطر (مثل مخازن یا تجهیزات هیدروژن) و افراد یا اشیاء است که برای جلوگیری از اثرات احتمالی حوادث پیش‌بینی شده و همچنین محدود کردن گسترش آن‌ها تعیین می‌شود.
انجمن گازهای صنعتی اروپا (EIGA) فاصله‌های ایمن برای نگه‌داری و استفاده از هیدروژن مایع را برای کاربردهای مختلف مشخص کرده است. بر اساس این توصیه‌ها، فاصله‌های جداسازی برای تاسیسات هیدروژن مایع که در فضاهای عمومی نصب می‌شوند به‌شرح زیر است:
- 60 متر از ساختمان‌های عمومی
- 20 متر از ساختمان‌های اشغال شده
- 10 متر از مواد قابل احتراق (جامد یا مایع)
این فاصله‌ها با اتخاذ اقدامات کاهشی مثل استفاده از اسپری آب برای کاهش اثرات تشعشعات حرارتی و نصب دیوارهای محافظتی برای جلوگیری از انفجار، قابل کاهش هستند. فاصله ایمن با در نظر گرفتن هر دو جنبه پیامد رویداد شکست و احتمال وقوع آن تعیین می‌شود.
توصیه‌های ایمنی در نگه‌داری و نصب تجهیزات هیدروژن
EIGA توصیه می‌کند که مخازن هیدروژن مایع نباید در داخل ساختمان‌ها نصب شوند، زیرا این امر خطرات جدی به‌همراه دارد. در موارد خاصی که ذخیره‌سازی هیدروژن زیرزمینی مورد نیاز باشد، باید الزامات خاص و سخت‌گیرانه‌ای رعایت شود تا ایمنی کاملاً تضمین گردد.
از طرف دیگر، به‌دلیل وجود آلاینده‌هایی مانند آمونیاک و کلر که می‌توانند به لوله‌ها و اتصالات آسیب وارد کنند، استفاده از مواد مسی و آلیاژهای مس، قلع و روی در ساخت لوله‌ها و اتصالات ممنوع است. این آلاینده‌ها می‌توانند موجب حملات شیمیایی به این مواد شوند و خطرات جدی ایجاد کنند. به همین دلیل، در انتخاب مواد و طراحی تجهیزات باید دقت ویژه‌ای صورت گیرد.
جمع‌بندی
هیدروژن به عنوان یک منبع انرژی پاک و پایدار، جایگاه ویژه‌ای در آینده صنعت انرژی دارد، اما استفاده از آن نیازمند رعایت دقیق اصول ایمنی است. از خواص اشتعال‌پذیری بالای هیدروژن تا مدیریت دقیق آن به‌ویژه در حالت مایع، هر یک از جنبه‌های فنی و عملیاتی هیدروژن نیازمند دستورالعمل‌های خاصی هستند که توسط استانداردهای بین‌المللی نظارت می‌شوند.
ایمنی هیدروژن، چه در شکل گازی و چه مایع، از جنبه‌های متعددی مورد بررسی قرار گرفته است. هیدروژن با وجود محدوده گسترده اشتعال‌پذیری، در صورت مدیریت صحیح، خطری فراتر از سوخت‌های دیگر ندارد. با این حال، هیدروژن مایع به دلیل دمای بسیار پایین، نیاز به مراقبت‌های ویژه دارد و نشت آن می‌تواند منجر به تراکم و انجماد هوای اطراف، تشکیل مخلوط‌های قابل اشتعال و حتی انفجار شود. فرآیندهای شست‌وشو و تخلیه سیستم‌ها نیز باید با دقت انجام شوند تا از ورود اکسیژن یا سایر گازهای مخلوط با هیدروژن و ایجاد شرایط خطرناک جلوگیری گردد.
از سوی دیگر، استانداردهای بین‌المللی، از جمله دستورالعمل‌های ISO و انجمن گازهای صنعتی اروپا (EIGA)، اصولی را برای تولید، ذخیره‌سازی و توزیع هیدروژن وضع کرده‌اند. این استانداردها بر اهمیت فاصله‌های ایمنی، طراحی مناسب مخازن و تجهیزات، و استفاده از مواد مناسب در سیستم‌های هیدروژن تأکید دارند. برای جلوگیری از حوادث احتمالی، مخازن هیدروژن نباید در فضاهای بسته نصب شوند و لوله‌ها و اتصالات باید از موادی ساخته شوند که در برابر آلاینده‌هایی مانند آمونیاک و کلر مقاوم باشند.
در نهایت، رعایت این دستورالعمل‌ها نه تنها ایمنی استفاده از هیدروژن را تضمین می‌کند، بلکه به تسریع استفاده گسترده‌تر از این سوخت پاک در صنعت و حمل‌ونقل کمک خواهد کرد. هیدروژن، با وجود تمام پتانسیل‌هایش، تنها در صورتی می‌تواند نقش اساسی در آینده انرژی ایفا کند که تمامی مراحل استفاده و ذخیره‌سازی آن به‌صورت ایمن و تحت نظارت استانداردهای دقیق انجام شود.
