Wodorowe ogniwa paliwowe jako zasilanie awaryjne — aspekty bezpieczeństwa obok diesla i UPS bateryjnego

Przewodnik o agregatach prądotwórczych (§551) oraz przewodnik o typach baterii UPS opisują dwie ugruntowane technologie zasilania awaryjnego: agregat diesla i UPS bateryjny. Ten artykuł opisuje trzecią opcję, rozwijającą się w centrach danych i lokalizacjach telekomunikacyjnych: wodorowe ogniwo paliwowe, które wytwarza energię elektryczną elektrochemicznie (bez spalania) z magazynowanego wodoru, z szeregiem aspektów bezpieczeństwa zasadniczo różniących się od diesla czy baterii.

Dlaczego ogniwo paliwowe to nie po prostu agregat diesla na innym paliwie

Agregat diesla spala paliwo w silniku spalinowym; ogniwo paliwowe PEM (Proton Exchange Membrane, najpowszechniejsze wykonanie dla tego zakresu mocy) pozwala wodorowi i tlenowi z powietrza reagować elektrochemicznie przez membranę, bez płomienia czy procesu spalania, z wodą jako jedynym produktem reakcji. Mimo to zadanie zapewnienia bezpieczeństwa nie jest mniejsze niż przy dieslu — przesuwa się jedynie z bezpieczeństwa paliwa (ciecz łatwopalna) na bezpieczeństwo gazowe (gaz o wyjątkowo szerokim zakresie palności i bardzo niskiej energii zapłonu).

Zagrożenie wodorowe: dlaczego różni się od gazu ziemnego czy LPG

Wodór ma właściwości wymagające ukierunkowanych środków, niezależnie od samej technologii ogniwa paliwowego:

Bardzo szeroki zakres palności w powietrzu (w przybliżeniu od 4% do 75% stężenia objętościowego), znacznie szerszy niż gazu ziemnego czy LPG.
Bardzo niska minimalna energia zapłonu — znacznie niższa niż większości gazów węglowodorowych, co oznacza, że nawet niewielkie wyładowania statyczne mogą spowodować zapłon.
Bardzo niska gęstość, przez którą wyciek szybko rozcieńcza się ku górze i gromadzi przy suficie lub w wysokich punktach pomieszczenia, zamiast rozprzestrzeniać się wzdłuż podłogi jak LPG.

Ta kombinacja wymaga ukierunkowanych środków: wentylacji (naturalnej lub mechanicznej) skierowanej szczególnie na wysokie punkty pomieszczenia instalacji zamiast wyłącznie wentylacji na poziomie podłogi, oraz detektorów wodoru ustawionych na procent dolnej granicy wybuchowości (DGW) z alarmowaniem etapowym (na przykład poziom ostrzegawczy przy 25% DGW i poziom wyłączający przy 50% DGW).

PGS 35 — niderlandzki przewodnik dla instalacji wodorowych

W Niderlandach PGS 35 (Publicatiereeks Gevaarlijke Stoffen) reguluje konkretnie magazynowanie i użytkowanie wodoru, z wymaganiami dotyczącymi ciśnienia magazynowania, rurociągów, wentylacji, detekcji i urządzeń awaryjnego odcięcia. Jest to dodatkowa, specyficzna dla wodoru warstwa nałożona na ogólne wymagania elektrotechniczne NEN 1010 — instalacja ogniwa paliwowego musi spełniać obie: przyłącze elektryczne, uziemienie i separację według NEN 1010, oraz magazynowanie/rurociągi wodoru według PGS 35.

Klasyfikacja strefy zagrożenia wybuchem wokół instalacji ogniwa paliwowego

Mimo że ogniwo paliwowe jest postrzegane przede wszystkim jako elektryczne źródło zasilania, otoczenie wokół magazynowania wodoru, rurociągów i możliwych punktów wycieku może wymagać klasyfikacji strefy zagrożenia wybuchem według NEN-EN-IEC 60079-10-1, tak samo jak przy każdym innym zastosowaniu gazu palnego. Urządzenia elektryczne w obrębie tej strefy — w tym wprowadzenia kablowe, aparatura łączeniowa i oprawy oświetleniowe — muszą wówczas spełniać odpowiedni sposób ochrony Ex dla tej strefy, mimo że samo ogniwo paliwowe jest zainstalowane właśnie po to, aby dostarczać energię elektryczną, a nie ją zużywać.

Czas odpowiedzi: dlaczego bufor bateryjny pozostaje niezbędny

Ogniwo paliwowe, w przeciwieństwie do UPS bateryjnego, nie reaguje natychmiastowo na nagły skok obciążenia: proces elektrochemiczny i związana z nim regulacja dopływu gazu mają czas rozruchu i regulacji rzędu sekund, porównywalny z — a czasem wolniejszy niż — czas przyjęcia skoku obciążenia agregatu diesla, omówiony w przewodniku o przyjęciu skoku obciążenia przez agregat (ISO 8528-5). Dla obciążenia krytycznego, które nie może doświadczyć żadnej przerwy, bufor bateryjny między ogniwem paliwowym a obciążeniem pozostaje więc niezbędny — w takiej architekturze ogniwo paliwowe zastępuje rolę agregatu diesla (długotrwałe źródło energii, które uzupełnia/wspiera baterię), a nie rolę samej baterii (natychmiastowe pokrycie).

Znaczenie praktyczne

Przy ocenie instalacji ogniwa paliwowego jako zasilania awaryjnego należy sprawdzić, czy oprócz zwykłego odbioru elektrotechnicznego (przyłącze, uziemienie, separacja zgodnie z NEN 1010) spełniono również PGS 35 dla magazynowania i rurociągów wodoru, czy przeprowadzono klasyfikację strefy zagrożenia wybuchem dla otoczenia ewentualnych punktów wycieku, oraz czy architektura systemu zawiera bufor bateryjny, który rzeczywiście pokrywa czas pomostowy do pełnej odpowiedzi ogniwa paliwowego — zamiast zakładać, że ogniwo paliwowe zachowuje się jak bateria.

Częste błędy

Traktowanie pomieszczenia instalacji jak zwykłego pomieszczenia agregatu diesla bez specyficznej dla wodoru wentylacji w wysokich punktach i etapowej detekcji gazu.
Zakładanie, że ogniwo paliwowe reaguje natychmiastowo na skok obciążenia jak bateria — bez bufora bateryjnego powstaje zauważalny czas przerwy przy nagłym wzroście obciążenia.
Brak przeprowadzenia klasyfikacji strefy zagrożenia wybuchem wokół rurociągów i magazynowania z argumentem, że chodzi o źródło zasilania — ryzyko zapłonu jest określane przez wodór, a nie przez funkcję urządzenia.
Mylenie PGS 35 z ogólną dyrektywą ATEX — PGS 35 reguluje konkretnie instalację magazynowania i użytkowania wodoru w Niderlandach; prawidłowa klasyfikacja strefy zagrożenia wybuchem według NEN-EN-IEC 60079-10-1 pozostaje dodatkowo niezbędna dla urządzeń elektrycznych w otoczeniu.

Wodorowe ogniwa paliwowe jako zasilanie awaryjne — aspekty bezpieczeństwa obok diesla i UPS bateryjnego