Водневі паливні елементи як резервне живлення — аспекти безпеки поряд із дизелем та батарейним ДБЖ

Гід про [резервні генератори (§551)](/guides/nen-1010/noodstroomaggregaten-551) та гід про типи батарей ДБЖ описують дві усталені технології резервного живлення: дизельний генератор і батарейний ДБЖ. Ця стаття описує третій варіант, дедалі популярніший у дата-центрах і на телеком-об'єктах: водневий паливний елемент, що виробляє електроенергію електрохімічно (без згоряння) із збереженого водню, з низкою аспектів безпеки, принципово відмінних від дизеля чи батареї.

Чому паливний елемент — це не просто дизель-генератор на іншому паливі

Дизельний генератор спалює паливо у двигуні внутрішнього згоряння; PEM-паливний елемент (Proton Exchange Membrane, найпоширеніше виконання для цього діапазону потужності) змушує водень і кисень повітря реагувати електрохімічно через мембрану, без полум'я чи процесу горіння, з водою як єдиним продуктом реакції. Утім завдання забезпечення безпеки не менше, ніж при дизелі — воно лише зміщується з безпеки палива (горюча рідина) на газову безпеку (газ із винятково широким діапазоном займистості та дуже низькою енергією запалення).

Небезпека водню: чому вона відрізняється від природного газу чи ЗВГ

Водень має властивості, що вимагають цілеспрямованих заходів, незалежно від самої технології паливного елемента:

• Дуже широкий діапазон займистості у повітрі (приблизно від 4% до 75% об'ємної концентрації), значно ширший, ніж у природного газу чи ЗВГ.
• Дуже низька мінімальна енергія запалення — значно нижча, ніж у більшості вуглеводневих газів, що означає, що навіть невеликі статичні розряди можуть спричинити займання.
• Дуже низька густина, через яку витік швидко розбавляється догори й накопичується біля стелі чи у верхніх точках приміщення, а не поширюється по підлозі, як ЗВГ.

Ця комбінація вимагає цілеспрямованих заходів: вентиляції (природної чи механічної), спрямованої саме на верхні точки приміщення установки, а не лише на вентиляцію на рівні підлоги, і детекторів водню, налаштованих на відсоток нижньої межі вибуховості (НМВ) зі ступеневою сигналізацією (наприклад, рівень попередження при 25% НМВ і рівень відключення при 50% НМВ).

PGS 35 — нідерландський керівний документ для водневих установок

У Нідерландах PGS 35 (Publicatiereeks Gevaarlijke Stoffen) окремо регулює зберігання й використання водню, з вимогами до тиску зберігання, трубопроводів, вентиляції, детектування та аварійних відключальних пристроїв. Це додатковий, специфічний для водню шар поверх загальних електротехнічних вимог NEN 1010 — установка паливного елемента повинна відповідати обом: електричне підключення, заземлення та розділення — за NEN 1010, а зберігання/трубопроводи водню — за PGS 35.

Класифікація вибухонебезпечної зони навколо установки паливного елемента

Попри те що паливний елемент розглядається насамперед як джерело електроживлення, оточення навколо зберігання водню, трубопроводів і можливих місць витоку може потребувати класифікації вибухонебезпечної зони згідно з NEN-EN-IEC 60079-10-1, так само як і за будь-якого іншого застосування горючого газу. Електричне обладнання в межах цієї зони — включно з кабельними вводами, комутаційною апаратурою та світильниками — тоді повинне відповідати належному виду вибухозахисту Ex для цієї зони, навіть попри те, що сам паливний елемент установлений саме для того, щоб постачати електроенергію, а не споживати її.

Час відгуку: чому буфер із батареї залишається необхідним

Паливний елемент, на відміну від батарейного ДБЖ, не реагує миттєво на різкий стрибок навантаження: електрохімічний процес і пов'язане з ним регулювання подачі газу мають час запуску та регулювання порядку секунд, порівнянний із — а іноді й повільніший за — час прийняття ступеневого навантаження дизель-генератора, розглянутий у гіді про прийняття ступеневого навантаження генератором (ISO 8528-5). Для критичного навантаження, яке не повинне зазнавати жодного переривання, буфер із батареї між паливним елементом і навантаженням тому залишається необхідним — у такій архітектурі паливний елемент замінює роль дизель-генератора (джерело енергії тривалої дії, що поповнює/підтримує батарею), а не роль самої батареї (миттєве перекриття).

Практична значущість

Під час оцінювання установки паливного елемента як резервного живлення необхідно перевірити, що окрім звичайної електротехнічної здачі (підключення, заземлення, розділення за NEN 1010) також виконано вимогу PGS 35 для зберігання й трубопроводів водню, що проведено класифікацію вибухонебезпечної зони для оточення можливих місць витоку, і що архітектура системи включає буфер із батареї, який справді перекриває час до повного відгуку паливного елемента — замість припущення, що паливний елемент поводиться як батарея.

Часті помилки

1. Розглядати приміщення установки як звичайне приміщення дизель-генератора без специфічної для водню вентиляції у верхніх точках і ступеневого газового детектування.
2. Припускати, що паливний елемент реагує миттєво на стрибок навантаження, як батарея — без буфера з батареї виникає помітний час переривання при різкому збільшенні навантаження.
3. Не проводити класифікацію вибухонебезпечної зони навколо трубопроводів і зберігання з аргументом, що йдеться про джерело живлення — ризик займання визначається воднем, а не функцією обладнання.
4. Плутати PGS 35 із загальною директивою ATEX — PGS 35 регулює саме установку зберігання й використання водню в Нідерландах; правильна класифікація вибухонебезпечної зони згідно з NEN-EN-IEC 60079-10-1 залишається додатково необхідною для електричного обладнання в оточенні.

Пов'язані матеріали

• Резервні генератори (§551)
• Типи батарей ДБЖ — VRLA і літій
• Прийняття ступеневого навантаження генератором (ISO 8528-5)
• Вибухонебезпека ATEX