DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.02.226
تاريخ النشر: 2024-02-26
المؤلف: Rami Alfasfos وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحليل المخاطر والسلامة
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على الدروس المستفادة والتوصيات المستخلصة من تحليل حوادث ووقائع الهيدروجين، بهدف تعزيز تقييم المخاطر داخل اقتصاد الهيدروجين. شمل البحث فحصًا شاملاً للأحداث المتعلقة بالهيدروجين المسجلة منذ عام 2000، حيث تم تحديد أن الغالبية العظمى من الحوادث وقعت خلال مراحل التخزين والتوزيع في سلسلة قيمة إنتاج الهيدروجين.
تسلط الدراسة الضوء على الأسباب الجذرية لهذه الأحداث، مع التأكيد على أهمية فهم الأسباب الفرعية لتحديد عوامل المخاطر المحتملة. ومن النتائج المهمة ضرورة إعطاء الأولوية للعناصر البشرية والتشغيلية في برامج التدريب لتخفيف المخاطر بشكل فعال. بالإضافة إلى ذلك، توضح الأبحاث العواقب المحتملة المرتبطة بكل حادث، مما يبرز الحاجة إلى استراتيجيات مستنيرة لمعالجة وإدارة المخاطر في إنتاج وتوزيع الهيدروجين.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور المحوري للهيدروجين في تحقيق اقتصاد خالٍ من الانبعاثات بسبب وفرة الهيدروجين وكثافته العالية من الطاقة وإمكانية انبعاث صفر من ثاني أكسيد الكربون عند إنتاجه واحتراقه. يعتبر الهيدروجين مركزيًا في مفهوم Power-to-X (P2X)، الذي يهدف إلى الانتقال من الوقود الأحفوري إلى مصادر الطاقة المتجددة من خلال إنتاج وقود مستدام مثل الميثان الإلكتروني والميثانول الإلكتروني. من المتوقع أن يرتفع الطلب على الهيدروجين الأخضر في أوروبا من 87 مليون طن متري (Mt) في عام 2020 إلى ما بين 500 و680 Mt بحلول عام 2050، مما يتطلب تقدمًا كبيرًا في بنية الهيدروجين التحتية والتكنولوجيا، لا سيما في توسيع التحليل الكهربائي من قدرات الميجاوات (MW) إلى الجيجاوات (GW) بحلول عام 2030.
على الرغم من وعده، يواجه الهيدروجين تحديات الجدوى الاقتصادية ومخاوف السلامة التي تعيق اعتماده على نطاق أوسع. تناقش المقدمة تأثير العوامل الجيوسياسية على تكاليف إنتاج الهيدروجين، خاصة في ضوء تقلبات أسعار الغاز الطبيعي. وتؤكد الحاجة إلى دعم حكومي، وتخطيط استراتيجي، وقبول عام لتسهيل الانتقال إلى اقتصاد الهيدروجين. كما تتناول النص المخاوف التاريخية المتعلقة بالسلامة، والتي تنبع بشكل ملحوظ من كارثة هيندنبورغ، والتي ساهمت في القلق العام. يدعو المؤلفون إلى إجراء تقييمات شاملة للمخاطر وبروتوكولات السلامة لضمان التكامل الآمن لتقنيات الهيدروجين، مع تحديد فجوة في الأدبيات بشأن الدروس المستفادة من الحوادث المتعلقة بالهيدروجين، وهو أمر حاسم لتحسين معايير السلامة في سلسلة قيمة إنتاج الهيدروجين.
طرق
توضح هذه القسم الطرق المستخدمة لمعالجة التحديات المتعلقة بالسلامة المرتبطة بالهيدروجين، وخاصة قابليته للاشتعال، وانخفاض طاقة الاشتعال، وقابليته للتقصف والتسرب. تشكل هذه الخصائص مخاطر كبيرة أثناء التخزين والاستخدام، مما يجعل تخطيط بنية الهيدروجين التحتية أمرًا حيويًا للانتقال الناجح إلى اقتصاد الهيدروجين (PtX). يؤكد المؤلفون على أهمية إدارة المخاطر الشاملة، التي تبدأ بتحليل الحوادث السابقة المتعلقة بالهيدروجين ومقارنة التكنولوجيا الناشئة بالتكنولوجيا المعمول بها. تساعد هذه التحليل المقارن في تحديد المخاطر المحتملة وإجراءات السلامة.
تسلط الدراسة الضوء على ضرورة التعلم من الحوادث الموثقة لمنع الحوادث المستقبلية، كما أشار كامباري وآخرون وتروم وسفارتدال، الذين يدعون إلى الكشف عن مؤشرات الفشل والتخطيط الفعال للصيانة. من خلال تحليل الأحداث التاريخية المتعلقة بالهيدروجين من قواعد بيانات الحوادث، تهدف الأبحاث إلى تقديم دروس وتوصيات قيمة لإدارة المخاطر المرتبطة بإنتاج واستخدام الهيدروجين. يتم تمثيل سير العمل العام لهذه التحليل بصريًا في الشكل 1.
نتائج
يكشف تحليل 82 حدثًا متعلقًا بالهيدروجين أن الغالبية العظمى من الحوادث وقعت خلال توزيع الهيدروجين (40%) والتخزين (24%)، بينما شكلت الضغوط، والتحليل الكهربائي، والاستخدام النهائي 11% و9% و16% على التوالي. تشير نسبة الحوادث المنخفضة نسبيًا خلال الضغط إلى أن هذا الجانب من سلسلة قيمة الهيدروجين يتم إدارته بشكل أفضل مقارنة بالتخزين والتوزيع. مع بقاء التحليل الكهربائي طريقة إنتاج متخصصة، قد تزداد الأحداث المرتبطة به مع الاستثمارات المستقبلية. تسلط الدراسة الضوء على أن كل من أشكال الهيدروجين الغازية والسائلة كانت متورطة في الأحداث، حيث كانت أنابيب الهيدروجين الغازي (22%) والتخزين (18%) هي المصادر الأكثر تكرارًا للحوادث.
كانت الأسباب الرئيسية لهذه الأحداث مرتبطة بالعوامل البشرية، بما في ذلك عمليات الصيانة، والفشل في اتباع الإجراءات، والتدريب غير الكافي، ونقص الوعي بالوضع، والتي شكلت مجتمعة 87% من الحوادث. بالإضافة إلى ذلك، كانت القضايا التنظيمية والإدارية متورطة في حوالي نصف الأحداث. بينما لم تقيم الدراسة السلامة النسبية للهيدروجين الغازي مقابل السائل، فإنها تؤكد على الحاجة إلى تحسين الممارسات التنظيمية لتخفيف المخاطر المرتبطة بالتعامل مع الهيدروجين. تتماشى هذه النتائج مع الأبحاث السابقة، على الرغم من ملاحظة بعض التباينات في الأسباب المحددة عند مقارنتها بتحليل قاعدة بيانات HIAD 2.0 بواسطة وين وآخرون.
نقاش
يوفر قسم النقاش في ورقة البحث نظرة شاملة على تطور الحالة الحالية لقواعد بيانات الحوادث المتعلقة بالهيدروجين، مع التأكيد على أهمية جمع البيانات بشكل منظم لفهم وتخفيف المخاطر المرتبطة باستخدام الهيدروجين. منذ المراجعة الأولية لـ 96 حادثة هيدروجين بواسطة ناسا في عام 1974، تم إحراز تقدم كبير في إنشاء قواعد بيانات قابلة للبحث توثق الحوادث، وتصنفها وفقًا لمعايير مختلفة، وتقدم رؤى حول الدروس المستفادة. من الجدير بالذكر أن قاعدة بيانات ARIA الفرنسية قد قامت بتحليل أكثر من 215 حادثة تتعلق بالهيدروجين، محددة الأسباب الجذرية الرئيسية المرتبطة بإنتاج الهيدروجين الصناعي والتوليد العرضي خلال عمليات مختلفة.
تستخدم الدراسة قواعد بيانات رئيسية لتصفية وتصنيف أكثر من 70,000 حدث مسجل، مع التركيز على تلك التي حدثت بعد عام 2000 والتي تذكر الهيدروجين بشكل محدد. تحدد خمسة مكونات رئيسية لسلسلة قيمة الهيدروجين—التحليل الكهربائي، والضغط، والتخزين، والتوزيع، والاستخدام النهائي—بينما تتناول أيضًا تحديات بنية الهيدروجين التحتية في سياق الطاقة المتجددة. تصنف التحليل أسباب الحوادث إلى خمسة أسباب جذرية رئيسية، مع التركيز بشكل خاص على الأخطاء البشرية والأخطاء التقنية، مما يبرز الحاجة إلى تحسين التدريب وإرشادات التشغيل. تصنف عواقب أحداث الهيدروجين إلى آثار اجتماعية واقتصادية وبيئية وإطلاق مواد خطرة، مما يبرز إمكانية حدوث خسائر اقتصادية كبيرة ومخاوف تتعلق بسلامة الجمهور. تختتم القسم بـ 120 درسًا مستفادًا وتوصيات تهدف إلى تعزيز ممارسات السلامة وتقليل احتمالية حدوث حوادث مستقبلية، وبالتالي دعم الانتقال إلى اقتصاد الهيدروجين.
القيود
تسلط القيود في هذه الدراسة الضوء على عدة مجالات حيوية للبحث المستقبلي في سياق سلاسل قيمة إنتاج الهيدروجين الأخضر. بينما يركز التحليل على الأحداث المتعلقة بالهيدروجين، فإنه يبرز أهمية التعلم من الحوادث في قطاعات الطاقة الأخرى، مثل الغاز الطبيعي المسال (LNG) والميثان، لتعزيز ممارسات السلامة وإدارة المخاطر. تحدد الدراسة فجوة في التحقيق في موثوقية البيانات من قواعد البيانات الأصلية، مشيرة إلى أن العديد من الحوادث يتم الإبلاغ عنها بناءً على مصادر قد تكون متحيزة، مما يمكن أن يؤدي إلى عدم الدقة. تؤكد هذه القيود على الحاجة إلى تحسين ممارسات جمع البيانات، مع إمكانية الاستفادة من قواعد البيانات المعروفة مثل OREDA، لتعزيز فعالية تقييمات المخاطر.
بالإضافة إلى ذلك، تشير الدراسة إلى خطر الأمن السيبراني للطاقة الذي تم تجاهله، والذي يشكل تهديدات كبيرة للبنية التحتية الحيوية، بما في ذلك سلسلة قيمة الهيدروجين. تم الإشارة إلى غياب فحص الفشل الرقمي في أنظمة السلامة المتعلقة بأحداث الهيدروجين كمنطقة حيوية للبحث المستقبلي. يدعو المؤلفون إلى تطوير نظام تصنيف للحوادث بناءً على شدتها، مما يمكن أن يوجه أصحاب المصلحة في إعطاء الأولوية لتدابير السلامة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن معالجة هذه القيود من خلال أبحاث شاملة ومنهجيات محسنة يمكن أن تسهم بشكل كبير في مرونة وسلامة اقتصاد الهيدروجين.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.02.226
Publication Date: 2024-02-26
Author(s): Rami Alfasfos et al.
Primary Topic: Risk and Safety Analysis
Overview
The section provides an overview of lessons learned and recommendations derived from an analysis of hydrogen incidents and accidents, aimed at enhancing risk assessment within the hydrogen economy. The research involved a comprehensive examination of hydrogen-related events recorded since 2000, identifying that the majority of incidents occurred during the storage and distribution phases of the hydrogen production value chain.
The study highlights the root causes of these events, emphasizing the importance of understanding sub-causes to pinpoint potential risk factors. A significant finding is the necessity to prioritize human and operational elements in training programs to mitigate risks effectively. Additionally, the research outlines the potential consequences associated with each incident, underscoring the need for informed strategies to address and manage risks in hydrogen production and distribution.
Introduction
The introduction highlights the pivotal role of hydrogen in achieving a net-zero economy due to its abundance, high energy density, and potential for zero CO2 emissions when produced and combusted. Hydrogen is central to the Power-to-X (P2X) concept, which aims to transition from fossil fuels to renewable energy sources by producing sustainable fuels like e-methane and e-methanol. The demand for green hydrogen in Europe is projected to surge from 87 million metric tons (Mt) in 2020 to between 500 and 680 Mt by 2050, necessitating significant advancements in hydrogen infrastructure and technology, particularly in scaling electrolysis from megawatt (MW) to gigawatt (GW) capacities by 2030.
Despite its promise, hydrogen faces economic feasibility challenges and safety concerns that hinder its broader adoption. The introduction discusses the impact of geopolitical factors on hydrogen production costs, particularly in light of fluctuating natural gas prices. It emphasizes the need for governmental support, strategic planning, and public acceptance to facilitate the transition to a hydrogen economy. The text also addresses historical safety concerns, notably stemming from the Hindenburg disaster, which have contributed to public apprehension. The authors advocate for comprehensive risk assessments and safety protocols to ensure the safe integration of hydrogen technologies, while also identifying a gap in the literature regarding lessons learned from hydrogen-related incidents, which is crucial for improving safety standards in the hydrogen production value chain.
Methods
The section outlines the methods employed to address the safety challenges associated with hydrogen, particularly its flammability, low ignition energy, and susceptibility to embrittlement and leakage. These characteristics pose significant risks during storage and use, making the planning of hydrogen infrastructure crucial for a successful transition to a hydrogen economy (PtX). The authors emphasize the importance of thorough risk management, which begins with analyzing past accidents related to hydrogen and comparing the emerging technology to established ones. This comparative analysis aids in identifying potential risks and safety procedures.
The study highlights the necessity of learning from documented accidents to prevent future incidents, as noted by Campari et al. and Terum & Svartdal, who advocate for the detection of failure precursors and effective maintenance planning. By analyzing historical hydrogen-related events from accident databases, the research aims to provide valuable lessons and recommendations for managing risks associated with hydrogen production and usage. The overall workflow for this analysis is visually represented in Figure 1.
Results
The analysis of 82 hydrogen-related events reveals that the majority of incidents occurred during hydrogen distribution (40%) and storage (24%), while compression, electrolysis, and end-use accounted for 11%, 9%, and 16%, respectively. The relatively low incidence of events during compression suggests that this aspect of the hydrogen value chain is better managed compared to storage and distribution. As electrolysis remains a niche production method, its associated events may increase with future investments. The study highlights that both gaseous and liquid hydrogen forms were involved in the events, with gaseous hydrogen pipelines (22%) and storage (18%) being the most frequent sources of incidents.
The primary causes of these events were linked to human factors, including maintenance operations, failure to follow procedures, inadequate training, and lack of situational awareness, which collectively accounted for 87% of the incidents. Additionally, organizational and managerial issues were implicated in about half of the events. While the study did not assess the relative safety of gaseous versus liquid hydrogen, it underscores the need for improved organizational practices to mitigate risks associated with hydrogen handling. These findings align with previous research, although some discrepancies in specific causes were noted when compared to the HIAD 2.0 database analysis by Wen et al.
Discussion
The discussion section of the research paper provides a comprehensive overview of the evolution and current state of hydrogen-related accident databases, emphasizing the importance of structured data collection for understanding and mitigating risks associated with hydrogen use. Since the initial review of 96 hydrogen accidents by NASA in 1974, significant progress has been made in creating searchable databases that document incidents, categorize them by various parameters, and offer insights into lessons learned. Notably, the French ARIA database has analyzed over 215 hydrogen-related accidents, identifying key root causes linked to industrial hydrogen production and accidental generation during various processes.
The study employs major databases to filter and categorize over 70,000 recorded events, focusing on those post-2000 that specifically mention hydrogen. It identifies five primary components of the hydrogen value chain—electrolysis, compression, storage, distribution, and end use—while also addressing the challenges of hydrogen infrastructure in the context of renewable energy. The analysis categorizes incident causes into five major root causes, with a particular emphasis on human error and technical failures, highlighting the need for improved training and operational guidelines. The consequences of hydrogen events are classified into social, economic, environmental, and hazardous material release impacts, underscoring the potential for significant economic losses and public safety concerns. The section concludes with 120 lessons learned and recommendations aimed at enhancing safety practices and reducing the likelihood of future incidents, thereby supporting the transition to a hydrogen economy.
Limitations
The limitations of this study highlight several critical areas for future research in the context of green hydrogen production value chains. While the analysis focuses on hydrogen-related events, it underscores the importance of learning from incidents in other energy sectors, such as liquefied natural gas (LNG) and methane, to enhance safety and risk management practices. The study identifies a gap in the investigation of data reliability from original databases, noting that many incidents are reported based on potentially biased sources, which can lead to inaccuracies. This limitation emphasizes the need for improved data collection practices, potentially drawing from established databases like OREDA, to bolster the effectiveness of risk assessments.
Additionally, the study points out the overlooked risk of energy cybersecurity, which poses significant threats to critical infrastructure, including the hydrogen value chain. The absence of an examination of digital failures in safety systems related to hydrogen events is noted as a crucial area for future inquiry. The authors advocate for the development of a ranking system for incidents based on their severity, which could guide stakeholders in prioritizing safety measures. Overall, the findings suggest that addressing these limitations through comprehensive research and enhanced methodologies could significantly contribute to the resilience and safety of the hydrogen economy.