Bij waterstofbrandstofsystemen moet veiligheid vooropstaan

Op 16 juli 1969 werd het Apollo 11-ruimtevaartuig van NASA gelanceerd vanaf het Kennedy Space Center in Cape Canaveral, met als doel om voor het eerst een bemande landing op de maan uit te voeren. Aan boord bevonden zich Neil Armstrong, Buzz Aldrin, Michael Collins en een breed scala aan producten van Parker, o.a. voor de waterstof- en zuurstofbrandstofcelsystemen (H2 en O2). In de loop der jaren hebben de oplossingen van Parker vele succesvolle en veilige ruimtemissies mogelijk gemaakt. De kogelkranen, stopkleppen, terugslagventielen, afsluitventielen, afdichtingen, O-ringen, het leidingwerk en de koppelingen van het bedrijf dragen allemaal bij aan de werking van de toevoermodules voor brandstofcelreagens en H2/O2-modules. Na ruim vijftig jaar ervaring met H2-oplossingen, loopt Parker tegenwoordig voorop op het gebied van deze geavanceerde technologie, en de moderne industrie kan de vruchten daarvan plukken.

Voor sommige bedrijven is H2 een nieuw concept, maar voor Parker is het een gevestigde technologie. Daarom worden de oplossingen van Parker voor het nieuwe Artemis-ruimtevaartuig gebruikt, waarin mensen weer een reis naar de maan zullen maken, momenteel gepland voor 2026. Het bedrijf heeft ook veel ervaring op het gebied van wegtransport. Ongeveer vijftien jaar geleden produceerde een Belgische fabrikant ’s werelds eerste H2-bus met koppelingen van Parker die cruciaal waren voor de veiligheid en het succes van dit nieuwe voertuig.

Veiligheid voorop

Veel industrieën maken tegenwoordig gebruik van H2, waaronder olie en gas, en de kunstmest-, staal- en cementsector. In al deze sectoren staat veiligheid bovenaan de prioriteitenlijst. H2 biedt veel voordelen voor gebruikers, maar ook veel uitdagingen voor technici die de hoogste veiligheid moeten garanderen voor alle toepassingen, of het nu gaat om de productie, conditionering, opslag, distributie of het gebruik van H2. 

Typische H2-systeemcomponenten omvatten onderdelen voor vloeistoftoevoerleidingen. H2 is het kleinste molecuul en heeft een sterke neiging tot diffusie en permeatie. H2 heeft ook een hoge stroomsnelheid als zich een systeemlek voordoet. De leidingen en afdichtingen moeten geschikt zijn voor H2-gebruik gedurende de gehele levensduur van het systeem. Andere belangrijke componenten zijn onderdelen voor flowregeling, waaronder ventielen, terugslagventielen en regelaars. Deze componenten kunnen handmatig of op afstand worden bediend met behulp van elektrische of pneumatische actuatoren. Actuatoren vereisen een zorgvuldig ontwerp om te voorkomen dat ze per ongeluk een ontstekingsbron vormen, vooral als ze elektrisch van aard zijn. 

Waar je op moet letten

De mogelijke gevaren en problemen van H2-systemen zijn onder andere de ontvlambaarheid, de explosiviteit, de kleine omvang van het molecuul, de afwezigheid van kleur en geur (in H2-gas), de interactie met materialen (de brosheid van bepaalde metalen kan catastrofale storingen veroorzaken), verhoogde opslagdruk en gezondheidsrisico’s zoals brandwonden en verstikking. Dit is een lijst met aandachtspunten voor het ontwerp en de werking van H2-systemen. De beschikbare opties voor technisch ontwerpers die gevaren willen aanpakken (in volgorde van voorkeur) zijn: elimineren, voorkomen, vermijden, beperken of accepteren. Om veel van deze opties te realiseren, moeten geschikte H2-compatibele producten worden gespecificeerd.  

Natuurlijk moet elk H2-systeem een failsafe ontwerp hebben met redundante veiligheidsvoorzieningen zoals drukontlastingsapparatuur, back-ups van kritieke componenten en systemen, en fail-safeposities voor ventielen. Ventielen moeten automatisch terugkeren naar de veilige positie in het geval van bijvoorbeeld een stroomstoring. 

De automatisering van veiligheidsontwerpconcepten omvat bewaking op afstand van kritieke informatie, bediening op afstand en automatische beperking van bedrijfsomstandigheden, zoals druk of debiet, evenals de automatische bediening van de juiste apparatuur bij detectie van H2. Mogelijke acties zijn het sluiten van afsluitventielen, het naar behoefte in- of uitschakelen van de ventilatie en het initiëren van de juiste afsluitprocedures. 

Materiaal is belangrijk

Met H2 kunnen gebreken en lekken in materialen met defecten of insluitingen snel worden ontdekt. Dit onderwerp vereist daarom veel aandacht tijdens de systeemontwikkeling. Ontwerptechnici moeten zich afvragen: wat is een hoogwaardig componentmateriaal dat bestand is tegen breuken in het brosse oppervlak en de uitbreiding van scheuren? Hoewel veel leveranciers van componenten voor H2-systemen bijna uitsluitend verwijzen naar de chemische samenstelling van een materiaal, zijn er in werkelijkheid veel andere factoren die van invloed zijn, waaronder de bedrijfsomgeving, mechanica (interne en externe factoren) en specifieke kenmerken van de microstructuur. 

Hoewel de chemische samenstelling en mechanische eigenschappen natuurlijk van het grootste belang zijn als het gaat om microstructuur, geldt dit ook voor de kwaliteit van het productieproces van het materiaal en de daaropvolgende warmtebehandeling. Een onjuiste of niet-gecontroleerde warmtebehandeling kan leiden tot hoge dichtheden van ongewenste fasen en opname in de grondstof. Deze defecten kunnen op hun beurt leiden tot een verminderde levensduur van H2-systeemcomponenten, wat soms plotselinge catastrofale storingen kan veroorzaken.

Volledige herkomstinformatie

Ontwikkelaars van H2-systemen kunnen zichzelf beschermen door samen te werken met leveranciers die geldige materiaalcertificaten met traceerbaarheidsinformatie aanbieden om de kwaliteit van metalen aan te tonen. Met deze certificaten worden technische parameters, productieroutes, informatie over warmtebehandelingen, testresultaten, chemische analyses, mechanische eigenschappen en naleving van de nationale en/of internationale normen gecertificeerd. De door Parker verstrekte materiaalcertificaten bevatten de volledige herkomstinformatie. Het bedrijf kan het materiaal dat is gebruikt om elk H2-systeemcomponent te maken tot aan de fabriek traceren. Bovendien voorkomen strenge productieprocessen dat H2 vooraf in het materiaal wordt ingebracht.

Materiaal is niet het enige probleem dat van invloed is op de ontwerpveiligheid van H2-systemen. De H2 wordt meestal opgeslagen bij een lage temperatuur en een hoge drukwaarde. Een lage temperatuur verbetert het vermogen van H2 om het materiaal van de container aan te tasten, terwijl een hoge druk lekkage waarschijnlijker maakt. De juiste componentkeuze is van cruciaal belang.

Sommige OEM’s in de H2-industrie kopen onderdelen tegen lagere kosten omdat ze een overweldigende druk voelen om concurrerend te zijn. Certificering is niet verplicht en niets weerhoudt leveranciers ervan om onderdelen van slechte kwaliteit tegen een aantrekkelijke prijs aan te bieden. Het probleem in de H2-sector gaat daarom om bewustzijn en begrip, met name onder kopers. Kopers moeten vertrouwen hebben in de breedte en diepte van het productassortiment van de leverancier, de ervaring die de leverancier heeft met H2, en de geleverde trainings- en ondersteuningsdiensten.

Speel op veilig

Parker biedt alles wat nodig is voor veilige, betrouwbare H2-systeeminstallaties. Het bedrijf heeft jarenlange ervaring met H2-media en beschikt over uitgebreide informatie over de veiligheid van H2, die essentieel is voor klanten die H2-oplossingen voorstellen en de veiligheid daarvan moeten kunnen aantonen.

Naast de certificering van robuuste materialen heeft Parker geïnvesteerd in het verkrijgen van H2-specifieke kwalificaties, zoals EC-79 voor transport, ISO 

15848 voor diffuse emissies en ISO 19880-3 met betrekking tot de vereisten en testmethoden voor de veiligheidsprestaties van hoogwaardige drukgasventielen van waterstoftankstations. Bovendien voldoen de componenten aan de Amerikaanse HGV-accreditatienorm. Dit is een alternatief voor EC-79 en zal worden geharmoniseerd met de respectieve ISO-normen.

Voor H2-toepassingen biedt het bedrijf een uitgebreide lijst met H2-compatibele componenten die een veilige en efficiënte werking mogelijk maken over het gehele bereik van extreme H2-systeemdrukwaarden en temperaturen. Deze omvatten slangassemblages die werken in hogedruk H2-afgifte- en overdrachtstoepassingen, leidingkoppelingen met dubbele verbindingsstukken en koppelingen met een omgekeerd compressieontwerp met twee verbindingsstukken voor procesinstrumentatie, kegel- en draadfittingen voor middelhoge druk en naaldventielen voor autoclaaftoepassingen en afgedichte leidingkoppelingen met O-ringvlakafdichting en adapters voor hogedrukaansluitingen
op voertuigen.

Heerlijke nieuwe wereld

Als H2-systemen relatief nieuw zijn voor organisaties en hun medewerkers, dan is het misschien niet meteen duidelijk waarom de selectie van de juiste componenten die op de juiste wijze worden gemonteerd zo belangrijk is voor een veilige en betrouwbare werking van deze systemen. Een systeem met slechte componenten werkt misschien goed na de eerste inbedrijfstelling, maar er ontstaan al snel problemen wanneer de H2 bijvoorbeeld de fittingen aantast.

Technici kunnen deze problemen voorkomen door hun vereisten te bespreken met Parker, een bedrijf dat alle producten, component­trainingen en wereldwijde componentondersteuning uit één bron levert.