Säkerhet vid hantering och lagring av vätgas

Inledning

Vätgas har producerats och använts som industrikemikalie redan länge, men användningen av vätgas som trafikbränsle och för energiproduktion, samt storskalig lagring av vätgas är nyheter. Produktionen och användningen av vätgas ökar globalt i takt med att behovet av koldioxidneutral energi ökar.

I Finland framskrider planeringen av produktionsanläggningar, distributionsnät och distributionsstationer för vätgas. I och med detta har det uppstått ett behov av att sammanställa förfaranden och riktlinjer för säker produktion och distribution av vätgas. I den här guiden presenteras produktions-, överförings- och distributionsformer för väte och säkra lösningar för att genomföra dem.

I Finland finns det ingen separat lagstiftning för vätgas, utan det betraktas likt andra antändliga gaser som en farlig kemikalie. På grund av vätgasens särskilda egenskaper har det dock framkommit ett behov av att dra upp riktlinjer för tolkningar av lagstiftningen så att den lämpar sig för vätgasekonomins behov.

I och med vätgasens reaktivitet förekommer den inte i naturen som ett rent ämne, utan endast i föreningar. Vätgasens egenskaper är också orsaken till dess största risker, det vill säga brand- och explosionsrisker. Till följd av sin lilla atomstorlek läcker vätgasen lätt, och kan orsaka materialsprödhet om det tränger in ett material. Reaktiviteten leder å sin sida till att vätgas bildar en explosiv luft-gasblandning redan vid lägre halter. Sannolikheten för antändning är större och explosionernas tryckpåverkan är större jämfört med andra brännbara föreningar som allmänt används.

Syftet med denna guide är att ge grundläggande information om vätgas, dess faror och särskilda egenskaper så att de kan beaktas i produktionen och användningen av vätgas. Målet är också att förtydliga myndighetskraven vid placeringen av vätgasanordningar och distributionsstationer samt att presentera säkerhetsaspekter som ska beaktas i planeringen. Guide fokuserar på produktion och användning av vätgas, och till exempel transporter och säkerhetskrav på dem tas inte i beaktande i denna guide.

1 Väte som kemikalie

Väte är en luktfri, färglös och mycket lättantändlig gas. Väte är inte giftigt, och eftersom det har en stor avdunstningskapacitet och är lättare än luft stannar väte inte långa perioder i vattenmiljöer, och orsakar inga föroreningar i marken eller vattendragen. Vid höga halter kan väte dock orsaka plötslig kvävning. Väte kan försättas med luktämne, men i praktiken görs detta inte, eftersom luktämnena ofta bör avlägsnas som föroreningar i samband med att vätgasen används.

En blandning av väte och syre eller luft, som sedan antänds, frigör en stor mängd värmeenergi. Eftersom väte är lätt blandas det bra med luft, men späds också ut snabbt. I flytande form behöver det kylas ner så att det inte förgasas. Kokpunkten för väte är −253 °C.

Vid atmosfäriskt lufttryck är antändningsgränsen för en blandning av väte och luft 4–75 volym-%. Antändningsgränserna anges i volym-% som anger mängden brännbart ämne i gas-luftblandningen. Halterna anges vid normalt tryck och vid 20 °C temperatur. Under antändningsgränsen är blandningen för mager för att tändas och för rik ovanför gränsen.

För att antändas kräver väte endast lite antändningsenergi (0,017 mJ), även en liten gnista räcker för att väte ska antändas. Den lägsta självantändningsenergin uppnås med en blandning på 30 volym-%. Vätets självantändningstemperatur är 560 °C. Väte med högt tryck kan tändas av sig själv när det strömmar ut, eftersom det kan uppnå denna temperatur.

Väte är en så kallad indirekt växthusgas. Väte reagerar mycket lätt med hydroxylradikaler (OH) som förekommer i atmosfären. En minskad mängd av hydroxylradikaler i atmosfären påverkar till exempel metanens persistens. En annan följd av vätets reaktion med hydroxylradikalerna är att den proton (H) som uppstår som reaktionsprodukt reagerar med atmosfärens syre och bildar en peroxidradikal (HO2) som leder till en ökad mängd kväveoxider (NOx) i atmosfären. Om väte strömmar ut i luften ökar metan- och kväveoxidhalten i atmosfären och därigenom den globala uppvärmningen.

Vätets molekylstorlek är mycket liten, vilket gör att den kan tränga igenom små springor. Detta ökar möjligheterna för väteläckage från fogar, vilket ökar sannolikheten för förekomsten av en explosionsrisk. Av samma orsak kan väte tränga in i material och orsaka väteförsprödning. Detta sker när väte diffunderas i materialet och bildar bubblor. Bubblornas tryck på materialets konstruktion försämrar dess hållfasthet.

Väte och naturgas kommer i fortsättningen eventuellt att användas som alternativa bränslen, så det är viktigt att identifiera skillnaderna mellan kemikalierna i fråga. I tabellen nedan (Tabell 1) presenteras egenskaperna och skillnaderna mellan väte och naturgas (CH4).

Tabell 1. Jämförelse av egenskaper hos väte och naturgas

2 Användningsområden för vätgas

Vätgas kan användas som bränsle i förbränningsmotorer eller bränsleceller eller som energibärare.

De största användningsområdena för vätgas är tillverkning av metan eller ammoniak (Haber-Bosch-processen), tillverkning av olika andra kemikalier samt tillverkning och förädling av fossila bränslen (hydrokrackning). Vätgas används dessutom bland annat vid tillverkning av glas och elektronik samt som kylmedel. Den kan också användas för tillverkningen av fossilfritt stål genom att reducera järnmalmsslig med väte.

2.1 Bränslecell

Vätgas kan omvandlas till el i bränsleceller. Bränslecellerna används till exempel som fasta elkällor eller i trafikmedel för att producera el för en elmotor. Fördelen med bränsleceller är att de är utsläppsfria och tillförlitliga till exempel under elavbrott.

En reaktion i bränslecellen H2 + ½O2 --> H2O + e- kräver en katalysator. Vanligtvis används platina som katalysator. Det höga priset på katalysatorn höjer kostnaderna för bränslecellen avsevärt.

2.2 Vätereduktion vid ståltillverkning

Vätgas kan användas vid tillverkning av stål. I schaktugnstekniken placeras järnoxidpellets i en 950 graders ugn. Från ugnens undre sida matas vätgas in, som reagerar med syret i malmpelletar och bildar vattenånga. Produkten som kommer från ugnen är så kallad järnsvamp. Pelletarna behåller sin form i ugnen, men de blir porösa efter syret som avlägsnats.

3 Produktion av vätgas

Väte förekommer inte som vätemolekyl under normala förhållanden, utan är bundet till föreningar såsom vatten och kolväten. Därför ska väte på något sätt separeras från dessa föreningar. Vätgasproduktion är således alltid en energiförbrukande process.

Det finns flera metoder för att separera eller producera väte. Vid tidpunkten då denna guide utkommer är ångreformering den vanligaste metoden för vätgasproduktion globalt. Vid ångreformering produceras vätgas i huvudsak av fossil naturgas. Inom vätgasproduktionen sker det dock en övergång mot produktion av förnybart väte. Även i Finland finns det redan många planerade eller pågående projekt. I produktionen av förnybart, eller så kallat grönt väte, är den viktigaste teknologin spjälkning av vatten genom elektrolys med el som producerats med förnybar energi. 

3.1 Elektrolys

I elektrolys separeras vätet och syret i vatten elektrokemiskt från varandra. Processen förbrukar mycket el, vanligtvis i storleksklassen 55 kWh/kg väte. Cirka 30 procent av den elenergi som används i processen omvandlas till värme. Syret som frigörs i vattenelektrolys kan utnyttjas i andra industriella processer.

Det finns olika typer av elektrolysörer som fungerar på olika sätt, till exempel alkalisk elektrolys, elektrolys med protonbytarmembran (PEM) samt fastoxidelektrolys (SOEC) (Bild 1). Av dessa är alkalisk elektrolys den vanligaste tekniken som använts längst.

Bild 1. Principer för hur elektrolytiska celler fungerar

Vid alkalisk elektrolys används en alkalisk lösning, vanligtvis kaliumhydroxid, som elektrolytisk lösning. Mellan metallelektroderna finns en porös hinna vars syfte är att förhindra att produktgaserna väte och syre blandas. Vattenmolekylen spjälkas till väte och hydroxidjon med katod. Hydroxidjonen går genom membranet till anoden, där två hydroxidjoner reagerar och bildar syre och vatten. Drifttemperaturen för en alkalisk cell är vanligtvis 70–95 °C och drifttrycket 1–30 bar.

Vid elektrolys med protonbytarmembran används som elektrolyt ett fast membran av specialplast som leder protoner. Liksom i en alkalisk elektrolysör separerar membranet de produktgaser som uppstår. Anoden och katoden pressas mot membranet eller är integrerade i membranet, varvid en elektrodsammansättning bildas. Med anoden spjälkas vattnet till syre och protoner (H+), som rör sig genom membranet till katoden. Vid katoden reagerar protonerna med elektronerna och bildar väte. PEM-cellens drifttemperatur är vanligtvis 50–80 °C och drifttrycket 1–35 bar. Vätgasen som uppkommit vid PEM-elektrolys är i allmänhet mycket rent (99,99 %) utan separat rengöring.

I en fastoxidelektrolyscell (SOEC) finns det en fast jonisk ledande elektrolyt mellan porösa elektroder. Vid katoden förenas vatten med elektroner från en yttre krets och bildar väte och negativt laddade syrejoner. Syrejoner transporteras genom ett fast keramiskt elektrolytmembran och reagerar vid anoden, vilket bildar syrgas och elektroner i den yttre kretsen. SOEC-cellen kräver hög drifttemperatur, vanligtvis 650–850 °C. Det är mycket utmanande att trycksätta SOEC-cellen och därför är SOEC-cellens drifttryck nära det rådande lufttrycket.

Vid planering och drift av alkaliska och PEM-elektrolysörer ska man på ett tillförlitligt sätt beakta och förhindra att produktgaser, syre och väte, blandas för mycket och att antändbara gasblandningar uppstår i elektrolysörutrustningen eller i andra anordningar för hantering av produktgaser och gaslager. Hur mycket produktgas som blandas beror på elektrolysörutrustningens design, och kan till exempel ske på grund av en för stor tryckskillnad över elektrolysörcellens separationsmembran, en skada på separationsmembranet på grund av felaktiga förhållanden eller för låg vätskeyta i elektrolysörutrustningens vätske-gasseparatorer.

3.2 Ångreformering

De råvaror som används vid ångreformering är förutom den oftast använda naturgasen även metanol, lättare kolväten samt andra syrehaltiga kolväten. Ångreformering påbörjas genom att avlägsna svavelföreningar från naturgas. Reformeringsprocessen består av två faser; i det första blandas kolvätet med ånga och matas in i en rörformig katalytisk reaktor. Processen ger upphov till en väte-kolmonoxid-gasblandning och en lägre halt av koldioxidgas.

I det andra skedet, i vattengas-övergångsreaktionen (water gas shift) reagerar kolmonoxid och vattenånga på katalysatorn, vilket bildar koldioxid och mer väte. Till sist separeras koldioxid och andra orenheter från vätet i en PSA-enhet (pressure-swing adsorption).

3.3 Förgasning

Förgasning är en process där brännbart material delvis oxideras och upphettas. Som produkt fås syntesgas. Till skillnad från de flesta förbränningsbaserade processer fungerar förgasningsprocesserna utan extra syre. På så sätt säkerställs att utgångsämnet nästan fullständigt omvandlas till syntesgas. Förgasning används för att framställa väte av stenkol.

Processen börjar med att blanda kolhaltigt material (biomassa, stenkol) och syre som värms upp till 1 800 grader, varvid kolet förgasas. Syntesgasen kyls ner och rengörs från föroreningar så att endast kolmonoxid och -dioxid blir kvar utöver väte. Den renade syntesgasen överförs till en shift-reaktor där den blandas med ånga. I reaktionen oxideras kolmonoxiden till koldioxid. Efter detta skede innehåller syntesgasen i huvudsak väte och koldioxid som separeras från varandra.

3.4 Partiell oxidation

Partiell oxidation fungerar likt förgasning med en mindre syremängd än vad som stökiometriskt behövs för full förbränning. Genom partiell oxidation kan väte tillverkas av tjockolja, metan eller biogas. Rent syre används som huvudsaklig oxidator. Partiell oxidation kan göras med eller utan katalysator.

Partiell oxidation utan katalysator sker vid hög temperatur, vanligtvis cirka 1 300–1 500 grader, då trycket är 30–80 bar. Råmaterialet förgasas med syre, varvid det bildas väte, kolmonoxid, koldioxid, vatten och metan. I syntesgasen förekommer också svavelföreningar och som biprodukt uppkommer sot. Temperaturen kan sänkas med hjälp av en katalysator. Då kan reaktionen ske i 700–1 000 grader.

3.5 Termokemisk spjälkning av vatten

Termokemisk spjälkning av vatten anses vara en stark kandidat för tillverkning av vätgas på lång sikt och i större skala. Metoden grundar sig på upprepade serier av kemiska reaktioner. I dessa används mellanreaktioner och kemikalier som cirkulerar i processen, så att de totala reaktionerna är i balans. Termokemisk spjälkning av vatten kan ske antingen med enbart värmeenergi, eller så kan en annan extern energikälla användas, varvid det kallas hybrid-termokemisk spjälkning av vatten.

3.6 Rengöring av väte

När vätgas används som bränsle ställs vissa kvalitetskrav på den. I internationella standarder (t.ex. ISO 14687) finns en omfattande förteckning över föroreningar i vätgas och deras högsta tillåtna halter för olika användningsändamål. I processen för rengöring av väte i gasform avlägsnas föroreningar såsom vatten, syre, kolmonoxid eller andra gaser från vätgasen. Föroreningarna, såsom vattenånga och kolmonoxid, stör bränslecellens funktion och på motsvarande sätt försämrar syre och kväve systemets effektivitet.

Metoder som allmänt används för att rengöra vätgas är bl.a.

• Tryckväxlingsadsorption (PSA) är en av de mest använda rengöringsmetoderna. PSA-enheten innehåller en behållare fylld med ett visst material. När vätgas strömmar genom behållaren adsorberas föroreningarna i materialet inne i behållaren och som resultat blir vätgasen ren.
• Vid membranseparation används vanligtvis palladium membran för att rengöra väte från orenheter. Membranet släpper igenom vätgas, som strömmar genom membranet på grund av tryckskillnaden. Orenheterna släpps inte igenom membranet och den renade vätgasen samlas på andra sidan membranet. 
• Vid elektrokemisk separation rengörs vätgas genom att oxidera väteatomer på andra sidan det protonledande membranet till protoner, och reducera de protoner som passerat genom membranet tillbaka till väteatomer. Denna separationsprocess främjas elektrokemiskt genom att utnyttja de katalytiska egenskaperna hos de membran som är belagda med palladium eller platina eller en blandning av dessa. Dessa rengörare är mycket kompakta.
• Vid kryodestillering används en destillationskolonn som skiljer orenheter från vätgasen på basis av deras kokpunkter. Den renade vätgasen samlas i övre delen av kolonnen, medan orenheterna stannar på botten. 

4 Transport av vätgas

Behovet av att lagra och transportera producerad vätgas påverkas till exempel av om produktionen sker i stora centraliserade anläggningar, eller i lokala anordningar med mindre kapacitet som ligger nära användningsändamålet (till exempel tankningsstationen). Transportsträckorna för vätgas som produceras i centraliserade anläggningar kan vara långa, och mängderna som transporteras stora. Ofta behövs också lagringskapacitet för väte för att jämna ut förbruknings- och produktionsfluktuationer. Fördelen med lokalt producerat väte är att transportbehovet är litet.

4.1 Transportrörsystem för vätgas

Man talar om transportrörsystem för vätgas när rören sträcker sig utanför produktionsanläggningarna. På produktionsanläggningens område ansvarar verksamhetsutövaren för rörsystemet, men när verksamhetsutövaren bygger transportrörsystem ska byggnadstillstånd sökas separat hos Tukes. För transportrörsystemet ska det utses en ansvarsperson, som ser till att författningarna och villkoren i byggnadstillståndet, samt verksamhetsutövarens verksamhetsprinciper följs när rörsystemet används. Transportrörsystem för vätgas som går utanför anläggningsområdet omfattas inte av tillämpningsområdet för direktivet om tryckbärande anordningar (PED).

Transportrörsystemet kan till exempel gå på land, på havsbotten eller i luften på en rörbro, och trycket i det kan variera från några bar till tiotals bar. I lagstiftningen finns det ingen separat definition för distributionsrörsystem för vätgas, med andra ord definieras alla rörsystem utanför anläggningsområdena som transportrörsystem.

Bild 2. Definitioner av rörsystem på och utanför produktionsanläggningens område

Transportrörsystemet för vätgas kontrolleras av ett nationellt besiktningsorgan som godkänts av Tukes innan rörsystemet tas i bruk, och därefter periodiskt. Ett lämpligt intervall för kontroll av transportrörsystemet för vätgas är 5 år. Tukes kan bevilja verksamhetsutövaren tillstånd att övervaka rörsystemets skick i stället för själva besiktningsorganet. Detta förutsätter att verksamhetsutövarens eget kontrollsystem motsvarar säkerhetsnivån för de periodiska kontrollerna.

I transportrörsystemet för väte undviker man att använda för hållfasta stålkvaliteter, eftersom de utsätts mer för vätesprödhet. Erfarenheterna visar att stålkvaliteter av lämplig hållfasthetsklass är t.ex. SFS-EN ISO 3183 L360 eller API 5L Grade X52 eller stålkvaliteter med lägre hållfasthet. Dessa kolstålkvaliteter har relativt låg sträckgräns, vilket ger uthållighet mot väteförsprödning och andra sprödbrottsmekanismer.

I rörsystem för vätgas strävar man efter att minimera antalet fogar, eftersom fogar är de vanligaste punkterna för läckage. Enskilda rör tillverkas i första hand utan fogar. I vissa situationer bör fogar dock användas och enskilda rör svetsas då samman. I transportrörsystemen för vätgas ska fogarna i första hand vara svetsade (i stället för gängade fogar och flänsfogar) för att minimera eventuella läckagepunkter.  I underjordiska rörsystem ska fogarna vara svetsade. Svetsfogarna som tillverkats både vid tillverkningen och monteringen av rörsystemet kontrolleras volumetriskt (RT/UT) till 100 %.

4.2 Transport av vätgas i containrar/trailers/flaskor

Väte i gasform och flytande form kan transporteras med långtradare, tåg och fartyg. Väte i gasform kan transporteras och lagras i gasform i gasflaskcontainrar (MEK-container) eller i rörsläpvagnar. Behållarnas tryck är vanligtvis 180–640 bar. Vid långtradartransporter beror mängden vätgas som lastas på släpvagnen på den typ av behållare som används. Till exempel när gasflaskor används kan mängden vätgas vara 380–900 kg och typiskt sett kan 400 kg väte transporteras på en rörsläpvagn. Större mängder kräver lättare kompositbehållare. Transport av flytande väte kräver en kryogen behållare. I behållare kan 300–4000 kg flytande väte flyttas åt gången.

5 Lagring av väte

Lagring av vätgas är utmanande på grund av dess egenskaper. Under normala förhållanden är väte gasformigt och dess energitäthet är endast 3 Wh/l. Vid normalt lufttryck och normal temperatur kräver 1 kg vätgas en lagringsvolym på 11 m3.  Därför kräver lagring av väte i stor skala en hög lagringstäthet för att vara lönsamt. Lagringsformerna för vätgas kan indelas i fysikaliska och kemiska lager.

Fysikaliska lagringsformer är trycksatt gas, kondenserat väte, komprimerat flytande väte och väteslush (slush hydrogen). Väteslush är en blandning av flytande och fast väte vid vätets trippelpunkt (temperatur −259,35 ºC och tryck 0,0704 bar). Väteslush används främst vid lagring av bränsle för rymdfarkoster, så det behandlas inte närmare i denna handbok.

Kemiska lagringsformer för väte är olika hydrider (metall-, komplex-, kemiska och övergångsmetallkomplex), adsorption, flytande organiska bärare (t.ex. bensen/cyklohexan, cykloptatrien/cykloheptan), reformerade organiska bränslen (t.ex. metan, ammoniak). Den lämpligaste lagringsformen beror på vad väte ska användas till, dvs. vilka krav som gäller för transport, renhet, lagringskapacitet, lagringstid och hur snabbt man vill få vätgas till användning.

5.1 Gasformigt väte

Väte lagras oftast som komprimerad gas. Det typiska lagringstrycket är 200–700 bar. Behållare för väte i gasform är tryckbärande anordningar, och omfattas av lagstiftningen om tryckbärande anordningar. 

Behållare för komprimerad vätgas består oftast av tre lager. Det innersta höljet är vätetätt och kan vara tillverkat av metall, tätt termoplast eller ytbelagt kompositmaterial. Utanför innerhöljet finns ett tryckbeständigt lager, som ofta också fungerar som ett värmeisolerande lager. Ytterhöljet kan vara tillverkat av metall eller kolfiber.

Vätgasbehållare och flaskor indelas i fyra olika typer:

• Behållare av typ I är helt av metall, vanligtvis tillverkade av stål eller aluminium. En behållare av typ I har inget separat ytterhölje och är därför relativt enkel att tillverka. Den enkla konstruktionen gör att behållare av typ I också är relativt förmånliga att tillverka.  Maximitrycket för metallbehållare är cirka 200 bar. Behållare av typ I är tunga och lämpar sig främst för industrin eller andra fasta användningsändamål.
• Behållare av typ II är vanligtvis aluminiumcylindrar, vars utsida omges av trådar i glasfiber, aromatisk polyamid eller kolfiber. Syftet med trådarna är att stärka väggens struktur, varvid det inre höljet kan tillverkas av ett tunnare metallskikt. Således minskar behållarens vikt. Maximitrycket för behållare av typ II är cirka 260 bar för aluminium-glasfiberkonstruktion och 300 bar för stål- och kolfiberkonstruktion.
• Vätgasbehållare av typ III tillverkas av kompositmaterial såsom glasfiber och aromatisk polymer eller kolfiber. Inuti behållaren finns en mycket tunn ytbeläggning i aluminium eller stål. Behållarens tryckbeständighet baserar sig helt på ytterhöljets material. Maximitrycket för behållare av typ III är cirka 300 bar för aluminium-glasfiberkonstruktion, cirka 430 bar för aluminium-aromatisk polymerkonstruktion och 700 bar för stål-kolfiberkonstruktion.
• Innerhöljet i vätgasbehållare av typ IV tillverkas av ytbelagt kompositmaterial. Ytterhöljet görs av en blandning av kolfiber och termoplast, på insidan finns vanligtvis ett polymerskikt (liner).  Behållare av typ IV är cirka 70 procent lättare än behållare av typ I. Behållare av typ IV används särskilt i rörliga och flygtekniska tillämpningar, där en låg vikt är särskilt viktigt. Tillverkningen av behållare av typ IV är mycket dyrare än tillverkningen av andra typer av behållare.

Behållarna kan förvaras ovanför eller under marken. Oskyddade behållare ovanför marken utsätts för väderfenomen, fysiska skador och kräver plats. När vätgasbehållare väderskyddas ska det beaktas att läckande vätgas inte får ansamlas under taket. Marktäckta behållare är svåra att kontrollera och utsätts korrosion. Det är också svårt att observera läckage i marktäckta behållare.

5.2 Flytande väte

Väte i flytande form används inom rymdteknik och särskilt vid lagring av stora mängder väte. Flytande väte används också i vissa rörliga och flygplanstekniska applikationer.

Fördelarna med att lagra väte i flytande form är utrymmesbesparing, vätets höga renhetsgrad samt möjligheten till lagring i lågt tryck. Flytande väte lagras vanligtvis i ett tryck på mindre än 5 bar. Nackdelar med att lagra flytande väte är den höga energiförbrukningen, vätgasutsläpp i atmosfären som orsakas av förångning av flytande vätgas (boil-off) samt specialkrav på behållarens material. Kondensering av vätgas kräver komplex utrustning för komprimering, kylning och återanvändning av gasen.

En lagerbehållare för flytande väte och tillhörande anordningar (rör, ventiler...) ska tåla stora temperaturskillnader (vätskeformigt väte −253 °C, omgivningen kan vara +30 °C) samt värmeutvidgning och -krympning på grund av temperaturskillnader. Den låga temperaturen hos flytande väte gör att många material blir sprödare, och vätemolekyler tränger lätt igenom olika material på grund av sin lilla storlek. Dessutom ska isbildning undvikas, eftersom det leder till materialförsprödning. Flytande väte orsakar ingen korrosion.

En betydande utmaning och riskfaktor i lagringen av flytande vätgas är det så kallade boil-off-fenomenet, det vill säga förångning av flytande vätgas. Förångning orsakar två slags förluster för systemet; den energi som använts för att kondensera väte går till spillo, och förångat väte sprids till atmosfären via avluftningsröret.

Förångning kan ske via många olika mekanismer och dess mängd korrelerar direkt i fråga om behållarens storlek, form, isolering och isomerformer som är typiska för väte. Förångningsfenomenet kan orsakas av variationer mellan väteisomererna, värmeöverföring från omgivningen, värmestigning orsakad av skvalpande väte inne i behållaren samt tryckskillnader som orsakas av att vätet skiktas i gasform och flytande form. Tryckskillnaden kan också uppstå när kallt flytande väte fylls på i behållaren, varvid mättningstrycket kan stiga över behållarens maximala drifttryck.

Förångning kan inte helt förhindras, men med en effektiv behållarlösning kan förångningen begränsas till 0,1 procent per dag. På grund av förångning får påfyllningsmängden i transportbehållare för flytande väte vid landsvägstransporter vara högst 85 procent av den maximala volymen. Vid lagring av flytande väte ska även risken för BLEVE-fenomenet (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) beaktas.
Flytande väte lagras i en dubbelmantlad vakuumisolerad behållare. Utöver vakuum installeras isoleringar, såsom glasfiber, aluminiumhinnor och polymerskivor, i flera lager mellan inner- och ytterhöljet. Den inre behållaren är i allmänhet tillverkad av austenitiskt rostfritt stål och den yttre behållaren i allmänhet av ferritiskt stål.

På grund av förångningsfenomenet ska behållaren förses med en säkerhetsventil och ett förångningssystem. Bucklor på behållarens vägg kan leda till att vakuumet försvinner och därigenom till att temperaturen och trycket stiger i behållaren. Behållare för väte i flytande form bör alltså förses med krockhinder. Även isbildning i behållarens utrustning (t.ex. ventiler) bör undvikas, eftersom det kan orsaka funktionsstörningar i utrustningen.

Vid lastning och påfyllning av flytande väte ska rören rengöras med inert gas (helium eller kväve) för att förhindra att en brandfarlig luft-väteblandning bildas. Vätgasens brännbarhetsområde vid ett tryck på 1 bar och en temperatur på 25 C är 4–75 volym-%. Minimiantändningsenergin för väte är mycket låg jämfört med andra bränslen (0,017 mJ) och den har låg elektrisk ledningsförmåga, vilket kan leda till uppkomst av statisk el och gnistor som orsakar brand till exempel i rörströmning. Därför är isolering av antändningskällor och jordning viktigt på platser där väte hanteras.

Problemet med anordningar för flytande väte är att syre och luft kondenseras på ytorna. När flytande väte lagras ska man också beakta att vätgasens volym ökar 800-faldigt vid fasövergång från flytande form till gasform.

5.3 Komprimerat flytande väte

Komprimerat flytande väte lagras under ett tryck som är högre än den kritiska punkten för väte. Fördelen med komprimerat flytande väte är hög lagringstäthet (= mindre utrymmesbehov), att det vid lagringen inte sker någon fasförändring (förångning) och att tryckhöjningen är långsammare än med kondenserat väte. Dessutom är förångningsförlusterna mindre än hos kondenserat väte. Nackdelarna med lagring av komprimerat flytande vätgas är högt energibehov (pressning och nedkylning), utmaningar med lagringsmaterialet (kyl- och tryckbeständighet) samt att förändringar i omgivningens temperatur lättare kan leda till förångning än med flytande väte. Då rymmer vätgas från lagret via trycksänkningsventilen.

5.4 Hydrider

Väte kan lagras som metall-, komplex-, övergångsmetall- och kemiska hydrider. Hydridernas fördel är ett relativt lågt temperaturintervall samt lagringens säkerhet och stabilitet. Nackdelar är lagringskapaciteten, den begränsade reversibiliteten mellan bildandet och spjälkningen av hydrid samt värmehanteringen. Hydrider kräver värme för att frigöra väte. Dessutom innehåller hydrider termodynamiska och kinetiska begränsningar för lagring och frisläppning av väte och vid hydreringsreaktioner kan det bildas lättantändliga biprodukter.

5.5 Andra vätebärare

Utöver de ovan nämnda kan väte lagras i organiska vätebärare, adsorberade eller i så kallade reformerade bränslen.

Organiska vätebärare är vätskor som kan lagra väte reversibelt. Exempel på sådana vätskor är bensen/cyklohexan och cykloheptatrien/cykloheptan. I flytande organiska vätebärare kan väte lagras i rumstemperatur och lufttryck. Däremot krävs en temperatur på 200–350 °C för att binda och frigöra väte. Nackdelen med organiska vätebärare är den låga lagringstätheten för väte, det stora energibehovet för att frigöra vätgas och behovet av att rengöra bäraren.

Adsorberat väte lagras genom att det fysikaliskt binds till material med stor yta.

Reformerade bränslen är bland annat metanol och ammoniak. Problemet med dessa är att de ofta kräver en kolkälla. Ammoniak anses vara en lovande bärare av väte, men utmaningen är det höga energibehovet under syntesen, ammoniakens toxicitet och kväveoxider som uppstår vid förbränning.

Organiska vätskor och reformerade bränslen har behandlats i Tukes guide Lagring av farliga kemikalier (på finska), så de behandlas inte närmare i denna guide.

6 Påfyllning av vätgasflaskor och -containrar

Transportcontainrar, flaskbatterier och enskilda flaskor avsedda för vätgas fylls oftast med kompressor.  Med kompressorn höjs trycket på vätgasen till lämplig nivå beroende på användningsändamål och flasktyp.

Tappningsmaskiner för väte säljs av flera olika tillverkare. En påfyllningsenhet för enskilda flaskor kan vara en manuell påfyllningspunkt för en flaska, eller en helt automatisk påfyllningskarusell.

När flaskor och flaskbatterier fylls på används särskilda påfyllningshuvuden. Påfyllningsändorna kan fästas i flaskor och flaskbatterier, och ventilerna kan opereras manuellt eller med automation.

Ett annat alternativ för att fylla väteflaskor är så kallad kaskadfyllning, där mindre flaskor (t.ex. 10 l) fylls på från större (t.ex. 100 l) utan kompressor. Stora flaskor kan fyllas på plats med kompressor eller så kan utbytbara flaskor användas. Vid kaskadfyllning strömmar en gas med högt tryck till en tom flaska med lägre tryck tills det inte längre finns någon tryckskillnad mellan flaskorna.

Eftersom väte är en lätt gas samlas små läckage lätt i taket i ett slutet utrymme. Därför ska ventilationen i fyllningsplatsen för vätgasflaskor säkerställas och fördjupningar i högst upp i taket undvikas. Dessutom ska det finnas vätgasdetektorer i utrymmen där vätgas hanteras.

7 Distributionsstationer för vätgas

Ett vätgasdrivet fordon tankas med väte i gasform genom en tryckskillnad. I tankstationens buffertbehållare lagras väte under högt tryck och vid tankning överförs väte med hjälp av tryckskillnaden till fordonets vätetank, där trycknivån är lägre. Huvudkomponenterna i tankningsstationen (bild 3 och 4) är lagerbehållare för vätgas, kompressor, högtryckslager, förkylningssystem och tankningsstation för väte.

Bild 3. Illustrationsbild av tankstation; lagerbehållare (1) kompressor (2A), högtryckslager (2B), förkylningssystem (2C), tankningspunkt för väte (3)

Förkylningssystem behövs eftersom vätgasens temperatur stiger i samband med att högtrycksväte tankas. Utan kylning kan temperaturen i fordonets vätgasbehållare bli för hög, vilket kan skada behållaren och orsaka läckage. Vid snabb tankning ska det finnas en automatisk förbindelse mellan fordonet och tankstationen, som bland annat begränsar tankningshastigheten vid distributionsstationen om temperaturen i fordonets lagerbehållare stiger för mycket.

Bild 4. Schematisk bild av tankningsstation för väte

Utöver dessa har tankstationen utrustning för transport av väte, säkerställande av dess renhet och hantering av doseringen. Komponenter och system i anslutning till mätningar (temperatur, tryck, flöde) och justeringar är också nödvändiga för stationens drift och för en lyckad tankning. För att trygga säkerheten har stationen säkerhetsautomatik och skyddssystem. Väsentliga säkerhetsfunktioner och säkerhetsanordningar vid distributionsstationerna är isoleringsventiler mellan vätelager, buffertbehållare, kompressorer och distributionsmätare, som säkerhetsautomatiken stänger för att begränsa följder av olyckor vid läckage.

Tankningshändelsen och byte av lagercontainer är de mest kritiska faktorerna i distributionsstationssäkerheten och de mest sannolika orsakerna till läckage. Konsumenternas agerande ökar risken på distributionsstationerna. Vid gasdistributionsstationer kan olyckor inträffa till exempel om föraren glömt tankningsslangen fast i bilen och kör iväg. Detta förebyggs t.ex. genom infraröd kommunikation mellan bilen och tankstationen, varvid bilen inte startar eller åker iväg när slangen är fast i bilen, det vill säga tankningen ännu pågår. Bilmodellen avgör hur försiktighetsåtgärden i fråga fungerar i praktiken.

Det är också viktigt att säkerställa gasslangarnas skick till exempel genom att kontrollera dem regelbundet och tillräckligt ofta. Distributionsmätarens gasslangar ska vara av lämplig längd och konstruerade för användningsändamålet (lämpliga för väte, tryck och temperatur upp till −40°C). Distributionsstationens automatik ska säkerställa tankningsslangens täthet innan den egentliga tankningen påbörjas.

På vätetankningsstationen ska det finnas ett temperaturkompenserat påfyllningssystem, vars uppgift är att säkerställa att trycket i gastankarna i gasfordon under inga omständigheter överskrider det tillåtna trycket.

Fast installerade lager för trycksatt gas (buffertlager) ska tillverkas och besiktas CE-märkt i enlighet med bestämmelserna om tryckbärande anordningar. Mätapparaturen för den vätgasmängd som tankas vid distributionsstationen för vätgas ska vara typgodkänd och den ska verifieras innan den tas i bruk. Verifieringen utförs av ett godkänt besiktningsorgan.

Distributionsstationens tak planeras så att vätgas som läckt ut inte kan ansamlas, till exempel i fördjupningar eller andra konstruktioner. Gasdetektorer installeras i slutna utrymmen, till exempel i en kompressorcontainer. Detektorerna utlöser en automatisk säkerhetsfunktion såsom stängning av ventiler och nödventilering.

8 Placering av produktionsanläggningar, lager och distributionsstationer för vätgas

Syftet med planeringen av förläggningsplatsen för objekt som hanterar väte är att undvika och minimera konsekvenserna av en eventuell olycka för den övriga verksamheten i närheten av objektet.

Med hjälp av riskbedömningen identifieras de olyckor som har de största konsekvenserna och vars verkningsområde bedöms med hjälp av en konsekvensanalys. Utöver konsekvensanalysen bedöms sannolikheten för olyckor. Enligt kemikaliesäkerhetslagstiftningen behöver osannolika olyckor inte beaktas när skyddsavstånden för placeringen av produktionsanläggningen fastställs. Då ska verksamhetsutövaren dock kunna påvisa att olyckan i fråga är tillräckligt osannolik att lämnas obeaktad vid bedömningen av placeringens säkerhet.

När produktionsanläggningar och distributionsstationer för vätgas placeras i förhållande till utomstående objekt, beaktas särskilt så kallade känsliga objekt, såsom vårdinrättningar, skolor, daghem, affärscentrum och så vidare. Kriterierna för placering av produktionsanläggningar och distributionsstationer presenteras i Tukes guide Tuotantolaitosten sijoittaminen (”Placering av produktionsanläggningar”). Funktionernas inbördes placering på anläggnings- eller distributionsstationsområdet bedöms enligt samma principer. Anvisningar för placering av funktioner finns i standarden SFS 3353:2019 (”Produktionsanläggning för brännbara kemikalier”).

Konsekvenserna av en väteolycka bedöms genom att modellera olika läckage- och antändningsscenarier. Datamängden (data) och modelleringsmetoderna för väteolyckor bedömdes inte vara lika utvecklade som för kolväteolyckor. Därför är det nödvändigt att utgå från ett konservativt perspektiv vid valet av utgångsdata och antagande i scenarierna.

Modelleringsmetoderna kan grovt indelas i analytiska metoder och CFD-metoder (Computational Fluid Dynamics). Analytiska metoder använder ett mindre antal variabler än CFD för att få modelleringsresultat och ger därför grövre svar.

Resultat som fås med analytiska metoder kan dock vara tillräckligt noggranna för att bedöma konsekvenserna längre bort från läckagestället eller antändningspunkten. Närmare resultat fås med CFD-modelleringar som beaktar miljöns geometri och utnyttjar kemikaliernas egenskaper samt beräkningar som gjorts utifrån dem. Nära antändningspunkten blir modelleringarna mest tillförlitliga genom CFD-modellering, med vilken det bäst går bedöma placeringen av funktionerna på produktionsanläggningens område.

Den analytiska modelleringsmetoden lämpar sig för att planera placeringen av hela produktionsanläggningen, eftersom dess noggrannhet är tillräcklig för att bedöma olyckskonsekvenser som sträcker sig utanför anläggningsområdet. När modeller utarbetas ska det säkerställas att programmet och beräkningsmetoden i fråga lämpar sig för modellering av väteolyckor och att modelleraren har tillräcklig kompetens för vätemodellering.

8.1 Olyckor som ska beaktas vid placering av produktionsanläggningen

De viktigaste faktorerna som beaktas vid placeringen av en produktionsanläggning för vätgas är vätgasens tryck och lagringsmängden samt de olycksrisker som dessa medför. Som olycksscenarier identifieras möjliga väteläckor. Vid planeringen av anläggningens placering beaktas också konsekvenserna för produktionsanläggningen för väte av olyckor som sker i industrianordningar på intilliggande tomter (t.ex. värmestrålning från brand).

För att säkerställa en säker placering bedömer verksamhetsutövaren följdverkningarna av de olycksscenarier som identifierats med hjälp av en konsekvensanalys (modellering). Som resultat av modelleringen presenteras omfattningen av det antändbara gasmoln som bildas till följd av vätgasläckage, brandens värmestrålningseffekter och explosionens tryckeffekter. Som resultat av konsekvensanalysen fås

• sticklågans längd och dess värmestrålningseffekt
• storleken på det oantända men till koncentrationen antändningsbara vätgasmolnet
• värmestrålnings- och tryckeffekter orsakade av explosionen (VCE eller Jet explosion).

Resultaten av modelleringen påverkas väsentligt av de utgångsdata som använts, så dessa ska också presenteras i rapporteringen av modelleringen. I modelleringsresultaten presenteras åtminstone

• läckans hålstorlek
• rörets diameter
• processförhållanden (tryck, temperatur etc.)
• vätgasens massa i ett antändbart gasmoln
• läckans tidpunkt
• läckans höjd
• hindertäthet 
• vädertyper som använts i beräkningen.
• Om det inte anses möjligt att röret går av, ska detta kunna motiveras.

Frakturer i vätgasledningen modelleras, men dess resultat behöver inte beaktas när vätgasanläggningen placeras, om verksamhetsutövaren kan påvisa att det är mycket osannolikt att röret går av. Vid bedömningen av hur sannolikt det är att ett rör går av beaktas bland annat antalet vätgasrörsystem och fogar, rörsystemets placering och de faror som rörsystemet utsätts för av anläggningens eller tankstationens övriga verksamhet.

För modelleringen väljs också ett olycksscenario där läckageöppningen i vätgasröret är 10 procent av rörets tvärsnittsarea. Det är mer sannolikt att ett hål i röret uppstår än att hela röret går av. Som hålstorlek väljs 10 procent av rörets tvärsnittsarea enligt internationell praxis. Läckagetiden beror på de använda säkerhetsarrangemangen, och deras funktionssäkerhet ska motiveras på ett trovärdigt sätt.

För bedömningen av konsekvenserna av en olycka modelleras ett läckage i ett rör med den största tvärsnittsarean samt i ett rör med det högsta trycket. Vid placeringen beaktas det scenariot som har ett större influensområde.

Om väteflaskcontainrar blir påfyllda på produktionsanläggningen, väljs som scenarier även slangbrott eller att slangen som används för att fylla på en väteflaska lossnar som. I konsekvensanalysen beaktas responstiden för systemet som avbryter läckaget. 

En vätgasanläggning eller vätgasdistributionsstation får inte placeras under luftledningar. Dessutom bedöms avståndet till luftledningarna i sidled utifrån följderna av en eventuell olycka. På så sätt skyddas elöverföringen och förebyggs att vätgasläckor antänds till följd av gnistor från luftledningar.

Det har planerats att elektrolysörer som producerar vätgas också ska placeras på underlag som byggs vid vindkraftverkens bas till havs. Då leds vätgasen till fastlandet genom ett rör under havet. I en sådan decentraliserad placeringsmodell är mängden vätgas i produktionsobjektet mycket liten.

8.1.1 Olyckor som ska beaktas vid placering av distributionsstationen

När en distributionsstation för vätgas placeras, beaktas samma saker som vid placeringen av en produktionsanläggning för vätgas.

Vid placeringen av distributionsstationen för vätgas beaktas dessutom

• platsen i förhållande till distributionsstationens kundbyggnader (servicestationsbutik eller -kafé, tvättplats, bilverkstad osv.)
• anordningarnas placering i förhållande till varandra på distributionsstationens område.

Ett relativt litet sprängtryck (0,05 bar) kan orsaka skador i byggnaderna och det är särskilt farligt om takkonstruktionerna brister. Detta kan orsaka fara för kunderna och personalen i de stora butiks- och kafébyggnaderna på tankningsstationerna.

Utöver produktionsanläggningens olycksscenarier modelleras lossning av tankningsslangen och värmestrålning som orsakas av fordonets förbränning som olycksscenarier på distributionsstationen.

Utgångsdata i scenariot där hela slangen lossnar är:

• trycket som använts vid stationen
• slangens storlek
• responstiden för skyddsfunktionen (responstid från läckans början till dess slut för säkerhetsfunktionen som stoppar läckan).

8.1.2 Placeringen av vätgasanordningar och funktioner på produktionsanläggningars och distributionsstationers område

På produktionsanläggnings- och distributionsstationsområdet finns nästan alltid också andra funktioner utöver produktion eller tankning av vätgas. Vid fastställandet av deras inbördes placering iakttas i regel samma principer som vid placeringen av hela anläggningen, och samma scenarier används som utgångsdata för modelleringarna. De personer som arbetar inom produktionsanläggningens område har fått utbildning i de risker som verksamheten medför. Därför kan man i verksamheter som hör till anläggningen godkänna en något större risk, än om följderna av olyckan skulle drabba verksamheter eller personer utanför anläggningen.

Funktionerna och deras placering planeras så, att spridningen av olyckor mellan konstruktioner eller funktioner kan förhindras och så att konsekvenserna av olyckorna begränsas till ett så litet område som möjligt. I detta fall beaktas de risker som både lagringen och användningen av vätgas medför för andra funktioner och de risker som andra funktioner, till exempel tankning av flytande bränsle eller laddning av elbil, medför för förvaringen av väte. Distributionsstationer för flera bränslen medför särskilda utmaningar. På dessa ska det beaktas både distributionspunkterna för olika bränslen och laddningsstationer för elbilar och servicestations-/kafébyggnaden.

Effekter av olyckor bedöms genom modellering av värme- och tryckeffekter. Utrymmet på ett anläggnings- eller distributionsstationsområde kan vara begränsat, varvid värme- och tryckeffekterna kan behöva begränsas till exempel med en skyddsmur. Då ska dock murens övriga effekter beaktas, såsom att tryckvågen reflekteras och förstärks, ansamling av vätgas bakom muren eller ökade virvlar i luftströmmen som orsakas av muren.

Vid placeringen av funktionerna ska placeringen av olika byggnaders luftintag också beaktas. Eventuella källor till väteläckage placeras tillräckligt långt från de tidigare nämnda öppningarna, så att vätgasen inte transporteras in i en annan byggnad via dess luftintag.
Vid placeringen av vätgaskonstruktioner kontrolleras också att det inte kan falla träd, elstolpar eller andra höga konstruktioner på dem, eller att utomhusarmaturer eller motsvarande lösa delar faller på dem. Platsen där vätgasbehållare eller utrustning placeras minskar möjligheten att fordon kolliderar med dem, till exempel genom krockhinder. Dessutom undviks placeringen av utrustning eller behållare i vägkurvor, nedanför backar eller på andra platser, där risken för kollision ökar. 

En explosion inomhus i ett kompressorutrymme eller flaskförråd i en container skapar en tryckvåg och delar av trasiga konstruktioner som slungas ut. Lättnader i konstruktionerna eller explosionsskyddsluckornas utloppsriktning planeras så att tryckvågen och lösa delar styrs i en säker riktning. Om den lättade konstruktionen är ett containertak, bör taket ha ett takfall (så kallat pulpettak), vilket förhindrar att snö och is samlas på taket, och väteläckaget inomhus leds ut så att det försvinner från takets högsta punkt. För detta ändamål monteras en gallerförsedd ventilationsöppning under takfoten. (Bild 5.)

Bild 5. Byggnad avsedd för hantering och lagring av vätgas

Obehörigas tillträde till lagringsplatsen och kompressorcontainern ska förhindras. De ska förses med ett låsbart stängsel med rörelse- eller kontaktdetektor och även kameraövervakning på obemannade tankningsstationer. Vätgasutrustning och -rör ska förses med krockhinder. För att förhindra yttre påverkan installeras vätgasrörsystem från flasklagret till tankningspunkten under marken.

Placeringen av funktionerna i förhållande till varandra föreskrivs förutom i kemikaliesäkerhetslagstiftningen, även bland annat i elsäkerhets- och bygglagstiftningen. Anvisningar för placering av funktioner finns i standarden SFS 3353:2019 (”Produktionsanläggning för brännbara kemikalier”).

8.2 Planläggningens inverkan på placeringen

Vid placeringen av en produktionsanläggning för vätgas bedöms anläggningens lämplighet för det planerade objektet på samma sätt som för vilken annan kemikalieanläggning som helst. När placeringen övervägs ska det säkerställas att den gällande planen på tomten i fråga gör det möjligt att placera en kemikalieanläggning där. Tukes rekommenderar planbeteckningen T/kem för tomter där avsikten är att placera en omfattande kemikalieanläggning, men även en annan planbeteckning kan vara möjlig. Andra planbeteckningar som lämpar sig för vätgasanläggningar kan till exempel vara T (Industri- och lagerområde), TT (Område för industriverksamheter med betydande miljökonsekvenser) och EN (Område för energiförsörjning).

Även en annan plan är möjlig om 

• planbestämmelserna möjliggör den
• kommunen tillstyrker placering på tomten i fråga
• de omgivande tomternas planenliga användning inte äventyras
• följderna av olyckor begränsas till anläggningens område.

Utöver vätgasanläggningens tomt ska planbeteckningarna för de omgivande tomterna beaktas. Vätgasanläggningen som byggs får inte begränsa den användning som anvisas i planen för de omgivande tomterna. Utöver planen bedöms alltid de olycksrisker som anläggningen orsakar. Därför garanterar planens lämplighet inte att väteanläggningen kan placeras på den planerade tomten.

Planbeteckningen för mindre objekt kan variera. Till exempel kan en planbeteckning avsedd för en annan typ av distributionsstation lämpa sig för en vätgasdistributionsstation. Alla tomter som planerats för distributionsstationsverksamhet lämpar sig dock inte för en vätgasdistributionsstation, till exempel i en tätt bebyggd stadsmiljö. Distributionsstationsverksamheten får inte stå i strid med planbestämmelserna för tomten och den får inte heller begränsa användningen av de omgivande tomterna enligt planen.

Information om placeringen av kemikalieanordningar och beaktandet av olycksrisker finns i Tukes guide om placeringen av produktionsanläggningar (på finska).

8.3 Placeringsplan för tryckbärande vätgasanordningar

Vätgasanordningar och behållare är tryckbärande anordningar, vars placeringssäkerhet bedöms av ett besiktningsorgan och i vissa fall dessutom av Tukes i samband med att kemikaliesäkerhetstillståndet behandlas. Den egentliga placeringsplanen för en tryckbärande anordning granskas av besiktningsorganet. En placeringsplan krävs bland annat för en tryckbärande anordning som placeras inomhus, i offentliga utrymmen eller i omedelbar närhet av en allmän farled och som är

• produkten av effekttalet för det högsta tillåtna drifttrycket och volymen överstiger 10 000 bar x liter eller
• en transportabel tryckbärande anordning eller en kombination av gasflaskor och vars volym överstiger 450 liter, eller
• ett rörsystem som innehåller vätgas, om dess storlek överstiger DN 50.

En separat placeringsplan krävs inte om Tukes har kontrollerat säkerheten av den tryckbärande anordningens placering i ett tillståndsförfarande enligt kemikaliesäkerhetslagen. Även om anläggningen har ett kemikaliesäkerhetstillstånd beviljat av Tukes, kan anläggningen ha tryckbärande anordningar som kräver en placeringsplan, om Tukes inte har godkänt placeringen av alla tryckbärande anordningar i sitt tillståndsbeslut. En placeringsplan förutsätts för tryckbärande anordningar i distributionsstationer som beviljats tillstånd av räddningsverket.

9 Att beakta vid planering av vätgashantering

9.1 Material

Vätgasanordningar innehåller vanligtvis många slags konstruktionsmaterial – såväl metalliska som icke-metalliska material och kompositer. Alla materials lämplighet för användningsförhållanden och hållbarhet i olyckssituationer ska bedömas omsorgsfullt. Materialvalen ska i mån av möjlighet grunda sig på standardiserade lösningar vars säkerhet det finns erfarenhet av.

Vätgas ställer särskilda krav på konstruktionsmaterial för anordningar och rörsystem. Vid valet av material ska man särskilt beakta vätetrycket, planeringstemperaturen, eventuella andra innehåll och föroreningar samt belastningstypen.

Temperatur är en betydande faktor när det bedöms om materialet är lämpligt att användas för vätgassyften. I applikationer för flytande vätgas ska de ramvillkor som de kryogena förhållandena ställer på materialen beaktas, såsom benägenhet för sprödhetsbrott (materialets transitionstemperatur) och spänningar orsakade av stora temperaturskillnader i komponenterna.

Även sätten att använda vätgas orsakar belastning på materialet. I bufferttanken trycksätts väte precis före användning. Då är tryckvariationerna stora och deras inverkan på materialet ska beaktas.

Vätgas medför utmaningar för materialvalen i huvudsak på två sätt: 

• tränger igenom materialet och orsakar direkt läckage
• reagerar med materialet och orsakar förändringar i materialets egenskaper och därigenom försämrar konstruktionen.

Utrymmen för produktion och lagring av vätgas tillverkas av obrännbart material. Om syftet med konstruktionerna är att skydda vätgasanordningarna mot till exempel en extern brand eller minska skyddsavståndet till utomstående objekt, ska konstruktionernas varaktighet vid brand fastställas i enlighet med detta mål.

9.1.1 Metallmaterial

Som en lågmolekylär gas kan väte tränga in i metall vid högt tryck. Stålkvaliteters lämplighet för väteanvändning påverkas av flera olika faktorer, såsom kemisk sammansättning, värmebehandling, mekanisk behandling, mikrostruktur, föroreningar, restspänningar och hållfasthet. Väte som tränger in i material i hållfasta kolstål, nickellegeringar, titaner och vissa rostfria stål (t.ex. 17-7PH, UNS S17700) orsakar en betydande sänkning av segheten, dvs. vätegräsbildning.

Väteförsprödning är ett fenomen som minskar materialets dragbrottöjning och slagseghet, utan att i övrigt i betydande grad påverka materialets hållfasthetsegenskaper. Ett försprödat material kan gå av plötsligt till följd av överbelastning. Väte minskar också märkbart stålets utmattningstålighet, eftersom vätgas som tränger in i materialet påskyndar tillväxthastigheten för sprickor. Sänkningen av utmattningshållfastheten ska vid behov beaktas förutom i valet av material, även i andra detaljer i planeringen som påverkar utmattningståligheten.

Vissa föroreningar, särskilt svavelväte, kan till följd av korrosion av kolstål leda till att atomärt väte tränger in i materialet. Väte samlas i mikroskopiska diskontinuitetsställen i materialet och orsakar sprickor i materialet.

Väte som tränger in i kolstål vid höga temperaturer (cirka 200 ºC och högre) kan reagera med kolet i stålet och bilda metan. Då utarmas stålets mikrostruktur på kol. Till följd av detta uppstår mikroskopiska sprickor i konstruktionen, och stålets hållfasthet minskar betydligt.

Enligt allmän uppfattning tål austenitiska rostfria stål bättre att användas för vätgassyften utan att bli sprödare. Syrabeständiga stål (t.ex. AISI 316/316L, EN 1.4404) är mindre benägna att försprödas av väte än rostfria stål (t.ex. AISI 304/304L, EN 1.4307). Även i fråga om rostfria stål bör valet av material göras omsorgsfullt och även beakta hur olika tillverkningstekniker, såsom svetsning och kallformning, påverkar stålets mikrostruktur och därmed tolerans mot vätgas.

9.1.2 Andra material

Kompositmaterial har använts särskilt som konstruktionsmaterial i tryckbehållare som används för väte. En specifikation av behållartyper presenteras i punkt 5.1 i guiden. I internationella standarder finns det ytterligare information om sådana behållare.

När plastmaterial används ska det säkerställas att det valda plastmaterialet leder el, så att det är möjligt att jorda det. Observera också att plasters brand- och temperaturbeständighet samt tolerans mot UV-ljus ofta är sämre än metallers. Det finns dock vissa plaster som tillämpats för vätgas, såsom bränslebehållare av typ IV för vätgasfordon, som tillverkas av blastbelagt polymerförstärkt material. I vissa elektrolysörer används plastkomposit för rörsystem och beläggningar i en del av processen. För att plast ska kunna användas ska dess lämplighet för vätgassyfte och användningsförhållanden kunna påvisas på ett trovärdigt sätt.

Det finns erfarenheter av olika gummi- och polymertätningar för väte. Väte tränger betydligt lättare genom dessa material än metallmaterial, vilket ska beaktas i planeringen.  Vid högt tryck bör särskild uppmärksamhet fästas vid valet av organiska tätningsmaterial, eftersom väte som trängt in i dessa kan orsaka mekaniska skador på tätningen till följd av att trycket snabbt sjunker.

9.2 Allmänna planeringsanvisningar

Syftet med planeringen är att förebygga vätgasolyckor och minska konsekvenserna av eventuella olyckor. Den naturliga säkerheten kan främjas genom att minska mängden vätgas som läcker vid en eventuell läcka genom att planera så små vätgasrör som möjligt och installera system som minskar flödet i behållare och rörsystem. På potentiella läckor som identifierats kan man installera skyddsplattor för att styra läckaget eller branden i en säker riktning. Med ett tillräckligt avstånd mellan anordningar säkerställs det att vätgasexplosionens tryck eller lösa delar som slungas ut inte skadar andra anordningar. 

På grund av möjligheten till vätgasexplosioner i slutna utrymmen planeras utrymmena antingen så att de tål explosioner, eller utrustas med en lättare konstruktion eller med explosionsluckor, via vilka sprängtrycket kan få utlopp i en säker riktning. Anordningarnas tryckstegring över det dimensionerade drifttrycket förhindras med säkerhetsventiler. För säkerhetsventilerna väljs säkra utlopp och utrymmet klassificeras korrekt. Avstängningsventilernas säkra läge vid el- eller tryckluftsförlust bestäms utifrån riskbedömningen och säkerställs till exempel med en fjäderfunktion. 

Vätgas är en lättare gas än luft, så ventilationsöppningarna i utrymmen där vätgas hanteras ska placeras i utrymmets högsta punkter. Vid planeringen bör det undvikas platser där vätgas kan samlas. Sådana är bland annat fördjupningar i taket och mellanrum mellan balkar. Även ett tätt rörpaket kan bilda en plats där vätgas kan samlas. I en vätgascontainer ska det också beakta den fara som ventilationsöppningarna medför; explosionens lågor kan tränga ut ur ventilationsöppningarna. (Bild 6.)

Bild 6. Explosionens lågor tränger ut från ventilationsöppningarna i en säker riktning

Vätgasanordningen planeras så att den kan inerteras till exempel i samband med underhåll. Det ska säkerställas att syrehalten hålls under gränsvärdet i alla situationer. Detta förutsätter i praktiken att tillräcklig tillförlitlighet säkerställs till exempel genom säkerhetsautomation.

I statusklassificeringen av vätgas beaktas vanligtvis små avsiktliga (ventilation) och oavsiktliga läckage. Vid dessa är läckagemängderna och därmed det explosionsfarliga området som de bildar små.

Vätgasens självantändningstemperatur är hög (560 °C). Den här karakteristiska temperaturen används som den högsta tillåtna yttemperaturen för anordningar som används i utrymmen som exponeras för vätgas, med beaktande av felsituationer.

Säkerhetsventilen är viktig säkerhetsutrustning vid lagring av väte i gasform. När behållaren utsätts för högt tryck, upphettas eller båda sker samtidigt, kan säkerhetsventilen släppa ut vätgas från behållaren. Som säkerhetsventiler kan användas säkerhetsventiler som reagerar på tryck eller öppnar sig i en viss temperatur. Beroende på ventiltyp stängs ventilen eller hålls öppen när trycknivån eller temperaturen återgår till normal nivå. Högtrycksväte som plötsligt strömmar ut genom utloppsröret kan dock leda till att vätgasen självantänds i röret då vätepulsen skjuter luft framför sig. Denna risk ska beaktas i planeringen.

Säkerhetsventiler som aktiveras av temperatur öppnas när temperaturen når 108–110 °C. Temperaturaktiverade säkerhetsventiler används för att förhindra farliga bristningar i behållarens väggar på grund av att kompositbehållaren överhettas. En säkerhetsventil som aktiveras vid en viss temperatur stängs inte automatiskt, utan dess uppgift är att släppa ut väte från behållaren på ett kontrollerat sätt.

Rörsystemet för vätgas på anläggningsområdet planeras, tillverkas och installeras i enlighet med kraven i direktivet om tryckbärande anordningar (PED). Eftersom vätgas är en kemikalie som klassificerats som farlig ska alla rörsystem för vätgas vara tillverkade minst enligt nivån för klass 1. I synnerhet på distributionsstationer placeras vätgasrör i mån av möjlighet under marken för att minska möjligheten att de skadas. I underjordiska rörsystem används dubbelmantlad konstruktion och endast svetsfogar.

Målet med fackling är att förbränna gasen kontrollerat. Detta förebygger gasens explosionsrisk.  Fackling används bland annat vid tömning av gasledningar samt för att avlägsna överskottsvätgas som uppstår i processen. Facklingssystemets huvudkomponenter är: brännare, stödkonstruktion, rörsystem och hjälpanordningar. Till hjälpanordningarna hör bland annat tändare och flamvakt.

Som en lågmolekylär gas tränger väte in i material och läcker även från små sprickor. Därför är det skäl att undvika potentiella läckagepunkter, såsom flänsfogar. När rörsystemet planeras är det också bra att beakta att läckageöppningens storlek vid högt tryck är en väsentlig faktor som påverkar läckagets storlek. Rörsystemets storlek bör planeras så att den är så liten som möjligt.

Kompressionskopplingar är permanenta kopplingar. På grund av svårigheten med att säkerställa kompressionskopplingars täthet genom kontroll och verifiering av metoden enligt PED, rekommenderas de inte att användas i rörsystem för vätgas. Som öppningsbara kopplingar kan klämringskopplingar (t.ex. kopplingar av skärringstyp) användas.

Vätgas överförs med en slang från produktionsanläggningen till en flaskcontainer eller en tubtrailer, med vilken det transporteras vidare till exempel till en distributionsstation. Anläggningen ska ha ett system som bryter tillförseln av vätgas från både flaskcontainern och tanken vid slangläckage. Likaså ska distributionsstationen ha ett system som bryter en vätgasläcka.

Vätekvaliteten ska vara sådan att anordningarna och rörsystemen tål den, och å andra sidan ska anordningarna vara konstruerade så att de tål vätgas. Vid dimensioneringen av vätgasbehållare ska särskild uppmärksamhet fästas vid effekterna av eventuell cyklisk belastning.

Vätgasanläggningar och distributionsstationer är också föremål för fjärrövervakning, varvid styrningen av anläggningen sker från ett kontrollrum på annat håll. Säkerhetshot såsom cybersäkerhet och områdessäkerhet ska beaktas på vätgasanläggningar och i synnerhet obemannade stationer. Mer information om ämnet finns i Tukes guide om beredskap för säkerhetshot vid hantering och lagring av farliga kemikalier (på finska).

9.3 Att upptäcka och hantera läckage

Alla vätgasanordningar placeras i första hand utomhus i väl ventilerade förhållanden, och förverkligas med så rymlig placeringsplanering som möjligt för att undvika trånga processutrymmen. Detta är dock inte alltid möjligt och då ska det slutna utrymmets betydelse beaktas.

Inomhus kan vätgashalten beräknas med en tillräckligt effektiv ventilation, som kan programmeras så att den effektiveras vid en viss vätgashalt. Ventilationen är dock till nytta endast vid relativt små vätgasläckage. På grund av det omfattande antändningsområdet för väte (4–75 %) och det höga trycket kan ventilationen vid större läckage inte ordnas så att den blir tillräckligt stor för att minska vätehalten till en icke-explosiv nivå, varvid effektiviseringen av ventilationen endast kan ha betydelse för att lindra följderna av ett vätgasläckage.

Upptäckten av väteförsprödning i tid ställer särskilda krav på förutseende underhåll. Det är i praktiken omöjligt att upptäcka sprickor med blotta ögat, så materialval och NDT-metoder spelar en viktig roll vid kontrollen av vätgasanläggningar. NDT-tester kan indelas i volumetriska, dvs. materialgenomträngliga, och yttestningsmetoder. Röntgen och ultraljud är volumetriska metoder, som används till exempel för att upptäcka fel i svetsfogar och mäta tjockleken på rörväggen. Penetrant- eller magnetpulvermetoden, där färgad vätska eller magnetpulver samlas i sprickan eller korrosionsstället och synliggörs vid förstoring.

Det kan vara svårt att upptäcka vätgasläckage med sensoriska test, eftersom läckorna ofta är små, och vätgasen är färglös, luktfri och brinner med osynlig låga i dagsljus. Vätgasläckor med högt tryck kan i vissa fall höras som en kraftig susning. Det är dock viktigt att upptäcka läckor för att möjliggöra inledandet av nödvändiga åtgärder.

För att upptäcka vätgasläckage används olika tekniska hjälpmedel, såsom gasdetektor, tryckdetektor, ultraljudsdetektor, masspektrometri och läcktejp som byter färg. Gasdetektorerna ska placeras så att den gas som frigörs i samband med en eventuell läckagesituation upptäcks. I praktiken placeras detektorerna i närheten av eventuella läckagepunkter och på de högsta ställena i utrymmet. Det är bra att säkerställa en optimal placering av detektorerna genom att modellera hur vätgasläckaget i utrustningen sprids och ansamlas i utrymmet.

Gasdetektorerna styr larm, varningsljus och ljudlarm samt vid behov stopp av utrustning och läckage i isoleringen med hjälp av säkerhetsautomation för att begränsa läckornas varaktighet och antal. Särskilt på distributionsstationer ska larmen vara tydliga och identifierbara även för kunderna. Gasdetektorn kan dessutom förses med ventilationsåtgärder såsom effektiverad ventilation i kompressorutrymmet.

Läckage från rör under marken kan upptäckas till exempel genom att använda dubbelmantlade rör. I sådana rör kan utrymmet mellan rören vara trycksatt eller öppet. Om det yttre röret är öppet i ändarna vädras mellanrummet och utloppen förses med vätedetektorer.

Vätgasens antändningsenergi är som minst (0,017 mJ) när vätgashalten i luften är 30 procent. Då är också vätgasens förbränningshastighet som störst. Vätgas brinner med en klar låga som är svår att upptäcka och som inte bildar rök. Flammans värmestrålningsintensitet är låg, vilket betyder att den inte strålar värme i omgivningen på samma sätt som en brasa eller naturgaslåga. Detta gör vätgaslåga svårupptäckt. En vätgaslåga kan upptäckas lättare till exempel med värmekameror eller en flamdetektor avsedd för identifiering av vätgaslågor.

Vid vätgasläckage är det viktigaste att upptäcka läckan snabbt och att stoppa den. Detta kan kräva ett automatiskt system som stoppar hela anordningen eller delar av den beroende på läckageobjektet eller -mängden.

En vätgasläcka antänds lätt även om det är fråga om en så kallad kontrollerad läcka. Därför ska man alltid utgå från möjligheten till antändning vid planering av säkerhetsventilen. Antändningen beaktas i riktningen av utloppet från säkerhetsventilen och vid fastställandet av tillräckliga skyddsavstånd i omgivningen kring utloppen. Utloppsriktningen ska helst vara uppåt, inte mot byggnader eller områden där människor kan röra sig. Vätgasrörsystemet och anordningarna sköljs med inert gas (t.ex. kväve) för att avlägsna syre före de fylls på med vätgas och efter att vätgasen tömts, samt vid behov efter att säkerhetsventilen utlösts. Med andra ord ska kvävgas finnas till hands för underhåll av vätgasanordningar.

10 Faror orsakade av vätgas och följder av vätgasläckor

Olyckor som vätgas orsakar är bränder och explosioner. Deras styrka och konsekvenser beror bland annat på mängden vätgas som läckt, processförhållandena och antändningsplatsen samt om vätgasen antänds omedelbart eller med fördröjning. Dessutom påverkar hindertätheten i omgivningen kring läckaget, vilket ökar mängden virvlar i luftströmmen och gör att luften blandas effektivare med väte.

Utöver de olyckor som påverkar vätgasanläggningens placering ska även följderna av andra olycksscenarier som identifierats i riskbedömningen bedömas. Sådana är till exempel ackumulering av läckt väte inomhus i kompressorutrymmet och explosion av vätgas, läckage i samband med containerbyte eller läckage av flaska inne i transportcontainern.

Elektrolysörtekniker och de material som hör ihop med dem, såsom tunnare membran, är fortfarande i utvecklingsskedet. Vid en vätgasproduktionsanläggning kan det bildas en explosionsfarlig luft-väteblandning till exempel om elektrolysörens membran brister. Andra bakgrundsfaktorer kan vara avbrott i tillgången till förnybar energi, vilket kan leda till nedkörningar och uppkörningar som belastar utrustningen. I en helhet bestående av flera elektrolysörer bör möjligheten till en dominoeffekt tas i beaktande, det vill säga att explosionen framskrider från en elektrolysör till nästa.

På grund av sin lilla molekylstorlek kan väte tränga in även i små springor, så små vätgasläckor är vanliga. Vid små läckor i ett välventilerat utrymme blir koncentrationen av vätgas dock inte så stor att läckaget skulle medföra fara. Koncentrationen av en liten läcka kan öka tillräckligt för att antändas först när väte ansamlas i ett slutet utrymme. I fråga om vätgasanordningar som placerats inomhus ska man således bedöma en sådan kontinuerlig bakgrundsläcka av vätgas, till exempel i anslutningar, och säkerställa att vätgasen inte kan ansamlas.

Vätemoln uppstår av en väteläcka som inte antänts. De allvarligaste effekterna utomhus uppstår när ett vätemoln antänds i en miljö med hinder. När molnet antänds och exploderar i en hinderfri miljö kan tryck- och temperatureffekterna vara mindre. Explosionens styrka påverkas av reaktionshastigheten. Om vätehalten i vätemolnet är hög och reaktionen påskyndas av hinder i omgivningen, kan det ske en detonation med mycket stora tryckeffekter. Därför avlägsnas till exempel buskage och trädbestånd runt väteanläggningen i mån av möjlighet.

Bild 7. Olycksscenarier för väte i gasform

10.1 Omedelbar antändning

En omedelbar antändning orsakar en sticklåga som uppstår när vätgas läcker vid högt tryck. När vätgas läcker från ett litet hål kan det antändas av sig själv till följd av värmen från friktionen eller statisk elektricitet. Riktningen på ett läckage med högt tryck bestämmer riktningen på sticklågan.

Vid modellering av följderna av en sticklåga bedöms lågans längd och värmemängd utifrån vätgastrycket och hålets storlek, det vill säga massflödet som läcker från hålet. Värmekonsekvenserna av en sticklåga kan orsaka nya läckage när den riktas mot de omgivande apparaterna. Sticklågan slocknar när vätgasläckan tar slut.

10.2 Fördröjd antändning

En fördröjd antändning gör det möjligt att vätgas ansamlas som ett moln. När molnet antänds sker en explosion vars tryckeffekter beror på molnets massa, antändningsplatsen och omgivningens hindertäthet. På grund av vätgasens reaktivitet behöver vätgasmolnet inte en sluten omgivning eller hindertäthet för att betydande sprängtryckseffekter ska uppstå. Efter att molnet exploderat fortsätter vätgasen läcka från läckpunkten som en sticklåga.

Vätgas är lättare än luft och utomhus stiger en liten vätgasläcka uppåt och späds snabbt ut, men luftströmmar särskilt i en byggd miljö kan orsaka att vätgas ackumuleras på oförutsägbara sätt. Dessutom ökar byggnader och anläggningar utomhus turbulensen i luftflödet, och därmed att vätgas blandas med luft. Detta ökar i sin tur vätemolnets syrehalt och effektiverar därmed förbränningen. Således kan vätgas brinna explosivt även utomhus i gynnsamma förhållanden.

Vätgasläckor som strömmar ut med högt tryck riktas först rakt bort från läckageöppningen, och vätgasen börjar stiga uppåt först när trycket jämnas ut till lufttryck. Modellering av läckan kan klargöra hur vätgasen beter sig före och efter att trycket jämnats ut.

För att minska tryckeffekterna vid antändning av vätgasläckan krävs en betydande utspädning av vätehalten. Det är i praktiken omöjligt att späda ut en kraftig vätgasläcka genom ventilation till en icke-explosiv nivå, men explosionens tryckeffekter kan försöka minskas genom kraftig ventilation. Vid kraftigt vätgasläckage kan man med ventilationen inte förhindra uppkomsten av en explosiv luftgasblandning, men dess förekomsttid kan förkortas med effektiv ventilation efter att läckan har upphört.

Följderna av fördröjd antändning är:

• explosion med lågt tryck (deflagration)
• explosion med högt tryck (detonation)
• jet explosion

Vätgasmolnet späds ut när det utvidgas, och om utspädningen är tillräcklig är tryckeffekterna mindre och följderna orsakas huvudsakligen av värmestrålning. Då ligger vätgaskoncentrationen i molnet mellan flampunkten (4 %) och explosionsgränsen (18 %).

Deflagration är en explosion med lågt tryck där flamfronten framskrider under ljudhastigheten i ett brinnande gasmoln. Vid detonation överskrider flamfrontens hastighet ljudhastigheten, vilket orsakar ett stort sprängtryck.

Vätgas har en hög förbränningshastighet som gör det möjligt att en lindrigare deflagration accelererar till en allvarligare detonation (deflagration to detonation transition, DDT). Detta fenomen är en allmän källa till vätgasdetonation. På grund av vätgasens egenskaper är detonation betydligt mer sannolikt för vätgas än för kolväten.

Vätgas kan på grund av sina egenskaper även orsaka detonation, det vill säga explosion med högt tryck, utomhus. Detta beror på vätgasens reaktivitet, det vill säga höga förbränningshastighet. Dessutom orsakar ett högt tryck hos vätgasen att den frigörs i virvlar, och därmed att luft blandas med vätemolnet. Detta främjar snabb förbränning, vilket orsakar detonation tillsammans med den snabba förbränningshastigheten som är typisk för vätgas. Vid detonation framskrider flamfronten snabbare än ljudet.

Läckage med högt tryck kan i stället för en jetbrand också explodera nära läckan.  Explosionens styrka främjas av att vätgasen läcker i virvlar, vilket effektivt blandar vätgasen med den omgivande luften. En sådan explosion (jet explosion) kan ha mycket allvarliga effekter eftersom den sker nära behandlingsanordningar och lager för vätgas. En sådan olycka kan få allvarliga konsekvenser för utrustningen och till och med förstöra hela systemet.

10.3 Åtgärder vid vätgasolyckor

Vid vätebrand är det viktigaste att läckan stoppas så snabbt som möjligt, varvid branden släcks när vätetillförseln upphör. För att möjliggöra detta krävs att avstängningsventilerna placeras på säkra platser och att även fjärrstyrning möjliggörs. Ett säkert sätt är att förse avstängningsventilerna med en automatisk funktion som stänger ventilerna vid gasläckage, till exempel när trycket sjunker eller när gasdetektorerna larmar.

Vätebranden släcks inte förrän vätetillförseln upphört. Släckning av branden kan leda till att väte ansamlas och explosionsrisk. Vatten används för att kyla omgivande konstruktioner och förhindra att branden sprids.

11 Vätgas i lagstiftningen

Författningar som hör till Finlands lagstiftning och som innehåller krav på produktion och användning av väte är till exempel kemikaliesäkerhets-, ATEX-, tryckbärande anordnings-, räddnings-, miljö- och byggförfattningar. I olika lagstiftningar kan produktion och användning av vätgas förutsätta ett tillstånd av tillsynsmyndigheten.

11.1 Kemikaliesäkerhetslagstiftning

Lagen om säkerhet vid hantering av farliga kemikalier och explosiva varor (390/2005), i fortsättningen kemikaliesäkerhetslagen, ger en lagstiftningsgrund för produktion och hantering av vätgas. Syftet med lagen är att förebygga och avvärja skador på person, miljö och egendom vilka förorsakas vid tillverkning, användning, upplagring, förvaring och annan hantering av farliga kemikalier samt främja den allmänna säkerheten.

Kemikaliesäkerhetslagen tillämpas på finska statens områden. Om till exempel en vindkraftspark eller gasledning ligger inom Finlands havsgränser tillämpas kemikaliesäkerhetslagen på den. Användning och upplagring av farliga kemikalier på fartyg omfattas inte av kemikaliesäkerhetslagens tillämpningsområde, varvid TFÄ-bestämmelserna tillämpas. När det gäller tillstånd för en produktionsanläggning eller ett transportrörsystem för vätgas som placeras i den ekonomiska zonen bör verksamhetsutövaren kontakta Statsrådet.

Två förordningar som ska beaktas i produktionen och hanteringen av väte har utfärdats med stöd av kemikaliesäkerhetslagen:

• förordningen om övervakning av hanteringen och upplagringen av farliga kemikalier (685/2015), i fortsättningen övervakningsförordningen
• förordningen om säkerhetskraven vid industriell hantering och upplagring av farliga kemikalier (856/2012), i fortsättningen förordningen om säkerhetskrav.

I övervakningsförordningen fastställs verksamhetens omfattning, på basis av vilken tillståndsskyldigheterna och tillsynsmyndigheten fastställs. Dessutom innehåller övervakningsförordningen krav på bland annat driftsövervakare av kemikalier, uppgörande av en säkerhetsrapport eller ett dokument om verksamhetsprinciperna, en intern räddningsplan, myndighetsinspektioner och hantering av ändringar vid anläggningen.

Den industriella hanteringen och upplagringen av väte anses vara omfattande, om det finns minst 2 ton väte på anläggningen. Då är Tukes den övervakande myndigheten av vilken tillstånd för verksamheten söks (bild 8). Verksamhetens omfattning påverkas också av andra farliga kemikalier i anläggningen. Den slutliga omfattningen bör utredas till exempel med hjälp av KemiDigis relationstalsberäkning.

Bild 8. Ansökningsprocessen för kemikaliesäkerhetstillstånd

I förordningen om säkerhetskrav (856/2012) ställs krav på placeringen av anläggningen och placeringen av verksamheten på anläggningsområdet utifrån följderna av eventuella olyckor. Det ställs också krav på ventilation, observation och hantering av läckor, anordningarnas säkerhet och underhåll samt märkningar och beredskap inför olyckor.

11.1.1 Tillstånd för hantering och lagring av små mängder vätgas

Ur kemikaliesäkerhetslagstiftningens synvinkel anses anläggningens verksamhet vara liten om anläggningen har mindre än 2 ton vätgas. Då är räddningsverket tillsynsmyndighet. En vätgasmängd som överskrider 100 kg ska anmälas till räddningsverket. Distributionsstationerna för vätgas hanterar och lagrar oftast små mängder farliga kemikalier, och är därmed under räddningsverkets tillsyn.

Anmälan ska göras skriftligen till räddningsmyndigheten minst en månad innan hanteringen eller lagringen inleds. Anmäl alla farliga kemikalier på objektet till räddningsmyndigheten i kemikalieanmälan. Räddningsmyndigheten fattar kemikaliebeslutet på basis av anmälan, och kan i det ställa förpliktande villkor. Av anmälan ska framgå uppgifter om den verksamhetsutövare som ansvarar för hanteringen av vätgas och anläggningens läge. Till anmälan ska också bifogas

• utredning om riskerna i anslutning till hanteringen och upplagringen av väte och bedömningar av följderna av olyckor (modellering)
• säkerhetsdatablad eller motsvarande uppgifter 
• en beskrivning i stora drag om hur hanteringen och lagringen planeras ske 
• en redogörelse för brandskyddsarrangemangen, hanteringen av eventuella läckor och andra åtgärder som planerats med tanke på olyckor.
• explosionsskyddsdokument.

Dessutom kan räddningsverket begära tilläggsutredningar och kompletteringar.
Blanketten för anmälan finns på adressen https://pelastuslaitokset.fi/julkaisut/vaarallisetkemikaalit  (på finska) och kontaktuppgifter till räddningsverket på orten finns i söktjänsten på adressen www.pelastustoimi.fi.

Objektet ska i god tid be räddningsmyndigheten om en ibruktagningsinspektion innan verksamheten inleds. Vid besiktningen fästs uppmärksamhet vid en säker användning av objektet samt service och underhåll av dess konstruktioner, anordningar och utrustning, utbildning och handledning av personalen samt förebyggande av olyckor och organisering av räddningsverksamheten. Verksamheten är förenlig med räddningsmyndighetens beslut först när eventuella brister som upptäckts vid ibruktagningsinspektionen har åtgärdats.

11.1.2 Byggnadstillstånd för transportrörsystem för vätgas

Byggandet av ett transportrörsystem för vätgas kräver alltid byggnadstillstånd av Tukes.  Tillstånd ska sökas i god tid innan verksamheten inleds. En förutsättning för att tillstånd beviljas är att säkerhetskraven i kemikaliesäkerhetslagen (390/2005, 2 kap) uppfylls. I byggnadstillståndet som beviljats av Tukes ges krav på besiktningsförfaranden för transportrörsystemet.

Till ansökan om byggnadstillstånd för transportrörsystem för vätgas krävs följande uppgifter/bilagor enligt rörsystemets användningsändamål:

• Skriftlig plan för byggandet (placeringsplan)
• Rörsystemets planerade läge, kommunvis upprättade linjekartor och planritningar som anger rörsystemets längd, nominella storlek, planeringstryck, läge och områdesklassifikation samt en utredning om placeringen av tryckreducerings- och tryckstegringsstationer samt ventilstationer.
• Rörsystemets material och korrosionsskydd 
• Planeringstryck och -temperaturer 
• PI- och flödesdiagram
• Bedömning av rörsystemets betydande miljökonsekvenser och en plan för hur de ska förebyggas.
• Bedömning av olycksriskerna i anslutning till rörsystemet, tryckhöjningsstationer och tryckreduceringsstationer samt beredskap för dem i placeringsplaneringen.
• Bedömning av explosionsrisk och vid behov explosionsskyddsdokument inklusive zonklassificeringsritning, Ex-utrustningsförteckning.

Information om kemikaliesäkerhetstillstånd:
Kemikalieanläggningar | Turvallisuus- ja kemikaalivirasto (Tukes)
Kemikalieanläggningar - instruktioner och guider | Turvallisuus- ja kemikaalivirasto (Tukes)

11.2 Miljölagstiftning

I samband med vätgasprojekt ska man också kontrollera behovet av konsekvensbedömningar och tillstånd enligt miljölagstiftningen. De vanligaste av dessa är förfarandet vid miljökonsekvensbedömning (MKB) och miljötillstånd, om vilka föreskrivs i lagen om förfarandet vid miljökonsekvensbedömning (252/2017) och miljöskyddslagen (527/2014). Genomförandet av vätgasprojektet kan också förutsätta andra miljömässiga tillstånds- och anmälningsförfaranden, såsom vattenhushållningstillstånd eller bulleranmälan.

11.2.1 MKB-förfarande

Miljökonsekvensbedömning (MKB) ska göras för projekt som kan medföra betydande skadliga miljökonsekvenser. Verksamhetsutövaren ansvarar för att en MKB-bedömning och vid behov ett beslut om projektets MKB-behov görs. Den regionala NTM-centralen fungerar som kontaktmyndighet i MKB-förfarandet samt ger den projektansvariga råd och handledning i frågor som gäller MKB-bedömningen. Bestämmelser om MKB-förfarandet och behovet av det finns i MKB-lagen (MKBL 252/2017) och MKB-förordningen (277/2017).

Bild 9. MKB-förfarandets struktur

Behovet av ett MKB-förfarande för vätgasproduktion beror på om det är fråga om en integrerad produktionsanläggning inom den kemiska industrin (MKBL Bilaga 1 punkt 6 c).  Om anläggningen producerar vätgas med endast en kemisk process, såsom elektrolys, tillämpas i regel inte MKB på projektet. Om även andra kemiska eller fysikaliska processer, såsom metanproduktion kopplas till vätgasproduktionen, ska i regel en MKB göras.

Lagring av väte i flytande eller gasform förutsätter MKB-bedömning, om det i projektet används lagercisterner vars volym är sammanlagt minst 50 000 kubikmeter (MKBL Bilaga 1, punkt 8 c).
Byggandet av ett transportrörsystem för vätgas förutsätter en MKB-bedömning, om de rör som är avsedda för transport av kemikalier eller gas har en diameter på över DN 800 millimeter och är över 40 kilometer långa (MKB-lagen, bilaga 1, punkt 8 a).

MKB-förfarandet kan genom beslut av NTM-centralen förutsättas också för ett projekt som inte ingår i projektförteckningen, om det är möjligt att det medför betydande skadliga miljökonsekvenser (MKB-lagen 13 §).

I tillämpliga fall är det möjligt att kombinera förfarandet vid miljökonsekvensbedömning med ansökan om miljötillstånd.

Information om MKB-förfarandet:
Förfarandet för miljökonsekvensbedömning av projekt (MKB)
MKB-beslut (ymparisto.fi)

11.2.2 Miljötillstånd

För verksamhet som medför risk för förorening av miljön behövs tillstånd enligt miljöskyddslagen (527/2014). I miljötillståndet kontrolleras förorening genom att utfärda föreskrifter om verksamhetens omfattning, utsläppen och minskningen av dem. Målet och förutsättningen för beviljandet av tillstånd är att förhindra hälsoproblem och betydande förorening av miljön och faran för detta. 

Behovet av miljötillstånd för projektet bedöms av den regionala NTM-centralen. Behovet av miljötillstånd för anläggningar bedöms som en helhet och påverkas bland annat av vätgasens tillverkningsmetod och utgångsämnen och hur produkten används. Miljötillstånd söks hos de tillståndsmyndigheter som föreskrivs i miljöskyddslagen och miljöskyddsförordningen, det vill säga regionförvaltningsverken eller de kommunala miljövårdsmyndigheterna. I projekt om vätgasproduktion är tillståndsmyndigheten i regel regionförvaltningsverket.

Miljötillståndsprocessen varar i cirka 10–12 månader. Det är möjligt att ansöka om ett prioritetsförfarande för projekt som gäller grön energi, varvid behandlingstiden är kortare.

Figur 10. Miljötillståndsprocessen

Mer information
Allmän rådgivning om miljötillstånd: Kundservice för miljöfrågor - NTM-centralen 
Tillståndsrådgivning för förnybar energi - NTM-centralen
Information om miljötillståndsprocessen (miljo.fi)
Tillståndet söks elektroniskt i regionförvaltningens e-tjänst 

11.3 Lagstiftning om explosionsfarliga utrymmen

Vätgas är mycket explosivt och därför ska även lagstiftningen om explosionsfara beaktas när vätgas produceras, hanteras och lagras. Lagstiftningen om explosionsrisk grundar sig på två EU-direktiv; ATEX-direktivet avseende driftsförhållanden (1999/92/EG) och ATEX-utrustningsdirektivet (2014/34/EU).

Kraven i ATEX-direktivet avseende driftsförhållanden har införts i den nationella lagstiftningen i arbetarskyddslagen, kemikaliesäkerhetslagen, statsrådets förordning om förebyggande av fara som explosiv atmosfär orsakar arbetstagare (ATEX-förordningen) (576/2003) och förordningen om säkerhetskrav. Dessa innehåller krav på identifiering av explosionsfara och klassificering av områden enligt sannolikheten för explosionsrisk samt principer för upprättande av explosionsskyddsdokumentet.

ATEX-utrustningsdirektivet har implementerats i Finlands lagstiftning i lagen (1139/2016) och i förordningen om överensstämmelse med kraven för utrustning och säkerhetssystem som är avsedda för användning i explosionsfarliga omgivningar (1439/2016).

Mer information om ATEX-ärenden:
Explosionsfarliga omgivningar
ATEX - Startpaket (på finska)

11.4 Lagstiftning om tryckbärande anordningar

Vätgas flyttas och lagras under tryck. Tryckbärande anordningar och system omfattas av lagstiftningen om tryckbärande anordningar:

• lagen om tryckbärande anordningar (1144/2016)
• statsrådets förordning om tryckbärande anordningar (1548/2016)
• statsrådets förordning om enkla tryckkärl (1550/2016)
• statsrådets förordning om tryckbärande anordningars säkerhet (1549/2016)

Med tryckbärande anordning avses en behållare, ett kärl, ett rörsystem och någon annan teknisk helhet vars syfte är att skydda anordningen, och i vilken övertryck på minst 0,5 bar råder eller kan utvecklas. En tryckbärande anordning ska konstrueras och placeras samt skötas, drivas och besiktas på ett sådant sätt att den inte äventyrar någons hälsa, säkerhet eller egendom.

Förordningen om tryckbärande anordningar innehåller tekniska krav och klassificeringskrav på tryckbärande anordningar samt bestämmelser om bedömning av en tryckbärande anordnings överensstämmelse med kraven.

I förordningen om tryckbärande anordningars säkerhet behandlas bland annat registrering och placering av en tryckbärande anordning samt besiktningar av en tryckbärande anordning. Förordningen innehåller också krav på transportabla tryckbärande anordningar i anslutning till bland annat påfyllning, påfyllningsplats och besiktning. Dessa bestämmelser gäller i första hand den aktör som sköter påfyllningen av transportabla tryckbärande anordningar.

11.5 Räddningslagstiftning

Vätgas som hanteras och lagras orsakar uppenbar fara, vilket verksamhetsutövaren ska förbereda sig på. Räddningslagen (379/2011) förutsätter för sin del att verksamhetsutövaren är beredd på farorna. Syftet med beredskapen är att förbättra människors säkerhet och minska antalet olyckor. Lagen förpliktar verksamhetsutövaren att rädda människor, trygga viktiga funktioner och effektivt begränsa följderna av en olycka vid en överhängande olycka eller när en olycka har inträffat.

Enligt räddningslagen ska en räddningsplan göras upp för sådana objekt som med tanke på utrymningssäkerheten eller räddningsverksamheten är mer krävande än normalt, eller där den fara eller de skador som en eventuell olycka orsakar kan bedömas vara allvarliga.

I statsrådets förordning om räddningsväsendet (407/2011) finns en förteckning över olika typer av objekt som omfattas av skyldigheten att göra upp en räddningsplan. Ett av dessa är objekt där småskalig industriell hantering och upplagring av farliga kemikalier får idkas endast om verksamhetsutövaren gör en sådan anmälan till räddningsmyndigheten som avses i kemikaliesäkerhetslagen.

11.6 Markanvändnings- och bygglagstiftning

De viktigaste bestämmelserna om byggande är markanvändnings- och bygglagen (132/1999), markanvändnings- och byggförordningen (895/1999) samt miljöministeriets förordning om byggnaders brandsäkerhet (848/2017). I lagen föreskrivs om planläggning samt om byggande och andra åtgärder som kräver tillstånd. Tillstånd i anslutning till byggande är bygglov och åtgärdstillstånd. Den nya bygglagen (751/2023) träder i kraft den 1 januari 2025.

Bygglovet gäller byggande och utvidgning av egentliga byggnader. Konstruktioner och anläggningar som inte behöver bygglov kan kräva åtgärdstillstånd. Dessutom kan kommunen bestämma i sin byggnadsordning att byggande eller någon annan åtgärd av ringa betydelse och med ringa verkan kan utföras utan bygglov eller åtgärdstillstånd när en anmälan om saken har gjorts till kommunens byggnadstillsynsmyndighet. I fråga om tankningsstationer för vätgas torde kontakten med kommunens byggnadstillsynsmyndighet ge de tydligaste anvisningarna.

Bygglov eller åtgärdstillstånd söks hos kommunens byggnadstillsyn. Förutsättningarna för beviljande av bygglov beror på om byggplatsen är på ett detaljplanerat område eller på ett område som inte är detaljplanerat. På ett detaljplanerat område har byggplatsens lämplighet för det ändamål som ansökan gäller avgjorts i planen. I ett område som inte är detaljplanerat granskas lämpligheten separat.

Åtgärdstillstånd krävs för sådana byggnader eller anläggningar, för vilka avgörandet av tillståndsärendet inte till alla delar förutsätter sådan styrning som annars behövs vid byggandet. Sådana objekt är till exempel master, behållare eller pipor. Lagen innehåller en mycket tydlig förteckning över de åtgärder som kräver en ansökan om åtgärdstillstånd. Kommunerna har dock möjlighet att påverka kravet på åtgärdstillstånd i sina egna byggbestämmelser.

11.7 Annan lagstiftning som ska beaktas

Vid hantering och transport av vätgas ska även kraven i annan lagstiftning beaktas. Dessa är åtminstone lagen om transport av farliga ämnen (541/2023), statsrådets förordning om transport av farliga ämnen (925/2023), elsäkerhetslagen (1135/2016), statsrådets förordning om elanläggningar (1434/2016), statsrådets förordning om elektrisk utrustnings säkerhet (1437/2016), lagen om mätinstrument (707/2011), statsrådets förordning om mätinstrument (471/2014), statsrådets förordning om väsentliga krav på mätinstrument, visande av överensstämmelse med kraven och särskilda tekniska krav (1432/2016).

11.7.1 Lag om mätinstrument

I lagen om mätinstrument 707/2011 föreskrivs det om de krav som ska ställas på mätinstrument och mätmetoder och om åtgärder för att verifiera att de överensstämmer med kraven. Lagen tillämpas på typ- och certifieringsbesiktning av distributionsmätare för komprimerad gas (VJ.K.XX.YY-typgodkännandekod, certifieringsintyg). På de tekniska kraven på mätutrustning för vätgas tillämpas OIML-standarden OIML R 139 (2018) Compressed gaseous fuel measuring systems for vehicles.

Distributionsmätaren för kondenserad gas ska vara MID-godkänd och kalibrerad. MID-godkännandet görs i enlighet med mätinstrumentdirektivet 2014/32/EU.

12 Standarder och andra anvisningar som gäller vätgas

I detta avsnitt har man samlat källor för hantering och lagring av vätgas. Alla nämnda standarder finns dock inte i Tukes förteckning över godkända standarder, så genom att direkt följa dem anses kraven i lagstiftningen inte uppfyllas. Tukes rekommenderar dock att standarderna utnyttjas som stöd för planeringen och genomförandet.

Standarder

SFS 3353:2019 Palavien kemikaalien tuotantolaitos (”Produktionsanläggning för brännbara kemikalier”)
ISO 19880: 2020 Gaseous hydrogen — Fuelling stations
ISO/TR 15916:2015 Basic considerations for the safety of hydrogen systems
ISO 22734 - Hydrogen Generators
EN 17533:2020 Gaseous hydrogen. Cylinders and tubes for stationary storage
EN 17339:2020 Transportable gas cylinders. Fully wrapped carbon composite cylinders and tubes for hydrogen
EN 17127:2020 Outdoor hydrogen refuelling points dispensing gaseous hydrogen and incorporating filling protocols
ASME B31.12 Hydrogen Piping and Pipelines

Anvisningar och guider

Safety Aspects of Green Hydrogen Production on Industrial Scale

Polttokennosovellusten ja vetytankkauksen turvallisuuden varmistaminen, säädöksiä ja standardeja

Vätgasrörsystem

Hydrogen pipeline systems (eiga.eu)

Hydrogen in pipeline steels: Recent advances in characterization and embrittlement mitigation - ScienceDirect

Hydrogen Transportation - an overview | ScienceDirect Topics

Vägledning för tillståndsförfaranden och andra administrativa förfaranden för produktionsanläggningar för förnybar energi:

Vätgassidor

Publications - EIGA : European Industrial Gases Association

Hydrogen Tools (h2tools.org)

European Hydrogen Safety Panel - European Commission (europa.eu)

Suomen Kaasuyhdistys ry

Hydrogen Materials Technical Database – Sandia's Hydrogen Program

Vätgasolyckor

Hydrogen Incident Examples (h2tools.org)

Norway: Explosion at hydrogen filling station | electrive.com