Vedyn käsittelyn ja varastoinnin turvallisuus

Opas

Kuvaus: Oppaassa esitellään vedyn tuotanto-, siirto- ja jakelumuotoja ja turvallisia ratkaisuja näiden toteuttamiseen.
Kohderyhmä: Toiminnanharjoittajat
Julkaisupäivä: 23.1.2024

Sisällys

Johdanto
1 Vety kemikaalina
2 Vedyn käyttökohteet
2.1 Polttokenno
2.2 Vetypelkistys teräksen valmistuksessa
3 Vedyn tuotanto
3.1 Elektrolyysi
3.2 Höyryreformointi
3.3 Kaasutus
3.4 Osittaishapetus
3.5 Termokemiallinen veden hajotus
3.6 Vedyn puhdistus
4 Vedyn siirto
4.1 Vedyn siirtoputkisto
4.2 Vedyn siirto konteissa/trailerissa/pulloissa
5 Vedyn varastointi
5.1 Kaasumainen vety
5.2 Nestemäinen vety
5.3 Paineistettu nestemäinen vety
5.4 Hydridit
5.5 Muut vedynkantajat
6 Vetypullojen ja -konttien täyttö
7 Vedyn jakeluasemat
8 Vedyn tuotantolaitosten, varastojen ja jakeluasemien sijoittaminen
8.1 Tuotantolaitoksen sijoittamisessa huomioitavat onnettomuudet
8.1.1 Jakeluaseman sijoittamisessa huomioitavat onnettomuudet
8.1.2 Vetylaitteistojen ja toimintojen sijoittelu tuotantolaitos- ja jakeluasema-alueella
8.2 Kaavoituksen vaikutus sijoitukseen
8.3 Paineellisen vetylaitteiston sijoitussuunnitelma
9 Vedyn käsittelyn suunnittelussa huomioitavaa
9.1 Materiaalit
9.1.1 Metalliset materiaalit
9.1.2 Muut materiaalit
9.2 Yleisiä suunnitteluohjeita
9.3 Vuotojen havaitseminen ja hallinta
10 Vedyn vaarat ja vetyvuotojen seuraukset
10.1 Välitön syttymä
10.2 Viivästynyt syttymä
10.3 Toiminta vetyonnettomuustilanteessa
11 Vety lainsäädännössä
11.1 Kemikaaliturvallisuuslainsäädäntö
11.1.1 Vedyn vähäisen käsittelyn ja varastoinnin luvitus
11.1.2 Vedyn siirtoputkiston rakentamislupa
11.2 Ympäristölainsäädäntö
11.2.1 YVA-menettely
11.2.2 Ympäristölupa
11.3 Räjähdysvaarallisia tiloja koskeva lainsäädäntö
11.4 Painelaitelainsäädäntö
11.5 Pelastuslainsäädäntö
11.6 Maankäyttö- ja rakennuslainsäädäntö
11.7 Muu huomioitava lainsäädäntö
11.7.1 Mittauslaitelaki
12 Vetyä koskevat standardit ja muut ohjeistukset

Johdanto

Vetyä teollisuuskemikaalina on tuotettu ja käytetty jo pitkään, mutta uutta on vedyn käyttö liikennepolttoaineena, energiantuotantoon ja vedyn laajamittainen varastointi. Vedyn tuotanto ja käyttö lisääntyy hiilineutraalin energian tarpeen myötä kiihtyvällä vauhdilla maailmanlaajuisesti.

Suomessa edetään vedyn tuotantolaitosten, jakeluverkoston ja jakeluasemien suunnittelussa ja tämän myötä on tullut ilmi tarve kerätä yhteen menettelyitä ja linjauksia vedyn turvalliselle tuotannolle ja jakelulle. Tässä oppaassa esitellään vedyn tuotanto-, siirto- ja jakelumuotoja ja turvallisia ratkaisuja näiden toteuttamiseen.

Suomessa ei ole vedylle erillistä lainsäädäntöä, vaan vety katsotaan vaaralliseksi kemikaaliksi kuten muutkin syttyvät kaasut, mutta vedyn erityisominaisuuksien vuoksi on ilmennyt tarve linjata lainsäädännön tulkintoja sopimaan vetytalouden tarpeisiin.

Vedyn reaktiivisuuden vuoksi vetyä ei esiinny luonnossa puhtaana aineena, vaan ainoastaan yhdisteinä. Vedyn ominaisuuksista myös aiheutuvat sen aiheuttamat suurimmat riskit eli palo- ja räjähdysvaarat. Pienen atomikokonsa vuoksi vety vuotaa herkästi ja voi aiheuttaa haurastumista tunkeutuessaan materiaaliin. Reaktiivisuus puolestaan aiheuttaa sen, että vety muodostaa räjähtävän ilma-kaasuseoksen jo pienenä pitoisuutena. Syttyminen on todennäköisempää ja räjähdysten painevaikutukset ovat suurempia verrattuna muihin yleisesti käytössä oleviin palaviin yhdisteisiin.

Tämän oppaan tarkoituksena on antaa perustietoa vedystä ja sen vaaroista sekä vedyn erityisominaisuuksista huomioitavaksi vedyn tuotannossa ja käytössä. Tavoitteena on myös selkeyttää viranomaisvaatimuksia vetylaitosten ja jakeluasemien sijoituksessa, sekä esitellä turvallisuusnäkökohtia suunnittelussa huomioon otettavaksi. Opas keskittyy vedyn tuotantoon ja käyttöön, ja esim. kuljetukseen ja sen turvallisuusvaatimuksiin ei tässä oppaassa oteta kantaa.

1 Vety kemikaalina

Vety on hajuton, väritön ja erittäin helposti syttyvä kaasu. Vety ei ole myrkyllistä, eikä se suuren haihtuvuutensa takia ja ilmaa kevyempänä säily pitkiä aikoja vesiympäristössä tai aiheuta pilaantumista maaperässä tai vesistöissä. Suurina pitoisuuksina vetykaasu voi kuitenkin aiheuttaa äkillisen tukehtumisen. Vetyä voidaan hajustaa, mutta käytännössä sitä ei tehdä, koska hajusteet tulisi usein poistettavaksi epäpuhtauksina vedyn käytön yhteydessä.

Yhdistettynä hapen tai ilman kanssa ja sytytettynä, seos vapauttaa suuren määrän lämpöenergiaa. Koska vety on kevyttä, se sekoittuu hyvin ilman kanssa, mutta myös laimenee nopeasti. Nestemäisenä se tarvitsee jäähdytystä, jotta se ei kaasuuntuisi. Vedyn kiehumispiste on −253 °C.

Ilmakehän paineessa vedyn ja ilman seoksen syttymisraja on 4–75 til-%. Syttymisrajat ilmoitetaan til-%, jotka kertovat palavan aineen määrän kaasu-ilma-seoksessa. Pitoisuudet ilmoitetaan normaalipaineessa ja 20 °C lämpötilassa. Syttymisrajan alapuolella seos on liian laihaa syttyäkseen ja yläpuolella liian rikasta.

Vedyn vaatima syttymisenergia on pieni (0,017 mJ) eli se syttyy pienestäkin kipinästä. Matalin itsesyttymisenergia saavutetaan 30 til-% seoksella. Vedyn itsesyttymislämpötila on 560 °C. Korkeapaineinen vety voi sopivasti purkautuessaan syttyä itsestään, koska se voi saavuttaa tuon lämpötilan.

Vety on ns. epäsuora kasvihuonekaasu. Vety reagoi erittäin herkästi ilmakehässä esiintyvien hydroksyyli-radikaalien (OH) kanssa. Hydroksyyliradikaalien väheneminen ilmakehässä vaikuttaa esimerkiksi metaanin pysyvyyteen. Toinen seuraus vedyn reagoinnista hydroksyyliradikaalien kanssa on se, että reaktiotuotteena syntyvä protoni (H) reagoi ilmakehän hapen kanssa muodostaen peroksidiradikaalin (HO2), joka johtaa typpioksidien (NOx) määrän kasvuun ilmakehässä. Vedyn karkaaminen ilmaan siis nostaa ilmakehän metaani- ja typen oksidipitoisuutta ja sitä kautta vaikuttaa ilmaston lämpenemiseen.

Vedyn molekyylikoko on erittäin pieni, mikä mahdollistaa sen tunkeutumisen pienistäkin raoista. Tämä lisää mahdollisuuksia vedyn vuodoille liitoksista, mikä kasvattaa räjähdysvaaran esiintymisen todennäköisyyttä. Samasta syystä vety voi tunkeutua materiaaleihin aiheuttaen vetyhaurastumista. Tämä tapahtuu vedyn diffundoituessa materiaaliin muodostaen kuplia. Kuplien paine materiaalin rakenteeseen heikentää sen lujuutta.

Vetyä ja maakaasua tullaan jatkossa mahdollisesti käyttämään vaihtoehtoisina polttoaineina, joten on oleellista tunnistaa ko. kemikaalien erot. Alla olevassa taulukossa (Taulukko 1.) esitetään vedyn ja maakaasun (CH4) ominaisuuksia ja niiden eroja.

Ominaisuus Vety (H2) Maakaasu (CH4) Vety on
Moolimassa [g/mol] 2,02 16,04 selkeästi kevyempi
Tiheys (20 °C; 1,013 bar) [kg/m3] 0,08375 0,72 selkeästi kevyempi
Noste ilman suhteen 14 kertaa kevyempi kevyempi selkeästi kevyempi
Molekyylikoko     selkeästi pienempi
Diffuusiovakio ilmassa NTP [cm2/s] 0,61 0,16 nopeammin ilmaan sekoittuva
Sulamis- tai jäätymispiste [°C] -259 -182 -
Kiehumispiste [°C] -253 -162 -
Minimi syttymisenergia ilmassa [mJ] 0,017 0,3 selkeästi helpommin syttyvä
Laminaarinen palamisnopeus [m/s] 2,7 0,4 huomattavasti
reaktiivisempi
Itsesyttymispiste [°C] 560 650 -
Syttymisalue, pitoisuus ilmassa [til-%] 4-75 5-17 syttymisalueeltaan selkeästi laajempi
Vaaraluokitus erittäin helposti syttyvä kaasu erittäin helposti syttyvä kaasu vaaraluokitukseltaan sama kuin maakaasu
Räjähdysalue [til-%] 18-59  6-14 räjähdysalueeltaan selkeästi laajempi
Lämpöarvo (Lower heating value) [MJ/kg] 120 49 lämpöarvoltaan suurempi
Detonaation käynnistymisenergia [g TNT] 1 1000 huomattavasti alttiimpi detonaatiolle
Olomuoto väritön ja hajuton kaasu väritön ja hajuton kaasu heikommin havaittavissa
Muita ominaisuuksia väritön, huonosti näkyvä liekki liekki näkyvä, yleensä sinertävä heikommin havaittavissa
Hajustus ei hajusteta voimakas, lisätty hajuaine heikommin havaittavissa

Taulukko 1. Vedyn ja maakaasun ominaisuuksien vertailu

2 Vedyn käyttökohteet

Vetyä voidaan käyttää polttoaineena polttomoottoreissa tai polttokennoissa tai sitä voidaan käyttää energian kantajana.

Suurimpia vedyn käyttökohteita ovat metaanin tai ammoniakin valmistus (Haber-Bosch prosessi), erilaisten muiden kemikaalien valmistus ja fossiilisten polttoaineiden valmistus ja jalostus (vetykrakkaus). Lisäksi vetyä käytetään mm. lasin ja elektroniikan valmistuksessa, sekä jäähdytysaineena. Vedyn avulla voidaan myös valmistaa fossiilivapaata terästä, kun rautamalmirikaste pelkistetään vedyllä.

2.1 Polttokenno

Vetyä voidaan muuttaa sähköksi polttokennoissa. Polttokennoja käytetään esimerkiksi kiinteinä sähkönlähteinä tai liikennevälineissä tuottamaan sähköä sähkömoottorille. Polttokennojen etuna on päästöttömyys ja luotettavuus esimerkiksi sähkökatkojen aikana.

Polttokennossa tapahtuva reaktio H2 + ½O2 --> H2O + e- vaatii tapahtuakseen katalyytin. Tyypillisesti katalyyttinä käytetään platinaa. Katalyytin korkea hinta nostaa polttokennon kustannuksia merkittävästi.

2.2 Vetypelkistys teräksen valmistuksessa

Vetyä voidaan käyttää teräksen valmistuksessa. Kuilu-uuniteknologiassa 950-asteiseen uuniin laitetaan rautaoksidipellettejä. Alhaalta uuniin syötetään vetykaasua, joka reagoi malmipelleteissä hapen kanssa ja muodostaa vesihöyryä. Uunista tulee tuotteena ulos niin sanottua rautasientä. Pelletit säilyttävät uunissa muotonsa, mutta ne ovat poistuneen hapen jäljiltä huokoisia.

3 Vedyn tuotanto

Vety ei esiinny normaalioloissa vetymolekyylinä, vaan on sitoutuneena yhdisteisiin, kuten veteen ja hiilivetyihin. Tämän vuoksi vedyn käyttöä varten se tulee jollain tavalla erottaa näistä yhdisteistä. Vedyn tuotanto on siten aina energiaa kuluttava prosessi.

Vedyn erotus- tai tuotantomenetelmiä on useita. Tämän oppaan ilmestyessä yleisin vedyntuotantomenetelmä maailmanlaajuisesti on höyryreformointi. Höyryreformoinnissa vetyä tuotetaan pääasiassa fossiilisesta maakaasusta. Vedyn tuotannossa ollaan kuitenkin siirtymässä yhä enemmän uusiutuvan vedyn tuotantoon. Suomessakin suunniteltuja tai toteutuksessa olevia hankkeita on jo paljon. Uusiutuvan eli ns. vihreän vedyn tuotannossa merkittävin teknologia on veden hajotus elektrolyysillä käyttäen uusiutuvalla energialla tuotettua sähköä. 

3.1 Elektrolyysi

Elektrolyysissä veden vety ja happi erotetaan toisistaan sähkökemiallisesti. Prosessi kuluttaa paljon sähköä, tyypillisesti kertaluokkaa 55 kWh/kg vetyä. Prosessissa käytetystä sähköenergiasta n. 30 % muuttuu lämmöksi. Veden elektrolyysissä syntyvää happea voidaan käyttää hyödyksi muissa teollisissa prosesseissa.

Elektrolyysereitä on erityyppisiä ja ne toimivat toisistaan poikkeavilla tavoilla, esim. alkalielektrolyysi, protoninvaihtomembraani elektrolyysi (PEM), sekä kiinteäoksidi elektrolyysi (SOEC) (Kuva 1.). Näistä yleisin ja pisimpään käytössä ollut tekniikka on alkalielektrolyysi.

Kaavio elektrolyysikennojen toiminnasta, toimintaperiaatteet kuvattu tekstissä kuvan jälkeen.

Kuva 1. Elektrolyysikennojen toimintaperiaatteet 

 

Alkalielektrolyysissä käytetään elektrolyysiliuoksena emäksistä liuosta, tyypillisesti kaliumhydroksidia. Metallielektrodien välissä on huokoinen kalvo, jonka tarkoitus on estää tuotekaasujen, vedyn ja hapen, sekoittuminen. Vesimolekyyli hajoaa katodilla vedyksi ja hydroksidi-ioniksi. Hydroksidi-ioni kulkee kalvon läpi anodille, jossa kaksi hydroksidi-ionia reagoi muodostaen happea ja vettä. Alkalikennon käyttölämpötila on tyypillisesti 70-95 °C ja käyttöpaine 1-30 bar.

Protoninvaihtomembraanielektrolyysissä elektrolyyttinä käytetään kiinteää erikoismuovista valmistettua protoneja johtavaa kalvoa. Samoin kuin alkalielektrolyyserissä, kalvo erottaa syntyvät tuotekaasut toisistaan. Anodi ja katodi puristetaan kalvoa vasten, tai ne ovat integroitu kalvoon, jolloin muodostuu elektrodikokoonpano. Anodilla vesi hajoaa hapeksi ja protoneiksi (H+), jotka liikkuvat kalvon läpi katodille. Katodilla protonit reagoivat elektronien kanssa muodostaen vetykaasua. PEM-kennon käyttölämpötila on tyypillisesti 50-80 °C ja käyttöpaine 1-35 bar. PEM-elektrolyysissä syntynyt vety on yleensä hyvin puhdasta (99,99%) ilman erillistä puhdistamista.

Kiinteäoksidi elektrolyysikennossa (SOEC) huokoisten elektrodien välissä on kiinteä ioninen sähköä johtava elektrolyytti. Katodilla vesi yhdistyy ulkoisesta piiristä peräisin olevien elektronien kanssa muodostaen vetykaasua ja negatiivisesti varautuneita happi-ioneja. Happi-ionit kulkeutuvat kiinteän keraamisen elektrolyyttikalvon läpi ja reagoivat anodilla muodostaen happikaasua ja elektroneja ulkoiseen piiriin. SOEC-kenno vaatii korkean käyttölämpötilan, tyypillisesti 650-850 °C. SOEC-kennon paineistaminen on erittäin haastavaa, ja sen johdosta SOEC-kennon käyttöpaine on lähellä vallitsevaa ilmanpainetta.

Alkali- ja PEM-elektrolyysereiden suunnittelussa ja operoinnissa on huomioitava ja estettävä luotettavasti tuotekaasujen, hapen ja vedyn, liiallinen sekoittuminen ja syttymiskelpoisten kaasuseosten syntyminen elektrolyyserilaitteistossa tai muissa tuotekaasujen käsittelylaitteissa ja kaasuvarastoissa. Tuotekaasujen sekoittumisen määrä riippuu elektrolyyserilaitteiston suunnittelusta ja voi tapahtua esim. liian suuresta paine-erosta elektrolyyserikennon erotuskalvon yli, erotuskalvon vahingoittumisesta väärien olosuhteiden vuoksi tai liian matalasta nestepinnasta elektrolyyserilaitteiston neste-kaasuerottimissa.

3.2 Höyryreformointi

Höyryreformoinnissa käytettäviä raaka-aineita ovat yleisimmin käytetyn maakaasun lisäksi metanoli, kevyemmät hiilivedyt sekä muut happipitoiset hiilivedyt. Höyryreformointi aloitetaan poistamalla maakaasusta rikkiyhdisteet. Reformointiprosessi sisältää kaksi vaihetta; ensimmäisessä hiilivety sekoitetaan höyryn kanssa ja syötetään putkimaiseen katalyyttiseen reaktoriin. Prosessissa syntyy vety-hiilimonoksidi-kaasuseos sekä pienempi pitoisuus hiilidioksidikaasua.

Toisessa vaiheessa, vesikaasun siirtoreaktiossa (water gas shift), hiilimonoksidi ja vesihöyry reagoivat katalyytin vaikutuksesta, jolloin muodostuu hiilidioksidia sekä enemmän vetyä. Lopuksi valmistetusta vedystä erotetaan hiilidioksidi ja muut epäpuhtaudet PSA-yksikössä (pressure-swing adsorption).

3.3 Kaasutus

Kaasutus on prosessi, jossa palavaa materiaalia osittain hapetetaan ja kuumennetaan. Tuotteena saadaan synteesikaasua. Toisin kuin useimmat polttopohjaiset prosessit, kaasutusprosessit toimivat ilman ylimääräistä happea. Näin varmistetaan lähtöaineen lähes täydellinen muuntautuminen synteesikaasuksi. Kaasutusta käytetään vedyn valmistamiseksi kivihiilestä.

Prosessi alkaa sekoittamalla hiilipitoista materiaalia (biomassa, kivihiili) ja happea, joka lämmitetään jopa 1800 asteeseen, jolloin hiili kaasuuntuu. Synteesikaasu jäähdytetään ja se puhdistetaan epäpuhtauksista siten, että jäljelle jää vedyn lisäksi vain hiilimonoksidi ja -dioksidi. Puhdistettu synteesikaasu siirretään shift-reaktoriin, jossa siihen sekoitetaan höyryä. Reaktiossa hiilimonoksidi hapettuu hiilidioksidiksi. Synteesikaasu sisältää tämän vaiheen jälkeen pääasiassa vetyä ja hiilidioksidia, jotka erotetaan toisistaan. 

3.4 Osittaishapetus

Osittaishapetus toimii kaasutuksen tavoin pienemmällä happimäärällä, kuin mitä stoikiometrisesti tarvitaan täyteen palamiseen. Osittaishapetuksella vetyä voidaan valmistaa raskasöljystä, metaanista tai biokaasusta. Pääasiallisena hapettajana käytetään puhdasta happea. Osittaishapetus voidaan tehdä katalyytin avulla tai ilman sitä.

Osittaishapetus ilman katalyyttiä tapahtuu korkeassa lämpötilassa, yleensä noin 1300–1500 asteessa, paineen ollessa 30–80 bar. Raakamateriaali kaasutetaan hapen kanssa, jolloin syntyy vetyä, hiilimonoksidia, hiilidioksidia, vettä ja metaania. Synteesikaasussa esiintyy myös rikkiyhdisteitä ja sivutuotteena syntyy nokea. Katalyytin avulla käytettävää lämpötilaa voidaan laskea. Tällöin reaktio saadaan tapahtumaan 700–1000 asteessa.

3.5 Termokemiallinen veden hajotus

Termokemiallista veden hajotusta pidetään vahvana ehdokkaana pitkän aikavälin sekä suuremman mittakaavan teknologiana vedyn valmistukseen. Menetelmä perustuu toistuviin kemiallisten reaktioiden sarjoihin. Näissä käytetään välireaktioita sekä kemikaaleja, jotka kiertävät prosessissa siten, että kokonaisreaktiot ovat tasapainossa. Termokemiallinen veden hajotus voi tapahtua pelkän lämpöenergian avulla tai voidaan käyttää toista ulkoista energialähdettä, jolloin sitä kutsutaan hybridi-termokemialliseksi veden hajotukseksi. 

3.6 Vedyn puhdistus

Kun vetyä käytetään polttoaineena, vedylle asetetaan tiettyjä laatuvaatimuksia. Kansainvälisissä standardeissa (esim. ISO 14687) on määritelty laaja listaus epäpuhtauksista vedyssä ja niiden suurimmista sallituista pitoisuuksista eri käyttötarkoituksissa. Kaasumaisen vedyn puhdistusprosessissa vetykaasusta poistetaan epäpuhtauksina esim. vettä, happea, hiilimonoksidia tai muita kaasuja. Epäpuhtaudet, kuten vesihöyry ja hiilimonoksidi, häiritsevät polttokennon toimintaa ja vastaavasti happi ja typpi heikentävät järjestelmän tehokkuutta.

Vedyn puhdistukseen yleisesti käytettyjä menetelmiä ovat mm.

  • Painevaihteluabsorptio (PSA) on yksi yleisimmin käytetyistä puhdistusmenetelmistä. PSA-yksikkö sisältää tietyllä materiaalilla täytetyn säiliön. Vetykaasun virratessa säiliön läpi epäpuhtaudet absorboituvat säiliön sisällä olevaan materiaaliin ja lopputuloksena saadaan puhdasta vetykaasua.
  • Membraanierotuksessa käytetään tyypillisesti palladiumkalvoa vedyn puhdistamiseen epäpuhtauksista. Kalvo läpäisee vetyä, joka virtaa membraanin läpi paine-eron vaikutuksesta. Epäpuhtaudet eivät läpäise kalvoa ja puhdistettu vetykaasu kerätään kalvon toiselle puolelle. 
  • Sähkökemiallisessa erotuksessa vety puhdistetaan hapettamalla vetyatomit protonijohtavan membraanin toisella puolella protoneiksi ja pelkistämällä kalvon läpi kulkeneet protonit takaisin vetyatomeiksi. Tätä erotusprosessia edistetään sähkökemiallisesti hyödyntämällä palladiumilla tai platinalla tai niiden seoksella päällystettyjen kalvojen katalyyttisiä ominaisuuksia. Nämä puhdistimet ovat erittäin kompakteja.
  • Kryogeenisessa tislauksessa käytetään tislauskolonnia, joka erottaa epäpuhtaudet vetykaasusta niiden kiehumispisteiden perusteella. Puhdistettu vetykaasu kerätään kolonnin yläosaan, kun taas epäpuhtaudet jäävät pohjalle. 

4 Vedyn siirto

Tuotetun vedyn varastoinnin ja kuljetuksen tarpeeseen vaikuttaa esimerkiksi se, tapahtuuko tuotanto suurissa keskitetyissä laitoksissa vai kapasiteetiltaan pienemmissä, lähellä käyttökohdetta (esimerkiksi tankkausasemaa) olevissa paikallisissa laitoksissa. Keskitetyissä laitoksissa tuotetun vedyn siirtomatkat voivat olla pitkiä ja siirrettävät määrät suuria. Monesti tarvitaan myös vedyn varastointikapasiteettia tasaamaan kulutus- ja tuotantovaihteluja. Paikallisesti tuotetun vedyn etuna on kuljetustarpeen vähäisyys.

4.1 Vedyn siirtoputkisto

Vedyn siirtoputkistosta puhutaan, kun putkisto kulkee tuotantolaitosten ulkopuolella. Tuotantolaitoksen alueella tuotantolaitoksen toiminnanharjoittaja vastaa putkistosta, mutta siirtoputkistolle on haettava erikseen Tukesilta rakentamislupa. Siirtoputkistolle tulee nimetä putkiston vastuuhenkilö, joka huolehtii siitä, että putkistoa käytettäessä toimitaan säädösten ja rakentamislupaehtojen, sekä toiminnanharjoittajan laatiminen toimintaperiaatteiden mukaisesti. Laitosalueen ulkopuolella kulkeva vedyn siirtoputkisto ei kuulu painelaitedirektiivin (PED) soveltamisalaan.

Siirtoputkisto voi kulkea esim. maalla, meren pohjassa tai ilmassa putkisillalla ja sen paine voi vaihdella muutamasta baarista kymmeniin baareihin. Lainsäädännössä vedylle ei ole määritelty jakeluputkistotermiä eli kaikki laitosalueiden ulkopuoliset putkistot ovat siirtoputkistoja.

Kaikki laitosalueiden ulkopuoliset vetyputkistot ovat siirtoputkistoja

Putkistoista osa kuuluu painelaitedirektiivin soveltamisalaan.

Kuva 2. Tuotantolaitoksen alueella ja ulkopuolella kulkevien putkistojen määritelmät

 

Vedyn siirtoputkiston tarkastaa Tukesin hyväksymä kansallinen tarkastuslaitos ennen putkiston käyttöönottoa ja sen jälkeen määräajoin. Sopiva tarkastusväli vedyn siirtoputkistolle on 5 vuotta. Tukes voi myöntää toiminnanharjoittajalle luvan valvoa putkistonsa kuntoa itse tarkastuslaitoksen sijaan. Tämä edellyttää, että toiminnanharjoittajan oma tarkastusjärjestelmä vastaa määräaikaistarkastusten turvallisuustasoa.

Vedyn siirtoputkistossa vältetään liian lujien teräslaatujen käyttöä, koska ne ovat alttiimpia vetyhauraudelle. Kokemusten perusteella lujuusluokaltaan soveltuvia teräslaatuja ovat esim. SFS-EN ISO 3183 L360 tai API 5L Grade X52 tai lujuudeltaan alhaisemmat teräslaadut. Näillä hiiliteräslaaduilla on suhteellisen alhainen myötölujuus, mikä antaa kestävyyttä vetyhaurautta ja muita haurasmurtumamekanismeja vastaan.

Vetyputkistoissa pyritään minimoimaan saumojen määrä, koska saumat ovat tyypillisimpiä vuotokohtia. Yksittäiset putket valmistetaan ensisijaisesti saumattomina. Joissain tilanteissa saumoja on kuitenkin käytettävä ja yksittäiset putket liitetään toisiinsa hitsaamalla. Vedyn siirtoputkistoissa liitosten tulee olla ensisijaisesti hitsattuja (kierre- ja laippaliitosten sijaan) mahdollisten vuotokohtien minimoimiseksi.  Maanalaisissa putkistoissa liitosten tulee olla hitsattuja. Sekä putkiston valmistuksessa että asennuksessa tehdyistä hitsaussaumoista tarkastetaan volumetrisesti (RT/UT) 100 %.

4.2 Vedyn siirto konteissa/trailerissa/pulloissa

Kaasumaista ja nestemäistä vetyä voidaan kuljettaa rekoilla, junilla ja laivoilla. Kaasumaista vetyä voidaan siirtää ja varastoida kaasumaisena kaasupullokonteissa (MEK-kontti) tai putkiperävaunuissa. Säiliöiden paine on tyypillisesti 180-640 bar. Rekkakuljetuksissa perävaunuun lastattavan vedyn määrä riippuu käytettävästä säiliötyypistä. Esimerkiksi kaasupulloja käytettäessä vedyn määrä voi olla 380-900 kg ja putkiperävaunun tyypillinen vedyn kuljetusmäärä on 400 kg. Suuremmat määrät vaativat kevyemmät komposiittisäiliöt. Nestemäisen vedyn kuljetus vaatii kryogeenisen säiliön. Nestemäistä vetyä voidaan siirtää säiliössä kerrallaan 300-4000 kg.

5 Vedyn varastointi

Vedyn varastointi on haasteellista sen ominaisuuksien vuoksi. Normaalioloissa vety on kaasumainen ja sen energiatiheys on ainoastaan 3 Wh/l. Normaalissa ilmanpaineessa ja lämpötilassa 1 kg vetykaasua vaatii 11 m3:n varastointitilavuuden.  Tästä syystä vedyn varastointi suuressa mittakaavassa vaatii suuren varastointitiheyden ollakseen kannattavaa. Vedyn varastointimuodot voidaan jakaa fysikaalisiin ja kemiallisiin varastoihin.

Fysikaalisia varastointimuotoja ovat puristettu kaasu, nesteytetty vety, paineistettu nestemäinen vety ja vetysohjo. Vetysohjo on sekoitus nestemäistä ja kiinteää vetyä vedyn kolmoispisteessä (lämpötila -259,35ºC ja paine 0,0704 bar). Vetysohjoa käytetään lähinnä avaruusalusten polttoaineen varastoinnissa, joten sitä ei käsitellä tässä oppaassa tarkemmin.

Vedyn kemiallisia varastointimuotoja ovat erilaiset hydridit (metalli-, kompleksi-, kemiallinen ja siirtymämetallikompleksit), adsorptio, nestemäiset orgaaniset kantajat (esim. bentseeni/sykloheksaani, sykloheptatrieeni/sykloheptaani), reformoidut orgaaniset polttoaineet (esim. metaani, ammoniakki). Sopivin varastointimuoto riippuu siitä, mihin vetyä aiotaan käyttää eli millaisia vaatimuksia on vedyn kuljetukselle, puhtaudelle, varastointikapasiteetille, varastointiajalle, ja sille kuinka nopeasti vety halutaan saada käyttöön.

5.1 Kaasumainen vety

Vetyä varastoidaan useimmiten paineistettuna kaasuna. Tyypillinen varastointipaine on 200-700 baaria. Kaasumaisen vedyn säiliöt ovat painelaitteita ja niitä koskee painelaitelainsäädäntö. 

Paineistetun vedyn säiliö koostuu yleensä kolmesta kerroksesta. Sisin kerros on vetytiivis ja se voi olla valmistettu metallista, tiivistä kestomuovista tai pinnoitetusta komposiittimateriaalista. Sisäkerroksen ulkopuolella on paineen kestävä kerros, joka toimii usein myös lämpöä eristävänä kerroksena. Ulkokuori voi olla tehty metallista tai hiilikuidusta.

Vetysäiliöt ja pullot jaetaan neljään eri tyyppiin:

  • Tyypin I säiliöt ovat täysin metallisia, yleensä teräksestä tai alumiinista tehtyjä. Tyypin I säiliössä ei ole erillistä ulkokuorta, joten sen valmistus on suhteellisen yksinkertaista. Yksinkertainen rakenne tekee tyypin I säiliöistä myös suhteellisen edullisia valmistaa.  Metallisten säiliöiden maksimipaine on noin 200 bar. Tyypin I säiliöt ovat painavia ja soveltuvat lähinnä teollisuuteen tai muuhun kiinteään käyttökohteeseen.
  • Tyypin II säiliöt ovat tyypillisesti alumiinisylintereitä, joiden ulkopuolelle on kierretty lasikuidusta, aromaattisesta polyamidista tai hiilikuidusta valmistettuja säikeitä. Säikeiden tarkoituksena on vahvistaa seinämän rakennetta, jolloin sisäkuori voidaan tehdä ohuemmasta metallikerroksesta. Tämä pienentää säiliön painoa. Tyypin II säiliöiden maksimipaineet ovat alumiini-lasikuiturakenteelle n. 260 bar ja teräs-hiilikuiturakenteelle 300 bar.
  • Tyypin III vetysäiliöt valmistetaan komposiittimateriaalista kuten lasikuidusta ja aromaattisesta polymeeristä tai hiilikuidusta. Säiliön sisällä on hyvin ohut alumiininen tai teräksinen pinnoitus. Säiliön paineenkestävyys perustuu täysin ulkokuoren materiaaliin. Tyypin III säiliöiden maksimipaineet ovat alumiini-lasikuiturakenteelle n. 300 bar, alumiini-aromaattinen polymeeri- rakenteelle n. 430 bar ja teräs-hiilikuiturakenteelle 700 bar.
  • Tyypin IV vetysäiliöiden sisäkerros valmistetaan pinnoitetusta komposiittimateriaalista. Ulkokuori tehdään hiilikuidun ja kestomuovin sekoituksesta, sisäpinnassa on tyypillisesti polymeerikerros (liner).  Tyypin IV säiliöt ovat noin 70 % kevyempiä kuin tyypin I säiliöt. Tyypin IV säiliöitä käytetään erityisesti liikkuvissa ja lentoteknisissä sovelluksissa, joissa säiliön pieni paino on erityisen tärkeää. Tyypin IV säiliöiden valmistus on paljon kalliimpaa kuin muiden säiliötyyppien.

Säiliöt voidaan varastoida maanpäällisinä tai maapeitteisinä. Suojaamattomat maanpäälliset säiliöt altistuvat sääilmiöille, fyysisille vaurioille ja vaativat tilaa. Vetysäiliöiden sääsuojauksessa tulee huomioida, että vety ei saa vuototilanteessa kertyä katoksen alle. Maapeitteiset säiliöt ovat hankalia tarkastaa ja alttiita korroosiolle, myös vuotojen havainnointi maapeitteisistä säiliöistä on vaikeaa.

5.2 Nestemäinen vety

Nestemäistä vetyä käytetään avaruustekniikassa sekä erityisesti suuren vetymäärän varastoinnissa. Nestemäistä vetyä käytetään myös joissakin liikkuvissa ja lentokoneteknisissä sovelluksissa.

Nestemäisen vedyn varastoinnin etuja ovat tilansäästö, vedyn korkea puhtausaste sekä mahdollisuus matalapaineiseen varastointiin. Nestemäistä vetyä varastoidaan tyypillisesti alle 5 bar paineessa. Nestemäisen vedyn varastoinnin huonoja puolia ovat korkea energiankulutus, nestemäisen vedyn höyrystymisen (boil-off) aiheuttamat vetypäästöt ilmakehään sekä erityisvaatimukset säiliömateriaalille. Vedyn nesteytys vaatii monimutkaisen laitteiston sisältäen komprimoinnin, jäähdytyksen ja kaasun kierrätyksen.

Nestemäisen vedyn varastosäiliön ja siihen liittyvien laitteistojen (putket, venttiilit…) tulee kestää suurta lämpötilaeroa (nestemäinen vety -253 C, ympäristö voi olla +30 C) sekä lämpötilaeroista johtuvaa lämpölaajenemista ja -supistumista. Nestemäisen vedyn alhainen lämpötila haurastuttaa monia materiaaleja ja vetymolekyylin pienen koon vuoksi se läpäisee helposti monia materiaaleja. Lisäksi jäänmuodostusta tulee välttää, koska se lisää materiaalien haurastumista. Nestemäinen vety ei aiheuta korroosiota.

Merkittävä haaste ja riskitekijä nestemäisen vedyn varastoinnissa on ns. boil-off ilmiö eli nestemäisen vedyn höyrystyminen. Höyrystyminen aiheuttaa systeemille kahdenlaista häviötä; vedyn nesteytykseen käytetty energia menee hukkaan ja höyrystynyttä vetyä pääsee ilmakehään hönkäputken kautta.

Höyrystyminen voi tapahtua monen eri mekanismin kautta ja sen määrä korreloi suoraan säiliön koon, muodon, eristyksen ja vedylle ominaisten isomeerimuotojen suhteen. Höyrystymisilmiön voi aiheuttaa vedyn isomeerien keskinäinen vaihtelu, lämmönsiirto ympäristöstä, säiliön sisällä tapahtuvan vedyn loiskumisen aiheuttama lämmönnousu sekä nestemäisen ja kaasumaisen vedyn kerrostumisen aiheuttaman paine-eron vuoksi. Paine-ero voi syntyä myös, kun kylmää nestemäistä vetyä täytetään säiliöön, jolloin kyllästyspaine voi nousta yli säiliön maksimikäyttöpaineen.

Höyrystymistä ei voi kokonaan estää, mutta tehokkaalla säiliöratkaisulla höyrystyminen voidaan rajoittaa 0,1 % päivässä. Höyrystymisen takia maantiekuljetuksissa nestemäisen vedyn kuljetussäiliön täyttömäärä saa olla enintään 85 % maksimitilavuudesta. Nestemäistä vetyä varastoitaessa on huomioitava myös BLEVE-ilmiön (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) mahdollisuus.

Nestemäinen vety varastoidaan kaksoisvaipallisessa, tyhjiöeristetyssä säiliössä. Tyhjiön lisäksi sisä- ja ulkosäiliön väliin asennetaan monikerroksisia eristeitä esimerkiksi lasikuitua, alumiinikalvoja ja polymeerilevyjä. Sisempi säiliö on yleensä valmistettu austeniittisesta ruostumattomasta teräksestä ja ulkosäiliö yleensä ferriittisestä teräksestä.

Höyrystymisilmiön vuoksi säiliö on varustettava varoventtiilillä ja höyrystymisjärjestelmällä. Säiliön seinämän lommot voivat aiheuttaa tyhjiön häviämisen ja sitä kautta lämpötilan ja paineen nousun säiliössä. Nestemäisen vedyn säiliö tulisi siis varustaa törmäysesteillä. Myös jään muodostusta säiliön varusteisiin (esim. venttiilit) tulisi välttää, koska se voi aiheuttaa varusteiden toimintahäiriöitä.

Nestemäisen vedyn lastauksessa ja säiliön täytössä putket tulee puhdistaa inertillä kaasulla (helium tai typpi) syttyvän ilma-vetyseoksen ehkäisemiseksi. Vedyn syttymisalue 1 bar paineessa ja 25 C:een lämpötilassa on välillä 4 - 75 tilavuus-%. Vedyn minimisyttymisenergia on hyvin alhainen verrattuna muihin polttoaineisiin (0,017 mJ) ja sillä on matala sähkönjohtavuuskyky, mikä voi johtaa staattisen sähkön syntymiseen ja palon aiheuttavaan kipinään esimerkiksi putkivirtauksissa. Näistä syistä syttymislähteiden eristäminen ja maadoitukset vedyn käsittelypaikoilla on tärkeää.

Ongelmana nestemäisen vedyn laitteistoissa on hapen ja ilman tiivistyminen pinnoille. Nestemäistä vetyä varastoitaessa on huomioitava myös, että faasinmuutoksessa nestemäisestä vedystä kaasumaiseksi vedyn tilavuus kasvaa n. 800 kertaiseksi.

5.3 Paineistettu nestemäinen vety

Paineistettu nestemäinen vety varastoidaan vedyn kriittistä pistettä korkeammassa paineessa. Paineistetun nestemäisen vedyn etuna on korkea varastointitiheys (=vähäisempi tilan tarve) ja se, että varastoinnissa ei tapahdu faasinmuutosta (höyrystyminen) ja paineennousu on hitaampaa kuin nesteytetyllä vedyllä. Lisäksi höyrystymishäviöitä on vähemmän kuin nesteytetyssä vedyssä. Paineistetun nestemäisen vedyn varastoinnin huonoja puolia ovat korkea energian tarve (puristus ja jäähdytys), haasteet varastointimateriaalille (kylmän- ja paineenkesto) sekä se, että ympäristön lämpötilan muutos voi johtaa höyrystymiseen herkemmin kuin nestemäisellä vedyllä. Tällöin vetyä karkaa varastosta paineenalennusventtiilin kautta.

5.4 Hydridit

Vetyä voidaan varastoida metalli-, kompleksi-, siirtymämetalli- sekä kemiallisina hydrideinä. Hydridien etuna on suhteellisen matala lämpötila-alue, varastoinnin turvallisuus ja stabiilius. Huonoja puolia ovat varastointikapasiteetti, rajoitettu reversibiliteetti hydridin muodostuksen ja hajottamisen välillä, sekä lämmön hallinta. Hydridit vaativat lämpöä vedyn irrottamiseen. Lisäksi hydrideissa on termodynaamisia ja kineettisiä rajoitteita vedyn varastoinnille ja vapauttamiselle ja hydrausreaktioissa voi muodostua syttyviä sivutuotteita.

5.5 Muut vedynkantajat

Edellä mainittujen lisäksi vetyä voidaan varastoida orgaanisissa vedynkantajissa, adsorboituna tai ns. reformoiduissa polttoaineissa.

Orgaaniset vedynkantajat ovat nesteitä, jotka voivat varastoida vetyä reversiibelisti. Esimerkkejä tällaisista nesteistä ovat bentseeni/sykloheksaani ja sykloheptatrieeni/sykloheptaani. Nestemäisissä, orgaanisissa vedynkantajissa vedyn varastointi tapahtuu huoneen lämpötilassa ja paineessa. Sen sijaan vedyn sitominen ja irrottaminen vaatii 200-350 C lämpötilan. Orgaanisten vedynkantajien huonona puolena on matala vedyn varastointitiheys sekä suuri energiatarve vedyn vapautukseen ja kantaja-aineen puhdistustarve.

Adsorboitu vety varastoidaan sitomalla se fysikaalisesti suuren pinta-alan omaavaan materiaaliin.

Reformoituja polttoaineita ovat mm. metanoli ja ammoniakki. Näiden ongelmana on, että ne vaativat usein hiililähteen. Ammoniakkia pidetään lupaavana vedyn kantajana, mutta sen haasteena ovat korkea energiantarve synteesin aikana, ammoniakin myrkyllisyys ja poltossa syntyvät typen oksidit.

Orgaanisia nesteitä ja reformoituja polttoaineita on käsitelty Tukesin oppaassa Vaarallisten kemikaalien varastointi, joten niitä ei käsitellä tässä oppaassa tarkemmin.

6 Vetypullojen ja -konttien täyttö

Vedyn kuljetuskontit, pullopatterit ja yksittäiset pullot täytetään useimmiten kompressorin avulla.  Kompressorilla vedyn paine nostetaan käyttötarkoituksen ja pullotyypin mukaan sopivaan paineeseen.

Vedyn pullotuslaitteita myyvät useat eri laitevalmistajat. Yksittäisten pullojen täyttöyksikkö voi olla yhden pullon manuaalinen täyttöpiste tai täysin automaattinen täyttökaruselli.

Pullojen ja pullopattereiden täyttämisessä käytetään erityisiä täyttöpäitä. Täyttöpäiden kiinnitys pulloihin ja pullopattereihin sekä venttiilien operointi voidaan tehdä manuaalisesti tai automaation avulla.

Toinen vaihtoehto vetypullojen täyttämiseen on ns. kaskaditäyttö, jossa pienempiä pulloja (esim. 10 l) täytetään isommista (esim. 100 l) ilman kompressoria. Isot pullot voidaan täyttää paikan päällä kompressorilla tai käyttää vaihdettavia pulloja. Kaskaditäytössä korkeapaineinen kaasu virtaa matalampipaineiseen tyhjään pulloon, kunnes pullojen välillä ei ole enää paine-eroa.

Koska vety on kevyttä kaasua, pienet vuodot kerääntyvät herkästi suljetussa tilassa katonrajaan. Tästä syystä vetypullojen täyttöpaikan tuuletuksesta tulee huolehtia ja välttää katonrajassa olevia syvennyksiä. Lisäksi vedyn käsittelytiloissa tulee olla vedynilmaisimet.

7 Vedyn jakeluasemat

Vedyllä toimivan ajoneuvon tankkaus kaasumaisella vedyllä perustuu paine-eroon. Tankkausaseman puskurisäiliöissä vety varastoidaan korkeassa paineessa ja tankkauksessa vety siirtyy paine-eron avulla ajoneuvon vetytankkiin, missä painetaso on alhaisempi. Vedyn tankkausaseman (kuvat 3. ja 4.) pääkomponentit ovat vedyn varastosäiliöt, kompressori, korkeapainevarasto, esijäähdytysjärjestelmä ja vedyn tankkauspiste.

Kuva 3. Tankkausaseman havainnekuva; varastosäiliöt (1) kompressori (2A), korkeapainevarasto (2B), esijäähdytysjärjestelmä (2C), vedyn tankkauspiste (3)

 

Esijäähdytysjärjestelmä tarvitaan, koska korkeapaineisen vedyn tankkauksen yhteydessä vedyn lämpötila nousee. Ilman jäähdytystä ajoneuvon vetysäiliön lämpötila voi nousta liian korkeaksi, mikä voi vahingoittaa säiliötä ja aiheuttaa vuotoja. Nopeassa tankkauksessa ajoneuvon ja tankkausaseman välillä on oltava automaatioyhteys, joka mm. rajoittaa jakeluaseman tankkausnopeutta, jos lämpötila ajoneuvon varastosäiliössä nousee liikaa.

Tankkausaseman kaaviokuvaan kuuluvat osat selitetty tekstissä.

Kuva 4. Vedyn tankkausaseman kaaviokuva

 

Näiden lisäksi tankkausasemalla on vedyn siirtoon, sen puhtauden varmistamiseen ja annostelun hallintaan liittyviä laitteita. Aseman toiminnan ja tankkauksen onnistumisen kannalta välttämättömiä ovat myös mittauksiin (lämpötila, paine, virtaus) ja säätöihin liittyvät komponentit ja järjestelmät. Turvallisuuden varmistamiseksi asemalla on turva-automatiikkaa ja suojausjärjestelmiä. Oleellisia turvatoimintoja ja -laitteita jakeluasemilla ovat vetyvarastojen, puskurisäiliöiden, kompressorien ja jakelumittareiden välissä olevat eristysventtiilit, jotka turva-automatiikka sulkee rajoittaakseen onnettomuuksien seurauksia vuotojen sattuessa.

Tankkaustapahtuma ja varastokontin vaihto ovat kriittisimpiä tekijöitä jakeluasematurvallisuudessa ja todennäköisimpiä vuotojen aiheuttajia. Jakeluasemilla riskiä lisää kuluttajien toiminta. Kaasujakeluasemilla onnettomuuksia voi sattua esimerkiksi, jos kuljettaja unohtaa tankkausletkun kiinni autoon lähtiessään ajamaan. Tätä ehkäistään esim. infrapunakommunikaatiolla auton ja tankkausaseman välillä, jolloin auto ei lähde käyntiin tai liikkeelle, kun letku on kiinni eli tankkaus on vielä käynnissä. Automallista riippuu, miten kyseinen varotoimenpide käytännössä toimii.

Myös kaasuletkujen kunto on oleellista varmistaa esim. tarkastamalla ne säännöllisesti ja riittävän usein. Jakelumittarin kaasuletkujen tulee olla sopivan pituisia ja käyttötarkoitukseen suunniteltuja (soveltuvat vedylle, käytettävälle paineelle ja lämpötilalle -40°C saakka). Jakeluaseman automatiikan on varmistettava tankkausletkun tiiveys ennen varsinaisen tankkauksen alkamista.

Vetytankkausasemalla tulee olla lämpötilakompensoitu täyttöjärjestelmä, jonka tehtävänä on varmistaa, ettei kaasuajoneuvojen kaasusäiliöiden paine missään tilanteessa ylitä sallittua painetta.

Kiinteästi asennettavat paineistetun kaasun varastot (bufferivarastot) tulee valmistaa ja tarkastuttaa painelaitesäädösten mukaisesti CE-merkittynä. Vedyn jakeluasemalla tankattavan vedyn määrän mittauslaitteiston tulee olla tyyppihyväksytty ja se on varmennettava ennen käyttöönottoa. Varmennuksen tekee hyväksytty tarkastuslaitos.

Jakeluaseman katos suunnitellaan välttäen syvennyksiä tai muita rakenteita, joihin vuotanut vety voi kerääntyä. Suljettuihin tiloihin, esim. kompressorikonttiin, asennetaan kaasunilmaisimet, jotka laukaisevat   automaattisen turvatoiminnon kuten venttiilien sulkemisen ja hätätuuletuksen.

8 Vedyn tuotantolaitosten, varastojen ja jakeluasemien sijoittaminen

Vetyä käsittelevien kohteiden sijoituspaikan suunnittelun tarkoituksena on välttää ja minimoida mahdollisen onnettomuuden vaikutukset kohteen läheisyydessä olevalle muulle toiminnalle.

Riskinarvioinnin avulla tunnistetaan seurauksiltaan merkittävimmät onnettomuudet, joiden vaikutusalue arvioidaan seurausanalyysin avulla. Seurausanalyysin lisäksi arvioidaan onnettomuuksien todennäköisyydet. Kemikaaliturvallisuuslainsäädännön mukaan epätodennäköisiä onnettomuuksia ei tarvitse ottaa huomioon tuotantolaitoksen sijoitusta koskevia suojaetäisyyksiä määritettäessä. Tällöin toiminnanharjoittajan on kuitenkin pystyttävä osoittamaan, että kyseinen onnettomuus on riittävän epätodennäköinen jätettäväksi huomiotta sijoituksen turvallisuutta arvioitaessa.

Epätodennäköisiä onnettomuuksia ei tarvitse ottaa huomioon tuotantolaitoksen sijoitusta koskevia suojaetäisyyksiä määritettäessä. Epätodennäköisten onnettomuuksien seurausten arviointi on kuitenkin tehtävä sekä toiminnanharjoittajan omaa, että pelastuslaitoksen varautumisen suunnittelua varten.

Vedyn tuotantolaitosten ja jakeluasemien sijoituksessa suhteessa ulkopuolisiin kohteisiin huomioidaan erityisesti ns. herkät kohteet, kuten hoitolaitokset, koulut, päiväkodit, liikekeskukset jne. Tuotantolaitosten ja jakeluasemien sijoittamisen paine-, lämpö- ja terveysvaikutusten kriteerit on esitetty Tukesin oppaassa Tuotantolaitosten sijoittaminen. Toimintojen keskinäinen sijoittuminen laitos- tai jakeluasema-alueella arvioidaan samojen periaatteiden mukaisesti. Ohjeistusta toimintojen sijoittamiseen löytyy standardista SFS 3353:2019 Palavien kemikaalien tuotantolaitos.

Vetyonnettomuuden seurauksia arvioidaan mallintamalla erilaisia vuoto- ja syttymisskenaarioita. Tietomäärä (data) ja mallinnusmenetelmät vetyonnettomuuksien seurausten arvioitiin eivät ole yhtä kehittyneitä kuin hiilivetyonnettomuuksille. Tästä syystä on tarpeen käyttää konservatiivista näkökulmaa lähtötietojen valinnassa ja skenaarioiden oletuksissa.

Mallinnusmenetelmät voidaan jakaa karkeasti analyyttisiin ja CFD (Computational Fluid Dynamics) menetelmiin. Analyyttiset menetelmät käyttävät CFD:tä pienempää määrää muuttujia mallinnustuloksen saamiseksi ja antavat tästä syystä karkeampia vastauksia.

Analyyttisillä menetelmillä saatavat tulokset voivat kuitenkin olla tarkkuudeltaan riittäviä vaikutusten arviointiin kauempana vuotokohdasta tai syttymispisteestä. Tarkemman tuloksen saa CFD-mallinnuksilla, jotka huomioivat ympäristön geometrian ja hyödyntävät kemikaalien ominaisuuksia ja niiden perusteella tehtyjä laskelmia. Lähellä syttymispistettä mallinnuksista saadaan luotettavimpia käyttämällä CFD -mallinnusta ja voidaan parhaiten arvioida toimintojen sijoitusta tuotantolaitoksen alueella.

Analyyttinen mallinnusmenetelmä soveltuu koko tuotantolaitoksen sijoituksen suunnitteluun, koska sen tarkkuus on riittävä laitosalueen ulkopuolelle ulottuvien onnettomuusseurausten arviointiin. Mallinnuksia tehtäessä on varmistettava, että kyseinen ohjelma ja laskentamenetelmä soveltuu vetyonnettomuuksien mallintamiseen ja että mallintajalla on riittävä osaaminen vetymallinnukseen.

8.1 Tuotantolaitoksen sijoittamisessa huomioitavat onnettomuudet

Vedyn tuotantolaitoksen sijoittamisessa oleellisimmat huomioitavat asiat ovat vedyn paine ja varastointimäärä ja näistä aiheutuvat onnettomuusriskit. Onnettomuusskenaarioina tunnistetaan vedyn vuotomahdollisuudet. Laitoksen sijoitusta suunniteltaessa huomioidaan myös viereisillä tonteilla olevien teollisuuslaitosten onnettomuuksien (esim. tulipalon lämpösäteily) vaikutukset vedyn tuotantolaitoksella.

Turvallisen sijoittamisen varmistamiseksi toiminnanharjoittaja arvioi tunnistamiensa onnettomuusskenaarioiden seurausvaikutuksia seurausanalyysin (mallinnus) avulla. Mallinnuksen tuloksina esitetään vetyvuodon seurauksena muodostuvan syttymiskelpoisen kaasupilven laajuus, tulipalon lämpösäteilyvaikutukset ja räjähdyksen painevaikutukset. Seurausanalyysin tuloksina saadaan

  • pistoliekin pituus ja sen aiheuttama lämpösäteilyvaikutus
  • syttymättömän, mutta konsentraatioltaan syttymiskelpoisen vetypilven koko
  • räjähdyksen (VCE tai Jet explosion) lämpösäteily- ja painevaikutukset.

Mallinnuksen tuloksiin vaikuttavat oleellisesti käytetyt lähtötiedot, joten nämä tulee esittää myös mallinnuksen raportoinnissa. Mallinnuksen tuloksissa esitetään lähtötiedoista ainakin

  • vuodon reikäkoko
  • putken halkaisija
  • prosessiolosuhteet (paine, lämpötila yms.)
  • vedyn massa syttymiskelpoisessa kaasupilvessä
  • vuotoaika
  • vuotokorkeus
  • estetiheys 
  • laskennassa käytetyt säätyypit.
  • Jos putken katkeamista ei katsota mahdolliseksi, se on pystyttävä perustelemaan.

Vetyputken katkeaminen mallinnetaan, mutta sen tuloksia ei tarvitse huomioida vetylaitosta sijoitettaessa, jos toiminnanharjoittaja pystyy osoittamaan putken katkeamisen olevan erittäin epätodennäköistä. Putken katkeamisen todennäköisyyttä arvioitaessa huomioidaan mm. vetyputkiston ja sen liitosten määrä, putkiston sijoittelu ja putkistoon laitoksen tai tankkausaseman muusta toiminnasta kohdistuvat vaarat.

Mallinnettavaksi valitaan myös onnettomuusskenaario, jossa vetyputken vuotoaukon koko on 10 % putken poikkipinta-alasta. Reiän tuleminen putkeen on todennäköisempää kuin koko putken katkeaminen. Reiän kooksi valitaan 10 % putken poikki-pinta-alasta kansainvälisen käytännön mukaisesti. Vuotoaika riippuu käytetyistä turvajärjestelyistä ja näiden toimintavarmuus tulee perutella uskottavasti.

Onnettomuuden seurausten arviointia varten mallinnetaan vuoto putkesta, jonka poikkipinta-ala on suurin sekä putkesta, jossa on korkein paine. Sijoituksessa huomioidaan näistä vaikutusalueeltaan suurempi skenaario.

Jos tuotantolaitoksella täytetään vetypullokontteja, onnettomuusskenaarioksi valitaan myös vetypullokontin täytössä käytettävän letkun letkurikko tai irtoaminen. Seurausanalyysissä huomioidaan vuodon katkaisevan järjestelmän vasteaika. 

Vetylaitosta tai -jakeluasemaa ei saa sijoittaa ilmajohtojen alle. Lisäksi sivusuunnassa etäisyys ilmajohtoihin arvioidaan mahdollisen onnettomuuden seurausten perusteella. Tällä suojataan sähkön siirtoa ja toisaalta ehkäistään vuotaneen vedyn syttymistä ilmajohdoista syntyvän kipinöinnin seurauksena.

Vetyä tuottavia elektrolyysereitä on suunniteltu sijoitettavaksi myös merelle tuulivoimaloiden juureen rakennettaville alustoille. Tällöin vety johdetaan merenalaista putken kautta mantereelle. Tällaisessa hajautetussa sijoitusmallissa vedyn määrä tuotantokohteessa on hyvin pieni.

8.1.1 Jakeluaseman sijoittamisessa huomioitavat onnettomuudet

Vetyjakeluaseman sijoittamisessa huomioidaan samoja asioita kuin vedyn tuotantolaitoksen sijoittamisessa.

Vedyn jakeluaseman sijoituksessa huomioidaan lisäksi

  • sijoitus suhteessa jakeluaseman asiakasrakennuksiin (huoltoasemamyymälä tai -kahvila, pesupaikka, autohuoltamo jne.)
  • laitteistojen sijoitus suhteessa toisiinsa jakeluaseman alueella.

Verrattain pieni räjähdyspaine (0,05 bar) voi aiheuttaa rakennuksissa vaurioita ja erityisen vaarallista on kattorakenteiden pettäminen. Tämä voi aiheuttaa vaaraa liikenneasemien suurten myymälä- ja kahvilarakennusten asiakkaille ja henkilökunnalle.

Tuotantolaitoksen onnettomuusskenaarioiden lisäksi jakeluasemalla onnettomuusskenaariona mallinnetaan tankkausletkun irtoaminen ja ajoneuvon palamisesta aiheutuva lämpösäteily.

Koko letkun irtoamista kuvaavassa skenaariossa lähtötietoja ovat 

  • asemalla käytetty paine
  • letkun koko
  • suojaustoiminnon vasteaika (vuodon pysäyttävän turvatoiminnon vasteaika vuodon alkamisesta vuodon loppumiseen).

8.1.2 Vetylaitteistojen ja toimintojen sijoittelu tuotantolaitos- ja jakeluasema-alueella

Tuotantolaitos- ja jakeluasema-alueella on lähes aina myös muita toimintoja vedyn tuotannon tai tankkauksen lisäksi. Näiden keskinäistä sijoittelua määritettäessä noudatetaan pääsääntöisesti samoja periaatteita kuin koko laitoksen sijoittamisessa ja käytetään samoja skenaarioita mallinnusten lähtötietoina. Tuotantolaitoksen alueella työskentelevät henkilöt on perehdytetty toiminnasta aiheutuviin vaaroihin. Siksi laitokseen kuuluvissa toiminnoissa voidaan hyväksyä hiukan suurempi riski, kuin jos onnettomuuden seuraukset kohdistuisivat laitoksen ulkopuolisiin toimintoihin tai henkilöihin.

Toiminnot ja niiden sijoittaminen suunnitellaan niin, että onnettomuuksien leviäminen rakenteista tai toiminnoista toiseen voidaan estää ja että onnettomuuksien vaikutukset jäävät mahdollisimman pienelle alueelle. Tällöin on huomioitava sekä vedyn varastoinnin ja käytön aiheuttamat vaarat muille toiminnoille, että muiden toimintojen, esim. nestemäisen polttoaineen tankkauksen tai sähköauton latauksen, aiheuttamat vaarat vedyn varastoinnille. Erityisiä haasteita asettaa useamman polttoaineen jakeluasemat. Näillä on huomioitava sekä eri polttoaineiden jakelupisteet että sähköautojen latauspisteet ja huoltamo-/kahvilarakennus.

Onnettomuuksien vaikutukset arvioidaan mallintaen lämpö- ja painevaikutukset. Laitos- tai jakeluasema-alueella tilaa voi olla rajallisesti, jolloin saattaa tulla tarve rajata lämpö- ja painevaikutuksia esim. suojamuurilla. Tällöin on kuitenkin huomioitava myös muurin muut vaikutukset, kuten paineaallon heijastuminen ja voimistuminen, vedyn kerääntyminen muurin taakse tai muurin aiheuttaman ilmavirtausten pyörteisyyden lisääntyminen.

Toimintojen sijoituksessa on huomioitava myös eri rakennusten ilmanottoaukkojen sijoittuminen. Vedyn mahdolliset vuotolähteet sijoitetaan riittävän kauas em. aukoista, ettei vetyä kulkeudu toisen rakennuksen sisään ilmanottoaukkojen kautta.

Vetyrakenteiden sijoittamisessa tarkistetaan myös, ettei niiden päälle voi kaatua puita, sähkötolppia tai muita korkeita rakenteita eikä pudota ulkovalaisimia tai vastaavia irtokappaleita. Vetysäiliöitä tai laitteistoja sijoitettaessa pienennetään ajoneuvojen mahdollisuutta törmätä niihin esim. törmäysesteitä käyttämällä. Lisäksi vältetään laitteistojen tai säiliöiden sijoittamista teiden kaarteisiin, mäen alle tai muihin törmäämiselle altistaviin paikkoihin. 

Konttiin sijoitetun kompressoritilan tai pullovaraston sisätilaräjähdys aiheuttaa paineaallon ja heitteitä rikkoutuvista rakenteista. Rakenteiden kevennykset tai räjähdyssuojaluukkujen purkaussuunta suunnitellaan siten, että paineaalto ja heitteet ohjautuvat turvalliseen suuntaan. Jos kevennetty rakenne on kontin katto, katon on syytä olla viisto (ns. pulpettikatto), millä estetään lumen ja jään kertyminen katolle ja ohjataan sisällä tapahtuva vetyvuoto poistumaan katon korkeimmasta kohdasta. Tätä varten katon räystään alle lisätään ritilällä varustettu tuuletusaukko. (Kuva 5.)

Havainnekuva rakennuksesta, ominaisuudet selitetty edeltävässä tekstissä.

Kuva 5. Vedyn käsittelyyn ja varastointiin tarkoitettu rakennus

 

Asiattomien pääsy vedyn varastointipaikalle ja kompressorikontille tulee estää. Ne tulee varustaa lukittavalla aitauksella, jossa on liike- tai kosketustunnistin ja miehittämättömillä tankkausasemilla myös kameravalvonta. Vetylaitteistot ja putket tulee varustaa törmäysesteillä. Ulkopuolisten vaikutusten estämiseksi vetyputkistot pullovarastolta tankkauspisteeseen asennetaan maan alle.

Toimintojen sijoittamista suhteessa toisiinsa säädellään kemikaaliturvallisuuslainsäädännön lisäksi mm. sähköturvallisuus- ja rakennuslainsäädännöissä. Ohjeistusta toimintojen sijoittamiseen löytyy standardista SFS 3353:2019 Palavien kemikaalien tuotantolaitos.

8.2 Kaavoituksen vaikutus sijoitukseen

Vedyn tuotantolaitoksen sijoittamisessa arvioidaan laitoksen soveltuvuus suunniteltuun kohteeseen samoin kuin minkä tahansa muun kemikaalilaitoksen. Sijoitusta harkittaessa on varmistettava, että kyseisen tontin voimassa oleva kaava mahdollistaa kemikaalilaitoksen sijoittamisen. Tukes suosittelee kaavamerkintää T/kem tonteille, joille aiotaan sijoittaa laajamittainen kemikaalilaitos, mutta myös muu kaavamerkintä voi olla mahdollinen. Muita vetylaitokselle soveltuvia kaavamerkintöjä voivat olla esim. T (Teollisuus- ja varastoalue), TT (Ympäristövaikutuksiltaan merkittävien teollisuustoimintojen alue) ja EN (Energiahuollon alue).

Myös muu kaava on mahdollinen, jos 

  • kaavamääräykset sen mahdollistavat
  • kunta puoltaa sijoitusta ko. tontille
  • ympäröivien tonttien kaavanmukainen käyttö ei vaarannu
  • onnettomuuksien seuraukset rajoittuvat laitoksen alueelle.

Vetylaitoksen tontin lisäksi on huomioitava ympäröivien tonttien kaavamerkinnät. Rakennettava vetylaitos ei saa rajoittaa ympäröivien tonttien kaavassa osoitettua käyttöä. Kaavan lisäksi arvioidaan aina laitoksen aiheuttamat onnettomuusvaarat, joten ainoastaan kaavan soveltuvuus vetylaitokselle ei varmista sijoitusta aiotulle tontille.

Vähäisille kohteille kaavamerkintä voi vaihdella, esim. vedyn jakeluasemalle voi soveltua muun tyyppiselle jakeluasemalle tarkoitettu kaavamerkintä. Kaikki jakeluasematoimintaan kaavoitetut tontit eivät kuitenkaan sovellu vedyn jakeluasemalle esim. tiiviisti rakennetussa kaupunkiympäristössä. Jakeluasematoiminta ei saa olla ristiriidassa tontin kaavamääräysten kanssa eikä se saa rajoittaa ympäröivien tonttien kaavanmukaista käyttöä.

Kemikaalilaitosten sijoittamisesta ja onnettomuusvaarojen huomioimisesta on kerrottu Tukesin oppaassa Tuotantolaitosten sijoittaminen.

8.3 Paineellisen vetylaitteiston sijoitussuunnitelma

Vetylaitteistot ja säiliöt ovat painelaitteita, joiden sijoittamisen turvallisuuden arvioi tarkastuslaitos ja joissain tapauksissa lisäksi Tukes kemikaaliturvallisuusluvan käsittelyn yhteydessä. Painelaitteen varsinaisen sijoitussuunnitelman tarkastaa tarkastuslaitos. Sijoitussuunnitelma vaaditaan tehtäväksi mm. painelaitteelle, joka sijoitetaan käyttökohteeseensa sisätiloihin, yleisötiloihin tai yleisen kulkuväylän välittömään läheisyyteen ja joka on

  • suurimman sallitun käyttöpaineen ja tilavuuden lukuarvojen tulo on yli 10 000 bar x litra tai
  • kuljetettava painelaite tai kaasupulloyhdistelmä ja jonka tilavuus on yli 450 litraa tai
  • vetyä sisältävä putkisto, jos sen koko on yli DN 50.

Erillisen sijoitussuunnitelman laatimista ei edellytetä, jos Tukes on tarkastanut painelaitteen sijoituksen turvallisuuden kemikaaliturvallisuuslain mukaisessa lupamenettelyssä. Vaikka laitoksella olisi Tukesin myöntämä kemikaaliturvallisuuslupa, saattaa laitoksella olla sijoitussuunnitelman vaativia painelaitteita, mikäli Tukes ei ole hyväksynyt kaikkien painelaitteiden sijoitusta lupapäätöksessään. Pelastuslaitoksen luvittamien jakeluasemien painelaitteille edellytetään sijoitussuunnitelman laatimista.

9 Vedyn käsittelyn suunnittelussa huomioitavaa

9.1 Materiaalit

Vetylaitteistot sisältävät tyypillisesti monenlaisia rakennemateriaaleja – niin metallisia kuin ei-metallisia materiaaleja ja komposiitteja. Kaikkien materiaalien soveltuvuus käyttöolosuhteisiin ja kestävyys onnettomuustilanteissa tulee arvioida huolellisesti. Materiaalivalintojen tulee perustua mahdollisuuksien mukaan standardisoituihin ratkaisuihin, joiden turvallisuudesta on kokemusta.

Vety aiheuttaa erityisvaatimuksia laitteiden ja putkistojen rakennemateriaaleille. Materiaalivalinnoissa on erityisesti huomioitava vedyn paine, suunnittelulämpötila, mahdolliset muut sisällöt ja epäpuhtaudet sekä kuormituksen tyyppi.

Lämpötila on merkittävä tekijä arvioitaessa materiaalien soveltuvuutta vetykäyttöön. Nestemäisen vedyn sovelluksissa on huomioitava kryogeenisten olosuhteiden asettamat reunaehdot materiaaleille, kuten haurasmurtumataipumus (materiaalin transitiolämpötila) ja suurten lämpötilaerojen aiheuttamat jännitykset komponenteissa.

Myös vedyn käyttötavat aiheuttavat rasitusta materiaaleille. Bufferitankissa vetyä paineistetaan juuri ennen käyttöä. Tällöin paineenvaihtelut ovat suuria ja sen vaikutukset materiaaliin on huomioitava.

Vety aiheuttaa haasteita materiaalivalinnoille pääasiassa kahdella tavalla; 

  • tunkeutuminen materiaalin läpi aiheuttaen suoran vuodon
  • reagointi materiaalin kanssa aiheuttaen muutoksia materiaalin ominaisuuksiin ja sitä kautta rakenteen heikkenemisen.

Vedyn tuotanto- ja varastointitilat valmistetaan palamattomista materiaaleista. Jos rakenteiden tavoitteena on suojata vetylaitteistoja esim. ulkopuoliselta tulipalolta tai pienentää suojaetäisyyttä ulkopuolisiin kohteisiin, on rakenteiden kesto tulipalossa määriteltävä tämän tavoitteen mukaisesti.

9.1.1 Metalliset materiaalit

Vety pystyy pienimolekyylisenä kaasuna tunkeutumaan korkeissa paineissa metallin sisälle. Terästen soveltuvuuteen vetykäytössä vaikuttavat useat eri tekijät, kuten kemiallinen koostumus, lämpökäsittely, mekaaninen käsittely, mikrorakenne, epäpuhtaudet, jäännösjännitykset ja lujuus. Lujissa hiiliteräksissä, nikkeliseoksissa, titaaneissa ja tietyissä ruostumattomissa teräksissä (esim. 17-7PH, UNS S17700) materiaaliin tunkeutunut vety aiheuttaa merkittävää sitkeyden laskua eli vetyhaurastumista.

Vetyhaurastuminen on ilmiö, joka alentaa materiaalin murtovenymää ja iskusitkeyttä vaikuttamatta merkittävästi muuten materiaalin lujuusominaisuuksiin. Haurastunut materiaali voi murtua äkillisesti ylikuormituksen seurauksena. Vety myös alentaa huomattavasti terästen väsymiskestoa, koska materiaaliin tunkeutunut vety kiihdyttää särönkasvunopeutta. Väsymislujuuden aleneminen on huomioitava tarvittaessa materiaalivalinnan lisäksi myös muissa väsymiskestoon vaikuttavissa suunnittelun yksityiskohdissa.

Tietyt epäpuhtaudet, erityisesti rikkivety, voivat aiheuttaa hiiliteräksien korroosion seurauksena atomaarisen vedyn tunkeutumisen materiaaliin. Vety kertyy materiaalissa oleviin mikroskooppisiin epäjatkuvuuskohtiin ja aiheuttaa materiaaliin halkeamia.

Korkeissa lämpötiloissa (n. 200º C ->) hiiliteräkseen tunkeutuva vety voi reagoida teräksessä olevan hiilen kanssa ja muodostaa metaania. Tällöin teräksen mikrorakenne köyhtyy hiilestä. Tämän seurauksena rakenteeseen syntyy mikroskooppisia säröjä ja teräksen lujuus laskee merkittävästi.

Austeniittiset ruostumattomat teräkset kestävät yleisen käsityksen mukaan paremmin vetykäytössä haurastumatta. Hapon kestävien terästen (esim. AISI 316/316L, EN 1.4404) vetyhauraustaipumus on pienempi, kuin ruostumattomien (esim. AISI 304/304L, EN 1.4307) terästen. Ruostumattomien terästenkin tapauksessa on materiaalin valinnassa oltava huolellinen ja huomioitava myös eri valmistustekniikoiden kuten hitsauksen ja kylmämuovauksen aiheuttamat vaikutukset teräksen mikrorakenteeseen ja siten vedyn kestoon.

9.1.2 Muut materiaalit

Komposiittimateriaaleja on käytetty erityisesti vedylle käytettävien painesäiliöiden rakenneaineena. Eritelmä säiliötyypeistä on esitetty ohjeen kohdassa 5.1. Tällaisten säiliöiden osalta on lisätietoja saatavissa kansainvälisistä standardeista.

Käytettäessä muovimateriaaleja on varmistettava, että valittu muovimateriaali johtaa sähköä, jotta sen maadoittaminen on mahdollista. Huomioitava on myös, että muovin palon ja lämpötilan kestävyys sekä UV-valon sietokyky on usein metallia heikompaa. Vedylle löytyy kuitenkin joitain muovisovelluksia, kuten vetyajoneuvojen tyypin IV polttoainesäiliöt, jotka valmistetaan muovipinnoitetusta polymeerivahvistetusta materiaalista. Joissain elektrolyysereissä käytetään muovikomposiittiputkistoja ja -pinnoitteita osassa prosessia. Jotta muovia voidaan käyttää, tulee sen soveltuvuus vetykäyttöön ja käyttöolosuhteisiin pystyä osoittamaan uskottavasti.

Erilaisten kumi- ja polymeeritiivisteistä on kokemuksia vetykäytössä. Vety tunkeutuu näiden materiaalien läpi huomattavasti helpommin kuin metallimateriaaleista, mikä on huomioitava suunnittelussa.  Korkeissa paineissa erityistä huomiota tulisi kiinnittää orgaanisten tiivistemateriaalien valintaan, koska näihin tunkeutunut vety voi aiheuttaa tiivisteen mekaanisen vaurioitumisen nopean paineen alenemisen seurauksena.

9.2 Yleisiä suunnitteluohjeita

Suunnittelulla pyritään ehkäisemään vetyonnettomuuden syntyminen ja pienentämään mahdollisen onnettomuuden seurauksia. Luontaista turvallisuutta voidaan edistää vähentämällä mahdollisen vetyvuodon määrää suunnittelemalla vetyputket mahdollisimman pieneksi ja asentamalle säiliöihin ja putkistoihin virtausta pienentäviä järjestelmiä. Tunnistettuihin mahdollisiin vuotokohtiin voidaan asentaa suojalevyjä ohjaamaan vuoto tai palo turvalliseen suuntaan ja riittävällä etäisyydellä laitteistojen välissä varmistetaan, ettei vetyräjähdyksen paine tai heitteet vahingoita muita laitteistoja. 

Suljetuissa tiloissa olevan vetyräjähdysmahdollisuuden vuoksi tilat suunnitellaan joko räjähdyksen kestäväksi tai varustetaan kevennetyllä rakenteella tai räjähdysluukuilla, joiden kautta räjähdyspaine voi purkautua turvalliseen suuntaan. Laitteistojen paineen nousu yli mitoitetun käyttöpaineen estetään varoventtiilein, joiden purkukohta valitaan turvalliseksi ja tilaluokitellaan asianmukaisesti. Sulkuventtiilien turvallinen asento sähkön tai paineilman hävitessä määritetään riskinarvioinnin perusteella ja varmistetaan esim. jousitoiminnolla. 

Vety on ilmaa kevyempi kaasu, joten vedyn käsittelytilojen tuuletusaukot sijoitetaan tilan korkeimpiin kohtiin. Suunnittelussa tulee välttää paikkoja, joihin vetykaasu voi kertyä. Tällaisia ovat mm. katossa olevat syvänteet ja palkkien välit. Myös tiivis putkipaketti voi muodostaa paikan, johon vetykaasu voi kertyä. Vetykontissa on huomioitava myös tuuletusaukkojen aiheuttama vaara; räjähdyksen liekit voivat purkautua ulos tuuletusaukoista. (Kuva 6.)

Piirros, jossa liekit purkautuvat rakennuksen tuuletusaukoista.

Kuva 6. Räjähdyksen liekit purkautuvat tuuletusaukoista turvalliseen suuntaan


Vetylaitteisto suunnitellaan niin, että sen inertointi on mahdollista esim. huoltojen yhteydessä. Happipitoisuuden pysyminen raja-arvon alapuolella tulee varmistaa kaikissa tilanteissa. Tämä edellyttää käytännössä riittävän luotettavuuden varmistamista esim. turva-automaatiotoiminnalla.

Vedyn tilaluokituksessa huomioidaan tyypillisesti pienet tahalliset (tuuletus) ja tahattomat vuodot. Näissä vuotomäärät ja siten niiden muodostama räjähdysvaarallinen alue ovat pieniä.

Vedyn itsesyttymislämpötila on korkea (560°C). Tätä aineelle ominaista lämpötilaa käytetään määrittämään vedylle altistuvissa tiloissa käytettävien laitteiden korkeinta sallittua pintalämpötilaa huomioiden myös vikaantumistilanteet.

Kaasumaisen vedyn varastoinnin tärkeä turvavaruste on varoventtiili, jonka kautta vetyä voidaan poistaa säiliöstä paineen noustessa, säiliön kuumentuessa tai molempien tapahtuessa yhtä aikaa. Varoventtiileinä voidaan käyttää paineeseen reagoivaa tai tietystä lämpötilasta avautuvaa varoventtiiliä. Venttiilityypistä riippuen venttiili sulkeutuu, kun painetaso tai lämpötila palautuu normaaliksi tai jää auki. Korkeapaineisen vedyn äkillinen purkaus purkuputkea pitkin voi kuitenkin johtaa vedyn itsesyttymiseen putkessa, kun vetypulssi työntää edellään ilmaa. Tämä riski on huomioitava suunnittelussa.

Lämpötilasta aktivoituvat varoventtiilit aukeavat, kun lämpötila saavuttaa 108-110 C. Lämpötila-aktivoitua varoventtiiliä käytetään ehkäisemään tyypillisesti komposiittisäiliön ylikuumenemisesta johtuvaa säiliön seinämien vaarallista repeämistä. Tietystä lämpötilasta aktivoituva varoventtiili ei sulkeudu automaattisesti, vaan sen tehtävä on vapauttaa vety säiliöstä hallitusti.

Laitosalueella kulkevat vetyputkistot suunnitellaan, valmistetaan ja asennetaan painelaitedirektiivin (PED) vaatimusten mukaisesti. Koska vety on vaaralliseksi luokiteltu kemikaali, tulee kaikkien vetyputkistojen olla valmistettu vähintään luokan 1 tasoa vastaavasti. Erityisesti jakeluasemilla vetyputkistot sijoitetaan mahdollisuuksien mukaan maan alle niiden vahingoittumismahdollisuuksien pienentämiseksi. Maanalaisissa putkistoissa käytetään kaksoisvaipparakennetta ja vain hitsausliitoksia.

Soihdutuksen tavoitteena on polttaa kaasu hallitusti. Tämä ehkäisee kaasun räjähdysvaaraa.  Soihdutusta käytetään mm. kaasuputkien tyhjennyksessä sekä prosessissa syntyvän ylimääräisen vetykaasun poistamiseen. Soihtujärjestelmän pääkomponentit ovat: poltin, tukirakenne, putkistot ja apulaitteet. Apulaitteisiin kuuluu mm. sytytin ja liekkivahti.

Pienimolekyylisenä aineena vety läpäisee materiaaleja helposti ja vuotaa pienistäkin raoista. Tämän vuoksi suunnittelussa on syytä välttää potentiaalisia vuotokohtia, kuten esim. laippaliitoksia. Putkistoa suunniteltaessa on hyvä huomioida myös se, että suurilla paineilla vuotoaukon koko on oleellinen vetyvuodon suuruuteen vaikuttava tekijä. Putkistokoko tulisi suunnitella mahdollisimman pieneksi.

Puristusliitoksia ei suositella käytettäväksi vetyputkistoissa. Puristusliitosten ongelmana on tiiveyden varmistamisen vaikeus tarkastamalla ja menetelmän pätevöinti PED:n mukaisesti.
Vetyä siirretään letkulla tuotantolaitoksella säiliöstä pullokonttiin tai tuubitraileriin, jolla se kuljetetaan edelleen esim. jakeluasemalle. Laitoksella on oltava järjestelmä, joka katkaisee vedyn tulon sekä pullokontista että säiliöstä letkuvuototapauksessa. Samoin jakeluasemalla on oltava vetyvuodon katkaiseva järjestelmä.

Vedyn laadun on oltava sellaista, että laitteet ja putkistot kestävät sitä ja toisaalta laitteet on suunniteltava kestämään niissä käytettävää vetyä. Vetysäiliöiden mitoituksessa tulee kiinnittää erityistä huomiota mahdollisen syklisen kuormituksen vaikutuksiin.

Vetylaitoksia ja jakeluasemia on myös kaukovalvonnassa, jolloin laitoksen ohjaus tapahtuu muualla sijaitsevasta valvomosta. Vetylaitoksilla ja erityisesti miehittämättömillä asemilla on huomioitava turvauhka-asiat, kuten kybertuvallisuus ja alueturvallisuus. Lisätietoa aiheesta löytyy Tukesin oppaasta Turvauhkiin varautuminen vaarallisten kemikaalien käsittelyssä ja varastoinnissa.

9.3 Vuotojen havaitseminen ja hallinta

Kaikki vetylaitteet sijoitetaan ensisijaisesti ulkotiloihin hyvin tuulettuviin olosuhteisiin ja toteutetaan mahdollisimman väljällä sijoitussuunnittelulla välttäen ahtaita prosessitiloja. Aina tämä ei kuitenkaan ole mahdollista ja tällöin suljetun tilan merkitys on huomioitava.

Sisätilassa vedyn pitoisuutta voidaan laskea riittävän tehokkaalla ilmanvaihdolla, joka voidaan ohjelmoida tehostumaan tietystä vetypitoisuudesta. Ilmanvaihdosta on kuitenkin hyötyä vain suhteellisen pienissä vetyvuodoissa. Vedyn laajan syttymisalueen (4 – 75 %) ja korkean paineen vuoksi suuremmissa vuodoissa ilmanvaihtoa ei pystytä järjestämään riittävän suureksi pienentämään vedyn pitoisuus räjähtämättömälle tasolle, jolloin ilmanvaihdon tehostamisella voi olla merkitystä vain vetyvuodon seurausten lieventämisen kannalta.

Vetyhaurastuman havaitseminen ajoissa asettaa erityisiä vaatimuksia ennakoivalle kunnossapidolle. Säröilyä on käytännössä mahdoton huomata paljaalla silmällä, joten materiaalivalinnat ja vetylaitteistojen tarkastuksessa NDT-menetelmät ovat tärkeässä roolissa. NDT-testaukset voidaan jakaa volumetrisiin eli materiaalin läpi tunkeutuviin ja pintatestaustestausmenetelmiin. Volumetrisia menetelmiä ovat röntgenkuvaus ja ultraääni, joita käytetään esim. hitsaussaumojen virheiden havaitsemiseen ja putken seinämän paksuuden mittaamiseen. Pintatestausmenetelmiä ovat esim. tunkeumaneste- tai magneettijauhemenetelmää, jossa värjätty neste tai magneettijauhe kerääntyy säröön tai korroosiokohtaan ja tekee siitä suurennoksessa näkyvän.

Vetyvuotoja voi olla vaikea havaita aistinvaraisesti, koska vuodot ovat usein pieniä ja vety on väritöntä ja hajutonta ja palaa näkymättömällä liekillä päivänvalossa. Korkeapaineisen vedyn vuodon voi joissain tapauksissa kuulla voimakkaana suhinana. Vuodon havaitseminen on kuitenkin oleellista tarvittavien toimenpiteiden käynnistämisen mahdollistamiseksi.

Vetyvuotojen havaitsemiseen käytetään erilaisia teknisiä apuvälineitä, kuten kaasunilmaisin, paineen tunnistin, ultraääni-ilmaisin, massaspektrometri ja väriä vaihtava vuototeippi. Kaasunilmaisimet tulee sijoittaa siten, että mahdollisen vuototilanteen yhteydessä vapautuva kaasu havaitaan. Käytännössä ilmaisimet sijoitetaan mahdollisten vuotokohtien läheisyyteen ja tilan korkeimpiin kohtiin. Ilmaisimien optimaalinen sijoittelu on hyvä varmistaa mallintamalla laitteiston vetyvuotojen kulkeutumista ja kertymistä tilassa.

Kaasunilmaisimet ohjaavat hälytyksiä, varoitusvaloja ja äänihälytyksiä sekä tarvittaessa turva-automaation avulla toteutetun laitteiston pysäytyksen ja eristyksen vuotojen keston ja määrän rajaamiseksi. Erityisesti jakeluasemilla hälytysten on oltava selkeitä ja tunnistettavia myös asiakkaille. Kaasunilmaisimeen voi lisäksi liittää ilmanvaihtotoimenpiteitä, esimerkiksi kompressoritilan ilmanvaihdon tehostamisen.

Maanalaisten putkien vuotojen havaitseminen varmistetaan käyttämällä esim. kaksoisvaippaputkiratkaisua. Tällaisissa putkissa putkien välinen tila voi olla paineistettu tai avoin. Jos ulommainen putki on päistään avoin, välitilaa tuuletetaan ja ulospuhalluskohdat varustetaan vetytunnistimilla.

Vedyn syttymisenergia on pienimmillään (0,017 mJ), kun vedyn pitoisuus ilmassa on 30 %. Tällöin myös vedyn palamisnopeus on suurimmillaan. Vety palaa kirkkaalla, vaikeasti havaittavalla liekillä, eikä se muodosta savua. Liekin lämpösäteilyn intensiteetti on pieni eli se ei säteile lämpöä ympäristöön vastaavasti kuin nuotio tai maakaasuliekki. Tämä tekee vetyliekin havaitsemisesta vaikeaa. Vetyliekin havaitsemista voi helpottaa esim. lämpökameroilla tai vetyliekin tunnistamiseen tarkoitetulla liekinilmaisimella.

Vetyvuototilanteessa oleellisinta on havaita vuoto nopeasti ja saada vuoto loppumaan. Tämä voi edellyttää automaattista järjestelmää, joka pysäyttää koko laitteiston tai sen osan riippuen vuotokohteesta tai -määrästä.

Vetyvuoto syttyy helposti, vaikka se olisi ns. hallittu vuoto eli varoventtiilin suunnittelussa tulee aina olettaa, että syttyminen on mahdollista. Tämä tulee ottaa huomioon varoventtiilien purun suuntauksessa ja riittävien suojaetäisyyksien määrittämisessä purkukohtien ympäristöön. Purkusuunta tulee olla mieluiten ylöspäin, ei kohti rakennuksia tai alueille missä voi liikkua ihmisiä. Vetyputkisto ja laitteet huuhdellaan inertillä kaasulla (esim. typpi) hapen poistamiseksi ennen vetytäyttöä ja vedyn tyhjennyksen jälkeen, sekä tarvittaessa varoventtiilin laukeamisen jälkeen. Vetylaitteiston huoltoja varten on siis oltava saatavilla esimerkiksi typpikaasua.

10 Vedyn vaarat ja vetyvuotojen seuraukset

Vedyn aiheuttamat onnettomuudet ovat tulipaloja ja räjähdyksiä. Näiden voimakkuus ja seurausvaikutukset riippuvat mm. vuotaneen vedyn määrästä, prosessiolosuhteista ja syttymiskohdasta sekä siitä, syttyykö vety välittömästi vai viiveellä. Lisäksi vaikutusta on vuotokohdan ympäristön estetiheydellä, joka lisää ilmavirran pyörteisyyttä ja siten tehostaa ilman sekoittumista vetyyn.

Vetylaitoksen sijoitukseen vaikuttavien onnettomuuksien lisäksi myös muiden riskinarvioinnissa tunnistettujen onnettomuusskenaarioiden seuraukset on arvioitava. Näitä ovat esim. kompressoritilan sisätiloissa tapahtuvan vetyvuodon kertyminen ja vedyn räjähdys, kontin vaihdon yhteydessä tapahtuva vuoto tai kuljetuskontin sisällä pullon vuoto.

Elektrolyyseriteknologiat ja niihin liittyvät materiaalit, kuten entistä ohuemmat kalvot, ovat edelleen kehitysvaiheessa. Vedyn tuotantolaitoksella räjähdysvaarallinen ilma-vetyseos voi muodostua esim. elektrolyyserin kalvon pettäessä. Muita taustatekijöitä voivat olla katkokset uusiutuvan energian saatavuudessa, mistä seurauksena voi olla laitteistoa rasittavia alas- ja ylösajoja. Useampien elektrolyyserien kokonaisuudessa on huomioitava mahdollinen dominovaikutus eli esim. räjähdyksen eteneminen elektrolyyseristä toiseen.

Pienen molekyylikokonsa vuoksi vety pääsee tunkeutumaan pienistäkin raoista, joten pienet vetyvuodot ovat yleisiä. Vedyn konsentraatio ei kuitenkaan pienissä vuodoissa hyvin ilmastoidussa tilassa nouse niin suureksi, että vuodosta olisi vaaraa. Vasta kerääntyessään suljetussa tilassa pienen vuodon konsentraatio voi kasvaa riittävästi syttyäkseen. Sisätiloihin sijoitetuista vetylaitteista olisi siten arvioitava tällainen jatkuva vedyn taustavuoto esim. liitoksista ja varmistuttava, että vedyn kertymistä ei voi tapahtua.

Syttymätön vetyvuoto aiheuttaa vetypilven. Ulkotilassa vakavimmat vaikutukset syntyvät, kun syttymätön vetypilvi syttyy esteisessä ympäristössä. Pilven syttyessä ja räjähtäessä esteettömässä ympäristössä paine- ja lämpötilavaikutukset voivat olla pienempiä. Räjähdyksen voimakkuuteen vaikuttaa reaktion nopeus. Jos vetypilven vetypitoisuus on suuri ja ympäristön esteet kiihdyttävät reaktiota, voi muodostua detonaatio, jonka painevaikutukset ovat erittäin suuret. Tästä syystä esim. pensaikot ja puustot poistetaan vetylaitoksen ympäriltä mahdollisuuksien mukaan.

Kaavio vedyn onnettomusskenaarioista, selitetty tekstissä.

Kuva 7. Kaasumaisen vedyn onnettomuusskenaariot

10.1 Välitön syttymä

Välitön syttymä aiheuttaa pistoliekin, joka syntyy, kun vety vuotaa kovalla paineella. Pienestä reiästä vuotaessaan vety voi syttyä itsestään kovalla paineella purkautuvan kaasun aiheuttaman kitkan lämmön tai sähköisen varautumisen seurauksena. Korkeapaineisen vuodon suunta määrää pistoliekin suunnan.

Pistoliekin seurauksia mallinnettaessa arvioidaan liekin pituutta ja lämpömäärää vedyn paineen ja reiän koon eli reiästä vuotavan massavirtauksen perusteella. Pistoliekin lämpövaikutukset voivat aiheuttaa uusia vuotoja kohdistuessaan ympäröiviin laitteisiin. Pistoliekki sammuu, kun vuotava vety loppuu.

10.2 Viivästynyt syttymä

jonka painevaikutukset riippuvat pilven massasta, syttymiskohdasta sekä ympäristön estetiheydestä. Vedyn reaktiivisuuden vuoksi vetypilvi ei tarvitse suljettua tilaa tai estetiheyttä merkittävien räjähdyspainevaikutusten syntymiseksi. Pilven räjähdyksen jälkeen vetyvuoto jatkuu vuotokohdassa pistoliekkinä.

Ilmaa kevyempänä pieni vetyvuoto nousee ulkotiloissa ylös laimentuen nopeasti, mutta ilman virtaukset erityisesti rakennetussa ympäristössä voivat aiheuttaa vedyn kerääntymisen ennakoimattomasti. Lisäksi rakennukset ja ulkona olevat laitteistot lisäävät ilman virtauksen turbulenttisuutta ja siten vetykaasun sekoittumista ilmaan. Tämä puolestaan lisää vetypilven happipitoisuutta ja siten tehostaa palamista. Näin ollen vety voi palaa räjähtäen myös ulkona otollisissa olosuhteissa.

Korkealla paineella purkautuva vetyvuoto suuntautuu ensin suoraan poispäin vuotoaukosta ja vety alkaa nousta ylös vasta, kun paine tasaantuu ilmanpaineeseen. Vuodon mallintamisen avulla on saadaan selville, miten vety käyttäytyy ennen ja jälkeen paineen tasaantumisen.

Vetyvuodon syttymän painevaikutusten pienentäminen edellyttää vetypitoisuuden merkittävää laimentamista. Voimakasta vetyvuotoa on käytännössä mahdoton saada tuuletuksella laimennettua räjähtämättömälle tasolle, mutta räjähdyksen painevaikutuksia voidaan yrittää pienentää voimakkaalla ilmanvaihdolla. Voimakkaan vetyvuodon sattuessa ilmanvaihdolla ei pystytä estämään räjähdyskelpoisen ilma-kaasuseoksen syntymistä, mutta sen esiintymisaikaa voidaan lyhentää tehokkaalla ilmanvaihdolla vuodon loputtua.

Viivästyneen syttymän seurauksia ovat:

  • pienpaineinen räjähdys (deflagraatio)
  • korkeapaineinen räjähdys (detonaatio)
  • jet explosion

Vetypilvi laimenee laajetessaan ja jos laimeneminen on riittävää, ovat painevaikutukset pienempiä ja seuraukset ovat pääasiassa lämpösäteilyn aiheuttamia. Tällöin vedyn konsentraatio pilvessä on leimahduspisteen (4 %) ja räjähdysrajan (18 %) välillä.

Deflagraatio on matalapaineinen räjähdys, jossa liekkirintama etenee palavassa kaasupilvessä alle äänennopeudella. Detonaatiossa liekkirintaman nopeus ylittää äänennopeuden, mikä aiheuttaa suuren räjähdyspaineen.

Vedyllä on suuri palamisnopeus, joka mahdollistaa lievemmän deflagaraation kiihtymisen vakavammaksi detonaatioksi (deflagration to detonation transition, DDT). Tämä ilmiö on yleinen vedyn detonaation alkulähde. Vedyn ominaisuuksista johtuen vedyn detonaatio on huomattavasti todennäköisempää kuin hiilivedyillä.

Vety on ominaisuuksiensa vuoksi altis aiheuttamaan detonaation eli korkeapaineisen räjähdyksen myös ulkotiloissa. Tämä johtuu vedyn reaktiivisuudesta eli suuresta palamisnopeudesta. Lisäksi vedyn korkea paine aiheuttaa purkautuessaan pyörteisyyttä ja siten ilman sekoittumista vetypilveen. Tämä edesauttaa nopeaa palamista, mikä yhdessä vedylle ominaisen nopean palamisen kanssa aiheuttaa detonaation. Detonaatiossa liekkirintama etenee ääntä nopeammin.

Korkeapaineinen vuoto voi suihkupalon sijaan myös räjähtää lähellä vuotokohtaa.  Räjähdyksen voimakkuutta edesauttaa vuotavan vedyn pyörteisyys, joka sekoittaa vedyn tehokkaasti ympäröivään ilmaan. Tällainen räjähdys (jet explosion) voi olla vaikutuksiltaan hyvin vakava, koska se tapahtuu lähellä vedyn käsittelylaitteita ja varastoja. Tällainen onnettomuus voi aiheuttaa vakavia vaikutuksia laitteistolle ja jopa tuhota koko järjestelmän.

10.3 Toiminta vetyonnettomuustilanteessa

Vetypalossa tärkeintä on saada vuoto katkaistua mahdollisimman nopeasti, jolloin palo sammuu vedyn tulon loputtua. Tämän mahdollistaminen edellyttää sulkuventtiilien sijoittamista turvallisiin paikkoihin ja myös kaukokäytön mahdollistamista. Turvallinen tapa on varustaa sulkuventtiilit automaatiotoiminnolla, joka sulkee venttiilit kaasuvuototilanteessa esim. paineen laskiessa tai kaasunilmaisinten hälytyksen perusteella.

Vetypaloa ei sammuteta ennen kuin vedyn tulo on saatu katkaistua. Palon sammuttaminen voi johtaa vedyn kerääntymiseen ja räjähdysvaaraan. Vettä käytetään ympäröivien rakenteiden jäähdyttämiseen ja palon leviämisen estämiseen.

11 Vety lainsäädännössä

Suomen lainsäädäntöön kuuluvia säädöksiä, joihin sisältyy vedyn tuotantoa ja käyttöä koskevia vaatimuksia ovat esimerkiksi kemikaaliturvallisuus-, ATEX-, painelaite-, pelastus-, ympäristö- ja rakennussäädökset. Eri lainsäädännöissä vedyn tuotannolle ja käytölle voidaan edellyttää valvontaviranomaisen myöntämiä lupia.

11.1 Kemikaaliturvallisuuslainsäädäntö

Laki vaarallisten kemikaalien ja räjähteiden käsittelyn turvallisuudesta (390/2005), jatkossa kemikaaliturvallisuuslaki, antaa lainsäädäntöpohjan vedyn tuotannolle ja käsittelylle. Sen tarkoituksena on ehkäistä ja torjua vaarallisten kemikaalien valmistuksesta, käytöstä, varastoinnista, ja muusta käsittelystä aiheutuvia henkilö-, ympäristö- ja omaisuusvahinkoja sekä lisäksi edistää yleistä turvallisuutta.

Kemikaaliturvallisuuslakia sovelletaan Suomen valtion alueella. Jos esim. tuulivoimapuisto tai kaasuputki sijaitsee Suomen merirajojen sisäpuolella, siihen sovelletaan kemikaaliturvallisuuslakia. Kemikaaliturvallisuuslain soveltamisalan ulkopuolelle on rajattu vaarallisten kemikaalien käyttö ja varastointi aluksessa, jolloin sovelletaan VAK-säännöksiä. Talousvyöhykkeelle sijoitettavan vedyn tuotantolaitoksen tai siirtoputkiston luvituksesta toiminnanharjoittajan on syytä ottaa yhteyttä Valtioneuvostoon.

Kemikaaliturvallisuuslain perusteella on annettu kaksi vedyn tuotannossa ja käsittelyssä huomioitavaa asetusta:

  • asetus vaarallisten kemikaalien käsittelyn ja varastoinnin valvonnasta (685/2015), jatkossa valvonta-asetus
  • asetus vaarallisten kemikaalien teollisen käsittelyn ja varastoinnin turvallisuusvaatimuksista (856/2012), jatkossa turvallisuusvaatimusasetus.

Valvonta-asetuksessa määritellään toiminnan laajuus, jonka perusteella määräytyy lupavelvoitteet ja valvontaviranomainen. Lisäksi valvonta-asetus sisältää vaatimuksia mm. kemikaalien käytönvalvojasta, turvallisuusselvityksen tai toimintaperiaateasiakirjan laatimisesta, sisäisestä pelastussuunnitelmasta, viranomaistarkastuksista ja muutosten hallinnasta laitoksella.

Vedyn teollisen käsittelyn ja varastoinnin katsotaan olevan laajamittaista, jos vetyä on laitoksella vähintään 2 tonnia. Tällöin toiminnan valvova viranomainen on Tukes, jolta on haettava lupa toiminnalle (kuva 8.). Toiminnan laajuuteen vaikuttavat myös muuta laitoksella olevat vaaralliset kemikaalit. Lopullinen laajuus on syytä selvittää esim. KemiDigin suhdelukulaskurin avulla.

Kemikaaliturvallisuusluvan hakemiseen liittyy useita vaiheita etukäteisneuvotteluista päätöksen kuuluttamiseen. Sen lisäksi tulee käyttöönottotarkastus ja jälkivalvontaa.

Kuva 8. Kemikaaliturvallisuusluvan hakemusprosessi

 

Turvallisuusvaatimusasetuksessa (856/2012) asetetaan vaatimuksia laitoksen sijoitukselle ja toimintojen sijoitukselle laitosalueella perustuen mahdollisten onnettomuuksien seurauksiin. Vaatimuksia on myös ilmanvaihdolle, vuotojen huomaamiselle ja hallinnalle, laitteistojen turvallisuudelle ja kunnossapidolle, merkinnöille ja onnettomuuksiin varautumiselle.

11.1.1 Vedyn vähäisen käsittelyn ja varastoinnin luvitus

Laitoksen toiminta katsotaan kemikaaliturvallisuuslainsäädännön näkökulmasta vähäiseksi, jos laitoksella on vetyä alle 2 tonnia. Tällöin valvova viranomainen on pelastuslaitos. Yli 100 kg vetymäärästä on tehtävä ilmoitus pelastuslaitokselle. Vedyn jakeluasemat ovat useimmiten vähäistä vaarallisten kemikaalien käsittelyä ja varastointia ja näin ollen pelastuslaitoksen valvonnassa.

Ilmoitus tehdään pelastusviranomaiselle kirjallisesti vähintään kuukausi ennen käsittelyn tai varastoinnin aloittamista. Ilmoita kemikaali-ilmoituksessa pelastusviranomaiselle kaikki kohteen vaaralliset kemikaalit. Pelastusviranomainen tekee kemikaalipäätöksen ilmoituksen perusteella ja voi siinä asettaa velvoittavia ehtoja. Ilmoituksessa on selvitettävä tiedot vedyn käsittelystä vastaavasta toiminnanharjoittajasta ja laitoksen sijainnista. Siihen on myös liitettävä:

  • selvitys vedyn käsittelyyn ja varastointiin liittyvistä vaaroista ja onnettomuuksien seurausvaikutusarvioinneista (mallinnus)
  • käyttöturvallisuustiedotteet tai vastaavat tiedot 
  • pääpiirteittäinen selostus siitä, miten käsittely ja varastointi on suunniteltu tapahtuvaksi 
  • selvitys palontorjunnan järjestelyistä, mahdollisen vuodon hallinnasta ja muista onnettomuuksien varalta suunnitelluista toimenpiteistä.
  • räjähdyssuojausasiakirja.

Lisäksi pelastuslaitos voi pyytää lisäselvityksiä ja täydennyksiä.
Lomake ilmoituksen tekemiseen löytyy osoitteesta https://pelastuslaitokset.fi/julkaisut/vaarallisetkemikaalit ja yhteystiedot kunnan pelastuslaitokseen löytyvät osoitteessa www.pelastustoimi.fi olevasta palvelusta.

Kohteen tulee hyvissä ajoin pyytää käyttöönottotarkastusta pelastusviranomaiselta ennen toiminnan aloittamista. Tarkastuksessa kiinnitetään huomiota kohteen turvalliseen käyttöön ja sen rakenteiden, laitteistojen ja varusteiden huoltoon ja kunnossapitoon, henkilöstön koulutukseen ja opastukseen sekä onnettomuuksien ehkäisyyn ja pelastustoiminnan organisointiin. Toiminta on pelastusviranomaisen päätöksen mukaista vasta kun käyttöönottotarkastuksella mahdollisesti havaitut puutteet on korjattu.

11.1.2 Vedyn siirtoputkiston rakentamislupa

Vedyn siirtoputkiston rakentaminen vaatii aina Tukesin rakentamisluvan.  Lupaa on haettava hyvissä ajoin ennen toiminnan aloittamista. Luvan myöntämisen edellytyksenä on kemikaaliturvallisuuslaissa esitettyjen turvallisuusvaatimusten täyttyminen (LUKU 2, L 390/2005). Tukesin myöntämässä rakentamisluvassa annetaan vaatimuksia siirtoputkiston tarkastusmenettelyistä.

Vedyn siirtoputkiston rakentamislupahakemukseen vaaditaan seuraavat tiedot/liitteet putkiston käyttötarkoituksen mukaisesti:

  • Kirjallinen suunnitelma rakentamisesta (sijoitussuunnitelma)
  • Putkiston suunniteltu sijainti; kunnittain laaditut linjauskartat ja asemapiirustukset, joissa on esitettävä putkiston pituus, nimellissuuruus, suunnittelupaine, sijainti ja alueluokkajaotus sekä selvitys paineenvähennys- ja paineenlisäysasemien sekä venttiiliasemien sijainnista.
  • Putkiston materiaali ja korroosiosuojaus 
  • Suunnittelupaineet ja -lämpötilat 
  • PI- ja virtauskaaviot
  • Arvio putkiston merkittävistä ympäristövaikutuksista ja suunnitelma niiden ehkäisemisestä.
  • Arvio putkistoon, paineenkorotusasemiin ja paineenvähennysasemiin liittyvistä onnettomuusriskeistä sekä varautuminen niihin sijoitussuunnittelussa.
  • Räjähdysvaaran arviointi ja tarvittaessa räjähdyssuojausasiakirja sis. tilaluokituspiirustus, Ex-laiteluettelo.

Tietoa kemikaaliturvallisuusluvituksesta:
Kemikaalilaitokset | Turvallisuus- ja kemikaalivirasto (Tukes)
Kemikaalilaitokset - ohjeet ja oppaat | Turvallisuus- ja kemikaalivirasto (Tukes)

11.2 Ympäristölainsäädäntö

Vetyhankkeiden yhteydessä on tarkasteltava tarve myös ympäristölainsäädännön mukaisille vaikutusarvioinneille ja luville. Näistä yleisimmät ovat ympäristövaikutusten arviointimenettely (YVA) ja ympäristölupa, joista on säädetty laissa ympäristövaikutusten arviointimenettelystä (252/2017) ja ympäristönsuojelulaissa (527/2014). Vetyhankkeen toteuttaminen saattaa edellyttää myös muita ympäristöllisiä lupa- ja ilmoitusmenettelyjä kuten vesitalouslupaa tai meluilmoitusta.

11.2.1 YVA-menettely

Ympäristövaikutusten arviointi (YVA) on tehtävä hankkeille, joista on mahdollista aiheutua merkittäviä haitallisia ympäristövaikutuksia. Toiminnanharjoittaja on vastuussa siitä, että YVA-arviointi ja tarvittaessa päätös hankkeen YVA-tarpeesta tehdään. Alueellinen ELY-keskus toimii YVA-menettelyssä yhteysviranomaisena sekä neuvoo ja ohjaa hankkeesta vastaavaa YVA-arviointiin liittyvissä kysymyksissä. YVA-menettelystä ja sen tarpeesta säädetään YVA-laissa (YVAL 252/2017) ja YVA-asetuksessa (277/2017).

YVA-menettely jakautuu ohjelmavaiheeseen ja selostusvaiheeseen.

Kuva 9. YVA-menettelyn rakenne

 

Vedyn tuotannon YVA-menettelyn tarve riippuu siitä, onko kyseessä kemianteollisuuden integroitu tuotantolaitos (YVAL Liite 1 kohta 6 c).  Jos laitoksessa tuotetaan vetyä vain yhdellä kemiallisella prosessilla, kuten elektrolyysillä, hankkeeseen ei lähtökohtaisesti sovelleta YVAa. Siinä tapauksessa, että vedyn tuotantoon liitetään muitakin kemiallisia tai fysikaalisia prosesseja, kuten metaanin tuotantoa, YVA on pääsääntöisesti tehtävä.

Vedyn varastointi nesteenä tai kaasuna edellyttää YVA-arviointia, jos hankkeessa käytettävien varastosäiliöiden tilavuus on yhteensä vähintään 50 000 m3 (YVAL Liite 1, kohta 8 c).
Vedyn siirtoputkiston rakentaminen edellyttää YVA-arviointia, jos kemikaalien tai kaasun siirtoihin tarkoitetut putket ovat halkaisijaltaan yli DN 800 millimetriä ja niiden pituus on yli 40 kilometriä (YVAL Liite 1, kohta 8 a).

YVA-menettely voidaan ELY-keskuksen päätöksellä edellyttää tehtäväksi myös hankeluetteloon kuulumattomalta hankkeelta, jos siitä on mahdollista aiheutua merkittäviä haitallisia ympäristövaikutuksia (YVAL 13 §).

Soveltuvissa tapauksissa on mahdollista yhdistää ympäristövaikutusten arviointimenettelyyn ympäristöluvan hakeminen.

Tietoa YVA-menettelystä:
YVA - Hankkeiden ympäristövaikutusten arviointimenettely (ymparisto.fi)
Päätökset YVA-menettelystä (ymparisto.fi)

11.2.2 Ympäristölupa

Ympäristön pilaantumisen vaaraa aiheuttaville toiminnoille tarvitaan ympäristönsuojelulain (527/2014) mukainen lupa. Ympäristöluvassa pilaantumista hallitaan antamalla määräyksiä toiminnan laajuudesta, päästöistä ja niiden vähentämisestä. Tavoitteena ja luvan myöntämisen edellytyksenä on estää terveyshaittoja ja merkittävä ympäristön pilaantuminen ja sen vaara. 

Hankkeen ympäristöluvan tarpeen arvioi alueellinen ELY-keskus. Laitosten ympäristöluvan tarvetta arvioidaan kokonaisuutena ja siihen vaikuttavat mm. vedyn valmistustapa, lähtöaineet sekä tuotteen käyttötapa. Ympäristölupaa haetaan ympäristönsuojelulaissa ja -asetuksessa säädetyiltä lupaviranomaisilta eli aluehallintovirastoilta tai kunnan ympäristönsuojeluviranomaisilta. Vedyn tuotantohankkeissa lupaviranomainen on pääsääntöisesti aluehallintovirasto.

Vetyhankkeen ympäristöluvan tarve voi syntyä esimerkiksi seuraavilla perusteilla:
YSL liite 1, taulukko 1 (IED), kohta 4 a) epäorgaanisten kemikaalien valmistaminen teollisessa mittakaavassa 
YSL liite 1, taulukko 1 (IED), kohta 4 b) orgaanisten kemikaalien valmistaminen teollisessa mittakaavassa
YSL liite 1, taulukko 1 (IED) Kohta 5 a) hiilen tai muiden polttoaineiden kaasuttaminen laitoksissa, joiden polttoaineteho on vähintään 20 megawattia 
YSL liite 1, taulukko 2, kohta 5 a) muiden polttoaineiden kuin hiilen kaasuttaminen laitoksissa, joiden polttoaineteho on alle 20 megawattia ja polttoainetta valmistetaan vähintään 3 000 t/v

Ympäristölupaprosessi kestää noin 10-12 kuukautta. Vihreän energian hankkeille on mahdollista hakea etusijamenettelyä, jolloin käsittely aika on lyhyempi.

Ympäristölupaprosessi alkaa lupahakemuksesta, etenee kuuluttamisen, luvan hakijan kuulemisen, lupaharkinnan ja päätöksen kautta päätöksestä tiedottamiseen.

Kuva 10. Ympäristölupaprosessi

Lisätietoja
Yleinen ympäristölupiin liittyvä neuvonta: Ympäristöasioiden asiakaspalvelu - ELY-keskus 
Uusiutuvan energian neuvonta - ELY-keskus
Tietoa ympäristölupaprosessista (ymparisto.fi)
Lupaa haetaan sähköisesti aluehallinnon asiointipalvelussa

11.3 Räjähdysvaarallisia tiloja koskeva lainsäädäntö

Vety on erittäin räjähdysherkkää ja siksi myös räjähdysvaaraa koskeva lainsäädäntö on huomioitava vetyä tuotettaessa, käsiteltäessä ja varastoitaessa. Räjähdysvaaraa koskeva lainsäädäntö perustuu kahteen EU-direktiiviin; Atex-olosuhdedirektiivi (1999/92/EY) ja Atex-laitedirektiivi (2014/34/EU).

Atex-olosuhdedirektiivin vaatimukset on tuotu kansalliseen lainsäädäntöön työturvallisuuslaissa kemikaaliturvallisuuslaissa, valtioneuvoston asetus räjähdyskelpoisten ilmaseosten työntekijöille aiheuttaman vaaran torjunnasta (ATEX-asetus) (576/2003) ja turvallisuusvaatimusasetuksessa. Näistä löytyy vaatimuksia räjähdysvaaran tunnistamiseen ja tilojen luokitteluun räjähdysvaaran esiintymistodennäköisyyden sekä periaatteet räjähdyssuojausasiakirjan laatimiselle.

ATEX-laitedirektiivi on implementoitu Suomen lainsäädäntöön laissa (1139/2016) ja asetuksessa Ex-tiloissa käytettävien laitteiden ja suojausjärjestelmien vaatimustenmukaisuudesta (1439/2016).

Lisätietoa ATEX-asioista:
Räjähdysvaaralliset tilat
ATEX - Starttipaketti

11.4 Painelaitelainsäädäntö

Vetyä siirretään ja varastoidaan paineenalaisena. Paineellisia laitteita ja järjestelmiä koskee painelaitelainsäädäntö:

  • painelaitelaki (1144/2016)
  • valtioneuvoston asetus painelaitteista (1548/2016), jatkossa painelaiteasetus
  • valtioneuvoston asetus yksinkertaisista painesäiliöistä (1550/2016)
  • valtioneuvoston asetus painelaiteturvallisuudesta (1549/2016), jatkossa painelaiteturvallisuusasetus

Painelaitteeksi katsotaan säiliö, putkisto tai muu tekninen kokonaisuus, jossa on tai johon voi kehittyä ylipainetta vähintään 0,5 bar, sekä painelaitteen suojaamiseksi tarkoitettuja teknisiä kokonaisuuksia. Painelaite on rakennettava ja sijoitettava ja sitä on hoidettava, käytettävä ja tarkastettava niin, ettei se vaaranna kenenkään terveyttä, turvallisuutta tai omaisuutta.

Painelaiteasetus sisältää painelaitteita koskevia teknisiä ja luokitusta koskevia vaatimuksia sekä määräyksiä painelaitteen vaatimustenmukaisuuden arvioinnista.

Painelaiteturvallisuusasetuksessa käsitellään mm. painelaitteen rekisteröintiä, sijoitusta ja painelaitteelle tehtäviä tarkastuksia. Asetuksessa on vaatimuksia myös kuljetettaville painelaitteille liittyen mm. täyttöön, täyttöpaikkaan ja tarkastukseen. Nämä määräykset koskevat ensisijaisesti kuljetettavien painelaitteiden täyttöä hoitavaa toimijaa.

11.5 Pelastuslainsäädäntö

Vety aiheuttaa käsiteltäessä ja varastoitaessa ilmeistä vaaraa, johon toiminnanharjoittajan on varauduttava. Pelastuslaki (379/2011) edellyttää osaltaan tähän varautumiseen tavoitteenaan parantaa ihmisten turvallisuutta ja vähentää onnettomuuksia. Laki velvoittaa toiminnanharjoittajaa omatoimiseen ihmisten pelastamiseen, tärkeiden toimintojen turvaamiseen ja onnettomuuden seurauksien tehokkaaseen rajoittamiseen onnettomuuden uhatessa tai sen tapahduttua.

Pelastuslain mukaisesti pelastussuunnitelma on laadittava sellaiseen kohteeseen, joka on poistumisturvallisuuden tai pelastustoiminnan kannalta tavanomaista vaativampi, tai jossa aiheutuvan vaaran taikka mahdollisen onnettomuuden aiheuttamien vahinkojen voidaan arvioida olevan vakavat.

Pelastustoimesta annetussa valtioneuvoston asetuksessa (407/2011) on lueteltu erityyppisiä kohteita, joita velvoite pelastussuunnitelman laatimisesta koskee. Yhtenä on mainittu kohteet, joissa vaarallisen kemikaalin vähäistä teollista käsittelyä ja varastointia saa harjoittaa vain tekemällä siitä kemikaaliturvallisuuslaissa tarkoitetun ilmoituksen pelastusviranomaisille.

11.6 Maankäyttö- ja rakennuslainsäädäntö

Rakentamiseen liittyviä tärkeimpiä säädöksiä ovat maankäyttö- ja rakennuslaki (132/1999) ja maankäyttö- ja rakennusasetus (895/1999) sekä ympäristöministeriön asetus rakennusten paloturvallisuudesta (848/2017). Laissa säädetään kaavoituksesta sekä rakentamisen ja muiden toimenpiteiden luvanvaraisuudesta. Rakentamiseen liittyviä lupia ovat rakennuslupa ja toimenpidelupa. Uusi rakentamislaki (751/2023) astuu voimaan 1.1.2025.

Rakennuslupa liittyy varsinaisten rakennusten rakentamiseen ja laajentamiseen. Rakennelmat ja laitokset, jotka eivät tarvitse rakennuslupaa, voivat tarvita toimenpideluvan. Lisäksi kunta voi rakennusjärjestyksessään määrätä, että merkitykseltään ja vaikutukseltaan vähäiseen rakentamiseen tai muuhun toimenpiteeseen voidaan ryhtyä ilman rakennus- tai toimenpidelupaa, kun asianomainen on tehnyt tätä koskevan ilmoituksen kunnan rakennusvalvontaviranomaiselle. Vetytankkausasemien osalta yhteydenpito kunnan rakennusvalvontaviranomaisen kanssa antanee selkeimmät toimintaohjeet.

Rakennuslupaa tai toimenpidelupaa haetaan kunnan rakennusvalvonnasta. Rakennusluvan myöntämisen edellytykset riippuvat siitä onko rakennuspaikka asemakaavoitetulla vai asemakaavoittamattomalla alueella. Asemakaavoitetulla alueella rakennuspaikan soveltuvuus haettavaan tarkoitukseen on ratkaistu kaavassa. Asemakaavoittamattomalla alueella soveltuvuus tarkastellaan erikseen.

Toimenpidelupa edellytetään sellaisilta rakennuksilta tai laitoksilta, joiden osalta lupa-asian ratkaiseminen ei kaikilta osin edellytä rakentamisessa muutoin tarvittavaa ohjausta. Tällaisia kohteita ovat esimerkiksi mastot, säiliöt tai piiput. Laki luettelee hyvin selkeästi ne toimenpiteet, jotka edellyttävät toimenpideluvan hakemista. Kunnilla on kuitenkin mahdollisuus vaikuttaa toimenpideluvan edellyttämiseen omissa rakennusmääräyksissään.

11.7 Muu huomioitava lainsäädäntö

Vedyn käsittelyssä ja kuljetuksessa tulee ottaa huomioon myös muun lainsäädännön vaatimukset. Näitä ovat ainakin laki vaarallisten aineiden kuljetuksesta (541/2023), valtioneuvoston asetus vaarallisten aineiden kuljetuksesta (925/2023), sähköturvallisuuslaki (1135/2016), valtioneuvoston asetus sähkölaitteistoista (1434/2016), valtioneuvoston asetus sähkölaitteiden turvallisuudesta (1437/2016), mittauslaitelaki (707/2011), valtioneuvoston asetus mittauslaitteista (471/2014), valtioneuvoston asetus mittauslaitteiden olennaisista vaatimuksista, vaatimustenmukaisuuden osoittamisesta ja teknisistä erityisvaatimuksista (1432/2016).

11.7.1 Mittauslaitelaki

Mittauslaitelaissa 707/2011 säädetään mittauslaitteille ja -menetelmille asetettavista vaatimuksista ja niiden varmentamiseen liittyvistä toimenpiteistä. Lakia sovelletaan paineistetun kaasun jakelumittarin tyyppi- ja varmennustarkastukseen (VJ.K.xx.yy -tyyppihyväksyntätunnus, varmennustodistus). Vedyn mittauslaitteistojen teknisiin vaatimuksiin sovelletaan OIML-standardia OIML R 139 (2018) Compressed gaseous fuel measuring systems for vehicles.
Nesteytetyn kaasun jakelumittarin on oltava MID-hyväksytty ja kalibroitu. MID-hyväksyntä tehdään mittalaitedirektiivin 2014/32/EU mukaisesti.

12 Vetyä koskevat standardit ja muut ohjeistukset

Tähän kappaleeseen on kerätty lähteitä liittyen vedyn käsittelyyn ja varastointiin. Kaikki mainitut standardit eivät kuitenkaan ole Tukesin hyväksyttyjen standardien luettelossa, joten suoraan niitä noudattamalla ei katsota lainsäädännön vaatimusten täyttyvän. Tukes suosittelee kuitenkin standardien hyödyntämistä suunnittelun ja toteutuksen tukena.

Standardeja

SFS 3353:2019 Palavien kemikaalien tuotantolaitos
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

Ohjeita ja oppaita

Safety Aspects of Green Hydrogen Production on Industrial Scale

Polttokennosovellusten ja vetytankkauksen turvallisuuden varmistaminen, säädöksiä ja standardeja

Vetyputkistot

Hydrogen pipeline systems (eiga.eu)

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

Hydrogen Transportation - an overview | ScienceDirect Topics

 

Uusiutuvan energian tuotantolaitosten lupamenettelyt ja muut hallinnolliset menettelyt -opas

Vetysivustoja

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

Vetyonnettomuuksia

Hydrogen Incident Examples (h2tools.org)

Norway: Explosion at hydrogen filling station | electrive.com