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 2000 - 2001

 
 
 
 

Sicurezza dei serbatoi per veicoli stradali che funzionano a idrogeno 

Per veicoli stradali che utilizzano il GH2 come carburante, lo stoccaggio dell’idrogeno sotto alta pressione può essere preso in considerazione a condizione di definire i dispositivi di sicurezza adatti.
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Sono state realizzate prove di “aggressione” meccanica e termica su un prototipo di unità di stoccaggio. Avviene che la presenza di un fusibile, se è indispensabile, non è sufficiente in caso di aggressione localizzata. Per altro, in caso di esplosione, l’idrogeno messo a contatto con l’aria può infiammarsi, amplificando così gli effetti di pressione.
Sono dunque necessari interventi complementari per validare la progettazione di tali serbatoi di idrogeno e dei dispositivi di sicurezza associati

Una delle principali ragioni che possono impedire uno sviluppo rapido dell’idrogeno come carburante risiede nel rischio di esplosione legato allo stoccaggio di questo gas nel serbatoio del veicolo. L’idrogeno può essere stoccato allo stato di gas liquefatto (LH2) o di gas compresso (GH2). Nel caso di veicoli su strada, il carburante allo stato di gas compresso richiede delle pressioni di stoccaggio elevate per ridurre il volume del serbatoio.

Lavori di ricerca sono stati realizzati in collaborazione con il CEA e AIR LIQUIDE, e col cofinanziamento della Commissione delle Comunità europee, allo scopo di:

*definire un prototipo di unità di stoccaggio dell’idrogeno sotto alta pressione e i dispositivi di sicurezza associati,

* costruire parecchi esemplari di questo prototipo,

* esaminare il comportamento del prototipo quando viene sottoposto a delle prove di aggressione simulanti delle situazioni di incidenti possibili.

Tipi di aggressione in caso di incidenti

Informazioni che permettano di individuare i vari tipi di aggressione a cui può essere sottoposta un’unità di stoccaggio (può essere costituita da più serbatoi e dispositivi di sicurezza), di GH2 ad alta pressione in veicoli stradali, sono state ricercate

* in basi - dati di incidenti,

* in testi regolamentari o normativi francesi o stranieri, in vigore per unità di stoccaggio similari, come come quelle relative al gas metano compresso,

* in altri documenti accessibili, tipo quelli pubblicati in occasione di congressi sull’idrogeno.

Partendo da queste informazioni, sono stati definiti più tipi di aggressione termica o meccanica, rappresentativi di situazioni incidentali potenziali.

Definizione, costruzione e validazione di un prototipo di unità di stoccaggio
E’ stata definita un’unità di stoccaggio, tenendo conto dello stato dell’arte in materia di costruzione di serbatoi di stoccaggio per GH2 sotto alta pressione e di dispositivi di sicurezza ad essi associati. Il suo serbatoio è una bombola in materiale composito, costituita da una camera d’aria in lega di alluminio e di una struttura composita, fatta di fibre di carbonio bobinate intorno contenitore e impregnate di una resina sintetica. Di una capacità di nove litri, questa bombola ha la forma di un cilindro chiuso da due fondi emisferici, di 55 cm di lunghezza totale e di 19 cm di diametro. L’efficienza di tenuta alla pressione, di una tale bombola, dipende dalle caratteristiche di spessore del contenitore e della superficie di bobinaggio. Questi elementi sono stati calcolati dal CEA in una pressione di servizio di 700 bar e in una pressione di rottura di 1750 bar. A questa bombola sono stati associati i seguenti organi di sicurezza, definiti da AIR LIQUIDE:

 * un orificio calibrato. destinato a giocare il ruolo di limitatore di flusso, in caso di fuga di idrogeno conseguente alla rottura accidentale della canalizzazione che veicola l’idrogeno al motore;

* un fusibile termico destinato a limitare la sovrapressione nella bombola, al momento di un riscaldamento anormale, permettendo lo scarico dell’idrogeno attraverso il limitatore di flusso,

* una valvola d’isolamento, necessaria per ragioni di manutenzione.

 Il fusibile termico è stato realizzato con un metallo che fonde a bassa temperatura (80°C) ed ha superato con successo una prova di tenuta stagna a 1050 bar.

Il diametro dell’orifizio calibrato è stato fissato a 0,35 mm in quanto , fino a che la pressione di stoccaggio dell’idrogeno è almeno uguale a 40 bar, questo orifizio permette un flusso massiccio di almeno 0,23 g/s, che è giusto sufficiente per assicurare un funzionamento normale del motore.

L’INERIS ha peraltro caratterizzato sperimentalmente il campo di concentrazione che risulterebbe dallo scarico di un getto di idrogeno a partire da una bombola a 700 bar di pressione e attraverso l’orifizio calibrato. La determinazione della concentrazione c di idrogeno in vari punti, situati sull’asse del getto a distanze x in rapporto all’orifizio, è rappresentata dalla
figura 1.
 
 
 Scarico di idrogeno da una bombola a 700 bar di pressione, attraverso un orifizio di 0,35 mm di diametro. Variazione della proporzione inversa della concentrazione in idrogeno (1/c) sull’asse del getto in funzione della distanza dall’orifizio
 

 

Definizione delle prove di aggressione

La tabella che segue raccoglie gli elementi descrittivi di 5 prove che sono state realizzate su unità di stoccaggio identiche a quello descritto precedentemente.

N° della prova

Pressione

Tipo di aggressione

Elementi descrittivi dell’aggressione

Realizzazione della prova

1

700 bar

Termica

Comportamento di fronte ad un getto di idrogeno infiammato

INERIS

2

700 bar

Termica

Comportamento di fronte a un fuoco di idrocarburo

INERIS

3

700 bar

Meccanica

Rottura mediante miccia detonante

INERIS

4

600 bar

Meccanica

Reazione ad una pallottola di fucile

INERIS

5

Meccanica

Prova di caduta di una bombola carica di acqua + prova di rottura idraulica

CEA

Risultati delle prove di aggressione

Nel corso di ciascuna delle prove realizzate all’INERIS, il serbatoio sottoposto a prova è stato situato in una gabbia a rete metallica cubica di 4 m di recinzione destinata ad arrestare i rottami risultanti da un’esplosione del recipiente.

Prova n° 1: la prova aveva lo scopo di esaminare il comportamento di una bombola di idrogeno (bombola-bersaglio), quando la sua parete sia sottoposta all’impatto termico di un getto di idrogeno infiammato, scaricato dall’orifizio del fusibile termico di un’altra bombola (bombola-fonte). A causa del riscaldamento della sua parete, la bombola-bersaglio ha visto la sua pressione interna aumentare leggermente, per poco meno di 3 minuti, fino alla sua esplosione in una quindicina di frammenti di dimensione variabile. La zona d’impatto termico del getto infiammato era localizzata vicina al fondo della bombola, e molto distante dal fusibile termico per permettere a quest’ultimo di aprirsi e impedire cos’ l’esplosione. Nel corso di questa, si è infiammata una frazione rilevante dell’idrogeno contenuto nella bombola.

Prova n° 2: la prova è consistita nel sottoporre una bombola di idrogeno a un fuoco di nafta. Contrariamente alla prova n.1, il fusibile termico si è aperto dopo quasi due minuti, cosa che ha permesso alla bombola di svuotarsi totalmente in poco meno di 8 minuti, senza esplodere.
Prova n° 3: è consistita nell’osservare i fenomeni successivi alla rottura di una bombola di idrogeno, risultanti dalla messa a fuoco di una miccia detonante che la cingeva a metà. La bombola si è rotta in due pezzi di dimensione simile e i fenomeni conseguenti a questa rottura sono stati i seguenti:

* proiezione di questi due pezzi, alla velocità iniziale di un centinaio di m/s,

* produzione di un’onda di pressione aerea,

* l’incendio dell’idrogeno

Secondo il valore della pressione della cresta dell’onda aerea prodotta, gli effetti di pressione possono essere considerati equivalenti a quelli prodotti dalla detonazione di 450 g di esplosivo condensato di tipo TNT. L’energia liberata dalla sola espansione dell’idrogeno rappresenta un equivalente energetico di 300 g soltanto, sicché una parte significativa dell’energia totale proviene dall’esplosione della miscela aria-idrogeno che si è formata. Questa miscela non pre-esiste, ma si forma nel corso dell’espansione stessa dell’idrogeno.
Prova n° 4: la prova è consistita nell’esaminare il comportamento di una bombola di idrogeno quando sia sottoposta all’impatto di un proiettile di fucile tirato a bruciapelo e con una velocità di almeno 850 m/s. Il proiettile ha attraversato da parte a parte la parete della bombola che tuttavia non è esplosa. L’idrogeno si è scaricato attraverso i due orifizi cos’ creati, sotto forma di due getti che non si sono incendiati.
Prova n° 5: la bombola riempita di acqua è stata sottoposta ad una prova di caduta al suolo, da un’altezza di 14 m, che corrisponde ad una velocità d’impatto di 60 km/h. La prova ha in seguito determinato l’influenza di questo choc sulla sua pressione di rottura idraulica.
La misurazione della pressione di rottura idraulica realizzata dopo la prova, quasi 1000 bar soltanto, mostra che la bombola ha subito un’aggressione meccanica sufficiente a diminuire fortemente le sue prestazioni di tenuta alla pressione.

Conclusioni
I principali insegnamenti tratti da queste prove sono dì due ordine:
 * un fusibile termico non è sufficiente ad impedire lo scoppio di una bombola sottoposta all’impatto termico localizzato di un getto di idrogeno infiammato;

* l’esplosione di una bombola che contiene idrogeno a 700 bar di pressione può accompagnarsi all’esplosione di una miscela aria-idrogeno. Una parte significativa dell’energia totale liberata nel corso del fenomeno, sotto forma di proiezione di flussi e di effetti di pressione, proviene da questa esplosione della miscela;

 Questi risultati mostrano che dei lavori complementari sono dunque necessari per migliorare la progettazione dei serbatoi d’idrogeno sotto altissime pressioni e dei dispositivi di sicurezza associati.

Pubblicazioni
 Chaineaux (J): Leak of Hydrogen from a Pressurized Vessel measurement of the Resulting Concentration Field. Workshop on Dissemination of Goals, Preliminary Results and Validation of Methodology, Bruxelles, 11 marzo 1999, pp.156 -161.

Fonte: “Rapporto scientifico 1999 di INERIS,  Istituto Nazionale dell’Ambiente e dei Rischi di Francia