Ученые из Южно-Африканского центра компетенции HySA и Всероссийского научно-исследовательского института по эксплуатации атомных электростанций выяснили, как ведет себя водород при случайной утечке из небольшого настольного электролизера. Эта тема становится все более актуальной, поскольку компактные установки для получения «зеленого» водорода применяются не только в промышленности, но и в научных лабораториях, а в перспективе могут появиться и в жилых домах, в связи с чем предотвращение опасного скопления гремучего газа в замкнутом пространстве – важный вопрос безопасности.
В ходе работы исследователи смоделировали аварийную ситуацию – разгерметизацию водородной линии внутри корпуса электролизера. Рассматривались четыре сценария с давлением утечки от 1 до 6 бар, а также оценивалась эффективность простой принудительной вентиляции со скоростью воздушного потока около 1 метра в секунду.
Исследование сочетало эксперимент и численное моделирование.
В реальных испытаниях концентрацию водорода фиксировали датчики, установленные под крышкой корпуса, где с учетом легкости газа наиболее вероятно его накопление. Одновременно проводилось компьютерное моделирование в среде STAR-CCM+, позволившее получить трехмерную картину распределения водорода во всем внутреннем пространстве устройства – среди трубок, сепараторов, осушителей и других элементов.
Так было установлено, что при отсутствии вентиляции водород, который почти в 15 раз легче воздуха, быстро поднимался вверх и скапливался под потолком корпуса. Уже при давлении 1 бар концентрация достигала 8-9%, а при 6 бар – 23-25%. Это значительно превышает нижний предел воспламеняемости водорода в воздухе (около 4%), то есть при таких значениях достаточно малейшего источника зажигания, чтобы возникла взрывоопасная ситуация.
Расчеты показали, что наибольшие концентрации формируются в отсеке, где происходит электролиз, тогда как в электронный отсек газ проникает меньше благодаря конструктивному разделению.
При этом даже умеренная принудительная вентиляция существенно меняет картину: при утечках под давлением 1-2 бар концентрация водорода снижается до десятых долей процента – это безопасный уровень, а при давлении 6 бар вентиляция удерживает концентрацию в пределах 3-5%, ограничивая объем потенциально воспламеняемой смеси и не позволяет водороду распространиться в отсек с электрическими компонентами системы.
Численная модель также позволила выявить потенциально уязвимые зоны: например, за водородным сепаратором в дальнем углу корпуса может формироваться локальная застойная область, где газ задерживается дольше, чем в остальном объеме. Именно такие участки рекомендуется учитывать при размещении датчиков, чтобы система раннего обнаружения утечки срабатывала максимально оперативно.
В дальнейшем исследователи планируют проанализировать другие варианты утечек и геометрию выхода газа, оценить различные схемы размещения датчиков и конфигурации вентиляции, а также расширить набор сценариев моделирования, чтобы выработать практические рекомендации для проектирования более безопасных компактных водородных установок.
