Figur 1: Grovt förenklat händelsediagram från brand till jetflamma.
Artikelförfattare: Maja Alvesson, Nils Stridsberg och Simon Gustafsson, Sweco.
Efterfrågan av fossilfria fordonsbränslen ökar när klimatkrisen gör sig mer påtaglig. Vätgas är ett drivmedel som är på uppgång i branschen med utsläpp som i princip endast består av vatten. Något som blir aktuellt då användandet av vätgas ökar är hur den ska hanteras, förvaras och transporteras på säkrast möjliga sätt, eftersom gasen är väldigt brandfarlig. Vätgas förvaras bland annat i flaskor/tankar vid högt tryck, som vid höga temperaturer riskerar att bilda jetflammor som kan komma upp i temperaturer på 1900 ⁰C och bli 20 meter långa efter att säkerhetsventilen (TPRD) smälter eller behållaren punkteras. Säkerhetsventilen finns för att minimera risken för större konsekvenser till följd av explosion. En ytterligare risk är att det kan hända i stadsmiljöer, såsom garage eller parkeringshus.
Frågor som uppkommer i samband med detta är då hur konstruktioner kan skyddas mot jetflammor och hur deras bärförmåga ska upprätthållas.
Vätgas
Den attraktiva aspekten med vätgas är att det är möjligt att framställa ur vatten med hjälp av grön energi såsom kärnkraft och vattenkraft eller från förnyelsebar energi i form av vindkraft och solenergi. Denna energi lagras i kemisk form och används när det är underskott på elnätet.
Vätgas är explosivt under vissa förutsättningar och måste hanteras på rätt sätt. Vätgas förvaras vid högt tryck (700 bar) för att användas som fordonsbränsle. Det finns därför risk för tryckkärlexplosion [1]. För att minska den risken ska fordonsgasflaskor vara utrustade med en smältsäkring som smälter vid temperatur 110 °C±10 °C.
Fakta om H2 /vätgas
– Vätgas består av två väteatomer och har den kemiska beteckningen H2.
– Väte är det vanligaste och lättaste grundämnet vi har. Eftersom vätgas är ett väldigt lätt ämne relativt luft stiger den snabbt uppåt vid eventuellt läckage eller utsläpp och försvinner snabbt i öppna utrymmen.
– Vätgas är en energibärare och inte en energikälla vilket innebär att det krävs ingående energi för att utvinna väte ur exempelvis vatten eller metan.
– Vätgas har en lägsta antändningsenergi på 0,013 mJ vilket betyder att det inte krävs mycket energi för att antända den. Lägsta antändningsenergi är den* energi som behöver tillföras för att antända gasblandningen. För att gasen ska antända behöver även gas/luftblandningen vara inom brännbarhetsområdet.
Jetflamma
En jetflamma är en turbulent diffusionsflamma som brinner till följd av att ett brännbart ämne, i gas eller flytande form, kontinuerligt släpps ut från en öppning. Utseendet på jetflamman skiljer sig från en vanlig flamma då den tenderar att vara väldigt avlång beroende på om det är turbulent eller laminärt flöde.
En jetflamma kan uppstå i en bränsletank på flera olika sätt, exempelvis genom extern uppvärmning av fordonstanken vilket leder till att säkerhetsventilen (TPRD) utlöser för att minska trycket och förhindra kärl-explosion [2]. Finns det då en pilotlåga/primärbrand kan en jetflamma bildas. Det kan även ske vid punktering av tryckkärlet vilket kan leda till antändning av vätgasen på grund av exempelvis friktion från öppningen.
En vätgas-jetflamma kan uppnå gastemperaturer på uppemot 1900 °C och flamlängder på uppemot 20 meter beroende på flera ingående parametrar som:
• initialt och kvarstående tryck,
• mängd vätgas, • antal och storlek på utsläppshål.
Vätgas-jetflamman avger minimalt med värmestrålning och nästan allt värmeutbyte sker genom konvektion på grund av att gasen trycks ut ur behållen.
Både RISE och Markus Runefors har ge nomfört jämförbara experiment som tog i beaktning bidragen från strålning och konvektion med hjälp av plattermoelement, där de högsta yttemperaturerna uppmättes till 1200°C [1] respektive 1300°C [3].
Möjliga brandscenario
En brand som uppkommer i anslutning till en vätgastank kan resultera i ett antal scenarion. Figur 1 visar ett grovt förenklat händelsediagram från att en brand uppstår till att det bildas en jetflamma av vätgas trycksatt i behållaren.
Som tidigare nämnt kan en lokal brand i direkt anslutning till en trycksatt vätgastank leda till att säkerhetsventilen utlöser och en jetflamma uppstår. Det kan därav behövas kompletterande skydd på konstruktioner så de bibehåller sin bärförmåga, isoleringsförmåga och integritet.
