氢预计将成为清洁能源的主要来源，将成为能源和化学品公司净零战略不可或缺的一部分，从而增加对氢安全流程、系统和最佳实践的需求。
氢是一种可运输的能量载体，具有很高的能量潜力，可用作运输、发电、供暖和工业应用的燃料。与天然气不同，氢气产生清洁燃烧，没有温室气体排放。然而，从火灾和爆炸危险的角度来看，氢气不如天然气安全，因为它更容易点燃。它具有较低的点火能级，更宽的可燃浓度范围，更容易泄漏，没有气味，燃烧比天然气更热，并且可以产生更高的超压和爆炸。更宽的易燃浓度范围和快速的火焰速度意味着氢气燃烧更难控制。氢气每磅的热值更高，但它需要更大的体积才能产生与天然气相同的能量。
工业风险和污染分析局（BARPI）ARIA数据库报告对全球215起工业氢相关事故进行了分析。这些氢事故中的大多数（60%-70%）发生在能源和化工行业。目前尚不清楚这些数据中有多少百分比与绿色氢气生产有关，但由于事故数据是在2007年之前编制的，因此这些数字很可能很小。对统计数据的一个有趣观察是，70%的事故是由“组织和人为故障”造成的，因此预防应侧重于氢气风险意识和公司安全程序。话虽如此，由于目前生产的氢气中有90%以上来自化石燃料，主要用于炼油和化肥行业，因此标准的行业实践和法规要求安装高可用性的功能安全系统以确保过程安全。
绿色氢电解槽
绿色制氢背后的基本概念是使用电气化将水分子分解成氢气和氧气的电解过程。电力必须来自可再生能源，才能被称为绿色氢。一个典型的绿色氢厂在5-25兆瓦的电解槽上运行，但我们看到更大的工厂产能正在计划超过100兆瓦。
提高电气化和扩大生产能力
绿色氢气生产的挑战，特别是如果它被整合到化工厂、炼油厂或石化厂，不是安全，而是产能的扩大和电气化过程。工业安全标准，如职业安全与健康管理局（OSHA）、过程安全管理、ISO、NFPA、IEC等，已经包括氢气等易燃气体。氢气通常是通过一种称为蒸汽重整的热化学过程产生的。它通常被称为灰氢。该过程类似于工厂内的其他热化学过程，因此它被纳入工厂安全。例如，在炼油厂中，大量的灰氢被生产出来并用于加氢脱硫过程和加氢裂化过程。依靠CCUS对灰氢进行脱碳的蓝氢也不会改变这些工厂的安全协议。基于通电过程的绿氢不同于热化学过程——传统的化工、炼油和石化操作不熟悉这种过程。例如，对于一个150000桶/天的典型炼油厂，取代蒸汽甲烷重整器的电解槽需要额外的100MW电网功率来产生绿色氢气；这几乎比这种能力的整个炼油厂所需的传统电网功率高出200%。对于独立的绿色氢气生产商来说，从25兆瓦扩大到100兆瓦的生产规模也将面临类似的挑战。整流器控制和更高的电力负荷需要更大的电力基础设施和电力安全措施。将可再生能源与传统化石燃料发电结合起来生产氢气可能是一个过渡或混合过程，需要微电网优化。从生命周期的角度来看，包括设计、工程、操作和维护，综合电力和工艺安全变得越来越重要。
氢气安全标准
现有的几个与氢相关的行业标准：
ISO 198880-1：2019。该标准为工业应用中使用水电解工艺的氢气发生器提供了安全要求。
NFPA 2：氢技术代码。美国国家消防协会 （NFPA） 制定了此规范，以解决各种应用中氢气的安全安装、储存、使用和处理问题。它涵盖了氢气的产生、储存、运输和利用等方面。
IEC 61508：确保包括氢气在内的各种行业中电气/电子/可编程相关系统功能安全的框架。
ISO 14687。氢燃料产品规格，包括纯度等级限制等方面。确保高质量的氢气对于安全和高效利用至关重要
ASME BPVC 第八节，第 1 部分。涵盖压力容器的设计、制造和检查的锅炉和压力容器代码。它包括对储氢罐和压力容器的要求。
IEC 62282 燃料电池技术。该标准涵盖了燃料电池技术的各个方面，包括安全性。
氢气管道在更高的压力下运行，这可能会导致旧管道脆化、小裂纹和凹痕，从而导致泄漏和破裂。到目前为止，一般的指导方针和研究是，现有的天然气管道可以处理高达20%的氢气混合物。钢合金、复合材料和特种聚合物等材料通常用于氢气储存和运输。储存区应安装足够的泄漏检测系统和适当的通风系统，以防止燃烧。从氢气转化为氨和甲醇被认为是方便大量液体运输的良好能量载体。氢和氨运输的一些标准可能已经过时，不能大规模生产。在碳氢化合物加工中使用氢气作为燃料可能是一项挑战，因为氢气比天然气燃烧得更热，必须特别考虑金属的选择。
将电气安全与工艺安全相结合
氢的应用在能源和化学品领域并不是什么新鲜事。绿氢电气化将是HAZOP（危险和可操作性研究）中风险评估的一部分。安全专家需要重新评估电气风险，并进行电气HAZOP。新的安全问题包括电缆过热，可能导致电气关闭或电弧闪光。随着工艺变得更加电密集，工艺安全和电气安全需要结合起来。电力供应是绿色氢气的关键，因为它约占生产绿色氢气总成本的70%-80%。氢气生产无法预见的电力负荷和电力基础设施大幅增加，引发了新的安全问题。IT/OT融合带来的数字化要求更严格的网络安全协议。网络安全策略应包含在过程安全最佳实践中，因为网络安全本质上是数字安全，是保护关键基础设施正常运行时间、安全和安全的关键组成部分。
制氢工艺安全最佳实践
正确设计 - 工艺设计应包含来自 HAZOP、PHA、LOPA 和 SIL/SIF 研究的氢气安全标准和协议。开发制氢厂及其资产的数字孪生将影响工厂整个生命周期的安全性。例如，基于数字孪生的动态模拟和操作员培训、训练操作员处理异常危险情况。将网络安全IEC 62443设计实践整合到IT和OT中。
构建良好 - 集成的控制和安全系统使流程自动化，并为异常情况提供最有效的预防。将网络安全IEC 62443设计纳入It/OT互连、设备加固、远程访问点和防火墙非常重要。确保生产或储存氢气的区域通风良好，以防止氢气积聚。安装氢气探测器和监测系统，及时检测泄漏或异常气体浓度。定期校准和维护这些监控系统。
安全操作 - 随着操作的动态变化，流程、人员和技术也需要不断发展。警报管理解决方案优先处理警报并解决警报泛滥问题。安全数据分析系统监控和审查安全工作流程，提出维修或修改建议。操作员培训系统和增强现实软件解决方案确保操作员技能得到更新。云和高级分析等数字化技术支持远程操作，以提高工人安全。网络安全检测、意识和培训将确保安全操作。
适当检查 - 程序自动化和移动操作员巡视确保资产可靠运行，并遵守安全程序。网络安全是大多数首席信息官最关心的问题，网络安全审计可能是一个很好的起点。
维护良好 - 当系统老化，可靠性成为问题时，应考虑控制系统的现代化。资产性能管理解决方案确保仪器设备、阀门、压缩机和泵的资产可靠性。网络安全响应恢复程序和软件补丁管理是维护的重要组成部分。适当的个人安全措施，如个人防护装备、坠落防护和出入安全，可保护工人免受伤害和疾病。
随着电气化程度的提高，将电气安全与工艺安全相结合将是至关重要的。最有效的电气安全策略是预防。目标是保护人民和防止火灾。
氢气生产的电气安全最佳实践
正确设计 - 在设计阶段与电力系统专家一起审查电气系统设计。
构建良好 - 包含标准的内置设计电力系统，如中压配电盘、低压断路器和电机控制中心，以防止电气危险。考虑其他创新解决方案，如电弧闪光检测、无线自供电热监测、基于外壳的电弧电阻、板载支架、远程支架和远程控制。
安全操作 - 使用触觉虚拟现实解决方案确保对操作进行充分的电气安全培训
正确检查 - 通过现代化、性能、安全（MPS）企业研究和电弧闪光研究对电气系统进行审计
维护良好 - 通过远程分析和专家诊断，安全地维护、连接和监控电气资产。
安全将始终是能源和化学品公司的首要任务，安全将随着氢经济的兴起而发展。作为能源管理、工业自动化和数字化领域的全球专家，施耐德电气可以在帮助客户实现绿色氢气设计、工程、运营和维护方面发挥相关作用，使其更安全、更高效、更可靠、更具成本效益。
