Vodík sa čoraz častejšie využíva v priemysle, energetike, chemických procesoch aj pri vývoji nových technológií. S rastúcim využívaním vodíka však rastú aj požiadavky na bezpečnosť jeho skladovania, distribúcie a používania.

Vodík má niekoľko vlastností, ktoré ho odlišujú od bežných horľavých plynov. Je mimoriadne ľahký, rýchlo difunduje, nemá farbu ani zápach a so vzduchom dokáže vytvárať výbušnú zmes v širokom rozsahu koncentrácií.

Únik vodíka preto nemusí byť viditeľný ani rozpoznateľný ľudskými zmyslami.

Správne navrhnutý systém detekcie vodíka je dôležitou súčasťou bezpečnosti priemyselných prevádzok.

Pri jeho výbere však nestačí zvoliť ľubovoľný detektor horľavých plynov. Rozhodujúca je vhodná senzorová technológia, merací rozsah, umiestnenie detektorov aj spôsob reakcie systému na vznikajúci únik.

Prečo je vodík z hľadiska bezpečnosti špecifický?

Vodík (H₂) je najľahší chemický prvok a má výrazne odlišné fyzikálne vlastnosti od mnohých bežne používaných priemyselných plynov.

Z hľadiska bezpečnosti sú dôležité najmä tieto vlastnosti:

• Bezfarebný a bez zápachu: Únik nemožno spoľahlivo rozpoznať ľudskými zmyslami.

• Veľmi nízka hustota: Pri úniku do pokojného vzduchu má vodík tendenciu stúpať.

• Vysoká difuzivita: Vodík sa vo vzduchu rýchlo rozptyľuje.

• Široký rozsah horľavosti: Vo vzduchu je horľavý približne pri koncentráciách 4–75 % objemu.

• Nízka minimálna zápalná energia: Za určitých podmienok ho môže zapáliť aj veľmi malý energetický impulz.

• Možnosť vzniku nebezpečných koncentrácií v uzavretých priestoroch: Najmä pri nedostatočnom vetraní alebo v priestoroch, kde sa môže hromadiť.

Vodík sa zároveň môže uvoľňovať cez netesnosti spojov, ventilov a ďalších komponentov technologických zariadení.

Tieto vlastnosti je potrebné zohľadniť už pri návrhu systému detekcie.

Čo znamená dolná medza výbušnosti vodíka?

Pri detekcii horľavých plynov sa často používa označenie LEL – Lower Explosive Limit, teda dolná medza výbušnosti.

Predstavuje najnižšiu koncentráciu horľavého plynu vo vzduchu, pri ktorej sa za definovaných podmienok môže šíriť plameň.

Pri vodíku je dolná medza horľavosti približne 4 % objemu vo vzduchu.

To zodpovedá približne 40 000 ppm.

Detektory horľavých plynov často zobrazujú koncentráciu v jednotkách % LEL.

Pri použití hodnoty 4 % objemu ako 100 % LEL vychádza:

Uvedené hodnoty sú orientačné. Pri návrhu systému treba používať referenčné hodnoty a kalibračné postupy predpísané výrobcom a príslušnými normami.

Dôležité: Hodnota 100 % LEL neznamená maximálnu možnú koncentráciu vodíka. Predstavuje dolnú hranicu horľavého rozsahu.

Prečo nestačí bežný detektor horľavých plynov?

Nie každý detektor označený ako detektor horľavých plynov je automaticky vhodný na detekciu vodíka.

Rozhodujúcim faktorom je použitá senzorová technológia.

Niektoré snímače reagujú na širokú skupinu horľavých plynov, iné sú optimalizované pre konkrétne látky.

Napríklad bežné infračervené detektory využívajúce absorpciu infračerveného žiarenia nie sú vhodné na priamu detekciu vodíka.

Molekula vodíka totiž nemá vhodné infračervené absorpčné vlastnosti pre tento bežný merací princíp.

To znamená, že infračervený detektor určený na metán alebo uhľovodíky nemusí vodík vôbec detegovať.

Pri výbere preto treba vždy overiť, či výrobca výslovne uvádza vodík H₂ medzi detegovanými plynmi.

Aké technológie sa používajú na detekciu vodíka?

V priemyselných aplikáciách sa využíva viacero senzorových princípov.

Každý má svoje výhody, obmedzenia a vhodné oblasti použitia.

1. Katalytické senzory

Katalytické senzory, označované aj ako pellistory, patria medzi tradičné technológie detekcie horľavých plynov.

Ich princíp spočíva v katalytickej oxidácii horľavého plynu na aktívnom povrchu meracieho prvku.

Pri reakcii vzniká teplo, ktoré spôsobuje zmenu elektrických vlastností senzora.

Elektronika túto zmenu vyhodnotí ako koncentráciu horľavého plynu.

Výhody

• vhodné pre detekciu viacerých horľavých plynov,

• osvedčená technológia,

• dostupnosť priemyselných vyhotovení,

• možnosť merania v rozsahu % LEL.

Obmedzenia

• na správnu funkciu potrebujú dostatok kyslíka,

• môžu byť citlivé na katalytické jedy a inhibítory,

• vyžadujú pravidelné funkčné skúšky a kalibráciu,

• pri veľmi vysokých koncentráciách môžu vykazovať neštandardné správanie.

Katalytický detektor môže byť vhodným riešením na detekciu vodíka, ak je na tento plyn určený a správne kalibrovaný.

2. Polovodičové senzory

Polovodičové senzory využívajú zmenu elektrickej vodivosti citlivého materiálu pri kontakte s plynom.

Často sa používajú materiály na báze oxidov kovov.

Pri prítomnosti vodíka sa menia elektrické vlastnosti snímacej vrstvy, čo elektronika vyhodnotí ako zmenu koncentrácie.

Výhody

• vysoká citlivosť pri vhodnom návrhu,

• možnosť kompaktného vyhotovenia,

• použiteľnosť v rôznych rozsahoch koncentrácie,

• dostupnosť senzorov optimalizovaných na vodík.

Obmedzenia

• citlivosť na ďalšie plyny,

• vplyv teploty a vlhkosti,

• možné zmeny citlivosti počas životnosti,

• potreba vhodnej kompenzácie a kalibrácie.

Nie všetky polovodičové senzory sú vhodné na bezpečnostné aplikácie. Rozhodujúce je konkrétne vyhotovenie a deklarované vlastnosti zariadenia.

3. Elektrochemické senzory

Elektrochemické senzory využívajú chemickú reakciu plynu na elektróde.

Vznikajúci elektrický signál súvisí s koncentráciou meraného plynu.

Špeciálne elektrochemické senzory sa používajú aj na detekciu vodíka, najmä pri nižších koncentráciách.

Výhody

• možnosť citlivého merania nízkych koncentrácií,

• relatívne nízka spotreba energie,

• vhodnosť pre niektoré prenosné a stacionárne aplikácie.

Obmedzenia

• obmedzená životnosť senzorového článku,

• možná krížová citlivosť,

• závislosť od podmienok prostredia,

• obmedzenia meracieho rozsahu podľa konkrétneho senzora.

Elektrochemický senzor určený na iný plyn nemožno automaticky používať ako detektor vodíka.

4. Senzory na princípe tepelnej vodivosti

Vodík má výrazne vyššiu tepelnú vodivosť než vzduch.

Túto vlastnosť možno využiť na meranie jeho koncentrácie.

Senzor sleduje zmenu prenosu tepla medzi vyhrievaným prvkom a okolitým plynom.

Výhody

• možnosť merania vyšších koncentrácií vodíka,

• merací princíp nevyžaduje katalytické spaľovanie,

• vhodnosť pre vybrané procesné aplikácie.

Obmedzenia

• výsledok závisí od zloženia plynnej zmesi,

• citlivosť na ďalšie plyny s odlišnou tepelnou vodivosťou,

• nie vždy vhodné na detekciu veľmi nízkych koncentrácií.

Senzory tepelnej vodivosti sa preto používajú najmä tam, kde je známe zloženie plynnej zmesi alebo je potrebné merať vyššie koncentrácie.

Porovnanie technológií detekcie vodíka

Neexistuje jedna technológia, ktorá by bola najlepšia pre všetky aplikácie.

Pri výbere treba posúdiť merací rozsah, požadovanú rýchlosť reakcie, podmienky prostredia a bezpečnostnú funkciu systému.

Kde správne umiestniť detektor vodíka?

Správne umiestnenie detektorov je rovnako dôležité ako výber senzorovej technológie.

Vodík je výrazne ľahší než vzduch, preto má pri úniku tendenciu stúpať.

To však neznamená, že každý detektor musí byť automaticky namontovaný na strope.

Rozloženie koncentrácie vodíka závisí od viacerých faktorov:

• miesta a smeru úniku,

• tlaku unikajúceho plynu,

• prúdenia vzduchu,

• prirodzeného alebo núteného vetrania,

• geometrie priestoru,

• prekážok a technologických zariadení.

Detekcia v uzavretých priestoroch

V uzavretých priestoroch môže dochádzať k hromadeniu vodíka v horných častiach miestnosti.

Pozornosť treba venovať najmä:

• stropným priestorom,

• podhľadom,

• technologickým šachtám,

• priestorom nad zariadeniami,

• miestam s obmedzeným vetraním.

Detektory sa často umiestňujú do vyšších častí priestoru, ale ich presná poloha musí vychádzať z posúdenia rizika a možného šírenia plynu.

Detekcia vo vonkajšom prostredí

Vo vonkajšom prostredí sa vodík môže rýchlo rozptyľovať.

To však nevylučuje vznik nebezpečnej koncentrácie v bezprostrednej blízkosti úniku.

Dôležité je zohľadniť:

• možné miesta netesností,

• ventily a prírubové spoje,

• kompresory,

• tlakové redukčné stanice,

• plniace a vypúšťacie miesta,

• smer a charakter prúdenia vzduchu.

Pri vonkajších aplikáciách nemusí byť vhodné spoliehať sa iba na jeden detektor umiestnený vo veľkej vzdialenosti od potenciálneho zdroja úniku.

Aký merací rozsah zvoliť?

Pri výbere detektora vodíka treba rozlišovať medzi dvoma základnými požiadavkami.

Bezpečnostná detekcia horľavých koncentrácií

Ak je cieľom upozorniť na vznik horľavej atmosféry, používajú sa často detektory s rozsahom:

0–100 % LEL

Takéto zariadenia umožňujú sledovať koncentráciu vodíka vo vzťahu k dolnej medzi horľavosti.

Používajú sa najmä v priemyselných bezpečnostných systémoch.

Detekcia nízkych koncentrácií

Ak je cieľom včas odhaliť malý únik alebo sledovať veľmi nízke koncentrácie, môže byť potrebný detektor s rozsahom v ppm.

Napríklad:

• 0–1 000 ppm,

• 0–2 000 ppm,

• 0–5 000 ppm.

Ide o príklady možných meracích rozsahov, nie o univerzálne parametre všetkých detektorov vodíka.

Pri takýchto aplikáciách je dôležité preveriť aj detekčný limit, presnosť a čas odozvy.

Ako nastaviť alarmy pri detekcii vodíka?

Detekčný systém má včas upozorniť na vznikajúci únik a umožniť prijatie bezpečnostných opatrení.

V priemysle sa často používajú viacstupňové alarmy.

Napríklad:

Uvedené hodnoty sú iba ilustračné a nepredstavujú univerzálne odporúčané nastavenie.

Skutočné alarmové hranice sa musia určiť podľa analýzy rizika, príslušných noriem, požiadaviek prevádzky, vlastností detektora a času potrebného na vykonanie bezpečnostnej reakcie.

Pri návrhu je potrebné zohľadniť aj oneskorenie detekcie spôsobené transportom plynu k senzoru.

Detekcia vodíka v batériových miestnostiach

Jednou z tradičných aplikácií detekcie vodíka sú priestory s určitými typmi olovených akumulátorov.

Pri nabíjaní, najmä pri prebíjaní alebo v závislosti od konštrukcie batérie, môže dochádzať k uvoľňovaniu vodíka.

Ak je vetranie nedostatočné, vodík sa môže hromadiť v horných častiach miestnosti.

Pri návrhu bezpečnostných opatrení sa preto posudzuje:

• typ a kapacita batérií,

• režim nabíjania,

• množstvo potenciálne uvoľňovaného vodíka,

• účinnosť vetrania,

• geometria miestnosti,

• požiadavky príslušných noriem.

Detekcia vodíka môže byť súčasťou bezpečnostného riešenia, ale nenahrádza správne navrhnuté vetranie.

Detekcia vodíka pri elektrolyzéroch a vodíkových technológiách

S rozvojom vodíkového hospodárstva rastie význam detekcie H₂ aj pri nových technologických zariadeniach.

Patria medzi ne:

• elektrolyzéry,

• systémy skladovania vodíka,

• kompresorové stanice,

• vodíkové plniace stanice,

• palivové články,

• distribučné a regulačné systémy vodíka.

V týchto aplikáciách môže byť detekcia plynu prepojená s riadiacim a bezpečnostným systémom.

Pri prekročení stanovenej koncentrácie môže systém podľa bezpečnostného návrhu:

• aktivovať výstrahu,

• ovládať vetranie,

• uzatvoriť bezpečnostné ventily,

• odstaviť vybrané zariadenia,

• preniesť informáciu do nadradeného systému.

Konkrétne funkcie musia vychádzať z analýzy rizika a bezpečnostnej koncepcie technológie.

Je pri detekcii vodíka potrebná certifikácia ATEX?

Pri zariadeniach umiestnených v priestoroch s nebezpečenstvom výbuchu je potrebné preveriť ich vhodnosť pre príslušnú klasifikáciu prostredia.

V Európskej únii sa na zariadenia určené do výbušnej atmosféry vzťahujú požiadavky ATEX.

Dôležité je rozlišovať medzi:

• vhodnosťou detektora na meranie vodíka,

• certifikáciou zariadenia na prevádzku vo výbušnom prostredí,

• prípadnou certifikáciou jeho meracej alebo bezpečnostnej funkcie.

Detektor môže byť vhodný na meranie vodíka, ale nemusí mať vyhotovenie určené do konkrétnej Ex zóny.

Rovnako samotné označenie ATEX neznamená, že zariadenie dokáže merať vodík.

Pri výbere treba preveriť najmä:

• určenú Ex zónu,

• skupinu plynov,

• teplotnú triedu alebo maximálnu povrchovú teplotu,

• certifikované vyhotovenie,

• vhodnosť senzorovej technológie pre H₂,

• požiadavky na funkčnú bezpečnosť, ak sú relevantné.

Vodík patrí do skupiny plynov IIC, ktorá je z hľadiska elektrických zariadení v Ex prostredí osobitne náročná.

Prenosný alebo stacionárny detektor vodíka?

Výber závisí od spôsobu použitia.

Prenosné detektory

Používajú sa najmä pri:

• servisných zásahoch,

• kontrolách technologických zariadení,

• údržbe,

• kontrole netesností,

• dočasnom monitorovaní pracoviska.

Výhodou je mobilita a možnosť vykonávať meranie na rôznych miestach.

Stacionárne detektory

Sú určené na trvalé monitorovanie konkrétneho priestoru alebo technologického zariadenia.

Ich výhodou je možnosť:

• nepretržitého monitorovania,

• automatického vyhodnocovania alarmov,

• prepojenia s bezpečnostnou ústredňou,

• integrácie do PLC alebo nadradeného systému,

• automatického vykonania bezpečnostných opatrení.

Pri trvalom riziku úniku vodíka býva stacionárny systém dôležitou súčasťou bezpečnostnej koncepcie prevádzky.

Ako často treba detektory vodíka kontrolovať a kalibrovať?

Spoľahlivosť detekcie závisí nielen od správneho výberu zariadenia, ale aj od pravidelnej údržby.

Senzory môžu počas prevádzky postupne meniť svoje vlastnosti.

Ich citlivosť môže ovplyvňovať:

• starnutie meracieho prvku,

• teplota,

• vlhkosť,

• prach,

• chemické látky,

• dlhodobé vystavenie plynom,

• prevádzkové podmienky.

Preto je potrebné vykonávať funkčné skúšky a kalibrácie podľa pokynov výrobcu a požiadaviek konkrétnej aplikácie.

Dôležité je rozlišovať medzi funkčnou skúškou, pri ktorej sa overuje reakcia zariadenia na skúšobný plyn, a kalibráciou, pri ktorej sa overujú alebo upravujú jeho meracie vlastnosti.

Intervaly nemožno určiť univerzálne pre všetky detektory.

Najčastejšie chyby pri výbere detektora vodíka

V priemyselnej praxi sa opakujú najmä tieto chyby.

1. Použitie nevhodného infračerveného detektora

Bežný NDIR detektor určený na uhľovodíky nemusí vodík vôbec detegovať.

2. Výber detektora iba podľa označenia LEL

Nie každý detektor horľavých plynov má rovnakú citlivosť na vodík.

3. Nesprávne umiestnenie detektora

Detektor nemusí zachytiť únik včas, ak je umiestnený mimo predpokladanej dráhy šírenia plynu.

4. Ignorovanie vetrania

Prúdenie vzduchu môže zásadne ovplyvniť rozloženie koncentrácie vodíka.

5. Nesprávny merací rozsah

Detektor s rozsahom 0–100 % LEL nemusí byť vhodný na presné sledovanie veľmi nízkych koncentrácií v ppm.

6. Nevhodné nastavenie alarmov

Príliš vysoké alebo nesprávne zvolené alarmové hranice môžu znížiť účinnosť bezpečnostného systému.

7. Zanedbanie údržby

Aj správne navrhnutý detektor môže postupne stratiť citlivosť alebo prestať fungovať podľa požiadaviek.

8. Zamieňanie ATEX certifikácie s vhodnosťou na meranie H₂

Certifikácia do Ex prostredia sama osebe nepotvrdzuje schopnosť detegovať vodík.

Ako správne vybrať detektor vodíka?

Pred výberom je potrebné určiť základné technické a bezpečnostné požiadavky.

Pri bezpečnostných aplikáciách musí byť výber súčasťou celkového posúdenia rizika.

Záver

Vodík predstavuje z hľadiska detekcie špecifickú výzvu. Je mimoriadne ľahký, rýchlo difunduje, má široký rozsah horľavosti a jeho únik nemožno spoľahlivo rozpoznať ľudskými zmyslami.

Preto je dôležité používať detekčné zariadenia, ktoré sú výslovne určené na meranie vodíka.

Nie každý detektor horľavých plynov je vhodný na H₂ a nie každá senzorová technológia poskytuje rovnaké výsledky.

Pri výbere je potrebné zohľadniť merací rozsah, princíp detekcie, podmienky prostredia, umiestnenie detektorov, alarmové hranice aj požiadavky na certifikáciu.

Správne navrhnutý systém detekcie vodíka môže pomôcť včas identifikovať únik a aktivovať bezpečnostné opatrenia ešte pred vznikom nebezpečnej situácie.

Spoločnosť REFLOW SK dodáva priemyselné systémy detekcie plynov vrátane prenosných a stacionárnych riešení. V spolupráci s výrobcami, ako je RIKEN KEIKI, pomáhame zákazníkom pri výbere vhodnej detekčnej technológie podľa charakteru plynu, požadovaného meracieho rozsahu a prevádzkových podmienok.