Il codice internazionale di sicurezza per le navi che utilizzano gas o altri carburanti a basso punto di infiammabilità, meglio noto come codice IGF, è il riferimento da cui tutte le linee guida di progetto, installazione e certificazione di sistemi fuel cell partono.I carburanti coperti dai codici di questo organo internazionale sono i gas naturali, alcoli etilmetilici, idrogeno, diesel a basso punto di infiammabilità e bio diesel. Non sono ancora pronti codici IGF specifici per le installazioni di uso marittimo delle fuel cell, ma soddisfare quelli esistenti permette di valutare la maggior parte dei rischi legati allo stoccaggio e l’uso dei gas tipico di tutti i sistemi di generazione a celle a combustibile. Oltre a ciò, un’applicazione marittima tipica di un sistema FC deve soddisfare anche requisiti riguardanti i sistemi di generazione di energia di bordo e quelli relativi all'installazione e alla progettazione dei componenti di gestione del combustibile, delle tubazioni e dei materiali utilizzati.
Definizioni più comuni
Iniziamo a vedere le definizioni generali tipiche in ambito di normative riguardanti le fuel cell.
Fail-safe: capacità di sostenere un guasto senza causare inefficienza negli altri sottosistemi, lesioni al personale o fermi macchina.
Installazione: tutti i componenti necessari al trasporto del combustibile e dell’ossidante e alla produzione di energia da parte della cella a combustibile; include lo stack e il sistema di alimentazione del gas e dell’ossidante.
Modulo: l’assemblaggio di una o più pile, i collegamenti elettrici e i dispositivi di monitoraggio e/o controllo.
Sistema di alimentazione: sistema costituito dai seguenti sottosistemi: sistema di trattamento dell'ossidante, sistema di trattamento del combustibile, sistema di gestione termica, sistema di trattamento delle acque, sistema di condizionamento dell'energia elettrica e sistemi di controllo.
Stack: assemblaggio di celle, interconnessioni, scambiatori termici e collettori.
Sistema di trattamento del combustibile: sistema che converte e condiziona il combustibile immagazzinato a bordo e gestisce i gas esausti.
Sistema di stoccaggio del gas: contenitori pressurizzati del gas, dispositivi di espansione, di intercettazione, isolamento e sicurezza e, in generale, le parti dell'installazione a diretto contatto con il gas, come raccordi e tubazioni.
Sistema di alimentazione del gas: è costituito dal sistema di stoccaggio e da quello di distribuzione.
Sistema di trattamento degli ossidanti: misurazione, condizionamento, controllo di processo, sistemi di pressurizzazione e umidificazione degli ossidanti in entrata (generalmente aria).
Sistema di condizionamento elettrico: controllo della tensione e della corrente proveniente dalle celle.
Sistema di gestione termica: scambiatori termici per il mantenimento dell'equilibrio termico all'interno del sistema di alimentazione delle celle a combustibile, per il recupero del calore in eccesso e per il riscaldamento del sistema durante l'avvio.
Sistema di trattamento delle acque: trattamento termico e purificazione dell'acqua recuperata o aggiunta ad uso interno dei sistemi di alimentazione a celle a combustibile.
Society di classificazione navale
Le società di classificazione navale hanno il compito di garantire la sicurezza della navigazione. Esse definiscono gli standard e i criteri di valutazione di competenza tecnica per la sicurezza e l’affidabilità delle navi. Le principali società di classificazione navale internazionale sono le seguenti:
Nome corto Association
ABS American Bureau of Shipping
BV Bureau Veritas
DNV Det Norske Veritas
GL Germanischer Lloyd
KR Korean Register of Shipping
LR Lloyds Register
RINA Registro Italiano Navale
Si rimanda a questi enti per dettagli, aggiornamenti e consulenze. In questo articolo si faranno considerazioni puramente generali per avere un'idea di come il comparto navale sta muovendosi per arrivare a norme, standard e valutazioni dei rischi in un mondo che sta subendo e subirà sempre di più, enormi cambiamenti.
Criticità e rischi
Gli eventi più critici identificati durante la valutazione della sicurezza sono i seguenti:
1. Forte reazione esotermica nel reformer con rischio di esplosione.
2. Perdita interna nel modulo fuel cell con rischio che i reagenti arrivino direttamente a contatto.
3. Impatto ad alta energia con rottura dei serbatoi di gas allo stato liquido.
4. Lesioni del serbatoio di idrogeno compresso o dei sistemi di contenimento.
5. Perdita di gas ricchi di idrogeno.
6. Inefficienza delle camere di espansione per la riduzione della pressione.
7. Guasto distruttivo del sottosistema di condizionamento elettrico.
8. Leakage o esplosione delle batterie ausiliarie.
9. Perdita del sistema di evacuazione e spurgo.
10. Perdita durante il rifornimento (bunkeraggio) dell'idrogeno.
Le linee guida attualmente disponibili si basano principalmente su quelle pre-esistenti applicabili alla sicurezza delle installazioni di motori a gas naturale nelle navi. Stessa cosa per quel che riguarda la documentazione da fornire per le certificazioni e le qualifiche. Lo scopo primario è garantire lo stesso livello di sicurezza della tecnologia convenzionale a combustione interna.
Criterio di single failure
Il criterio di “single failure” prevede che il sistema di celle a combustibile debba essere progettato in modo tale che nessun evento di guasto singolo possa portare a situazioni pericolose. Prevede inoltre che i sistemi di monitoraggio e di controllo sovrintendenti la sicurezza siano ridondati in modo che un singolo guasto non li renda inefficaci.
Principio a doppia barriera per l'approvvigionamento di gas
Il principio di doppia barriera per l'approvvigionamento di gas prevede che il contenimento dei gas sia garantito da due barriere indipendenti. Questo può essere ottenuto utilizzando una tubazione a doppia parete, facendo correre la tubazione attraverso un condotto di ventilazione o all'interno di contenitori a tenuta.L’efficacia di entrambe le barriere deve essere monitorato da sensori, in modo che sia possibile rilevare un guasto di una qualunque delle due barriere.
Separazione e isolamento dei sistemi
Le aree sicure devono essere a tenuta di gas e separate dalle aree in cui può verificarsi la presenza di un'atmosfera pericolosa. Ad esempio: il locale di stoccaggio del gas, lo spazio di installazione della cella a combustibile e la sala macchine devono essere separati. Le stanze a rischio incendio devono essere isolate dalle altre mediante un isolamento ignifugo e i sistemi di ventilazione devono essere indipendenti e separati per i diversi locali.
Evacuazione sicura e rapida dei gas
Per garantire un funzionamento sicuro del sistema di alimentazione, devono essere previsti sistemi di sfiato dei gas infiammabili o nocivi. Ciò riguarda sia le camere contenenti i gas usati come combustibile, che quelle contenenti i gas di scarico dalle celle a combustibile che contengono gas nocivi e, in parte, gas infiammabili. L’evacuazione deve essere il più possibile veloce ed efficace, occorre quindi che le aperture di sfiato siano installate verticalmente.
Prevenzioni e protezione dalle esplosioni
Una volta individuate le aree a rischio, occorre pianificare le soluzioni preventive che possono essere elencate come segue:
1. Prevenzione dell'atmosfera esplosiva: ventilazione, principio a due barriere, prevenzione dell'accumulo di gas, sistemi a tenuta permanente.
2. Prevenzione delle fonti di ignizione: uso di apparecchiature certificate ATEX, mantenimento temperature inferiori all'80% della temperatura di autoaccensione, inibizione dell’accumulo di cariche elettrostatiche.
3. Riduzione degli effetti dell'esplosione: separazione dei siti, evacuazione e scarico a doppio blocco, principio di due barriere, misure di protezione antincendio attive e passive, uso di materiali non infiammabili, divieto dell’uso di batterie nelle aree a rischio.
4. Protezione dei serbatoi ad alta pressione: i serbatoi a pressione devono essere protetti da sistemi attivi, come il sistema combinato di rilevazione e spegnimento incendi e da sistemi passivi, come tappi di fusione e valvole di sicurezza con alta capacità di deflusso.
5. Protezione da influenze ed eventi esterne: un sistema a celle a combustibile deve essere progettato tenendo conto delle condizioni ambientali tipiche a bordo delle navi ed essere protetto da influenze esterne come collisioni, danni meccanici e incendi.
6. Monitoraggio della sicurezza: per i sistemi critici è necessaria una certificazione SIL (Safety Integrity Level), specie per il sistema di rilevamento di incendi e gas nella sala di stoccaggio del gas e nello spazio di installazione delle celle a combustibile. Anche l’efficacia della ventilazione deve essere monitorato costantemente.
Utilizzo dei locali
Definizione di zone pericolose:
Zona pericolosa 0: locali contenenti serbatoi di gas, tubazioni di scarico della pressione o altri sistemi di sfiato per serbatoi di gas, tubi e apparecchiature contenenti gas.
Zona pericolosa 1: sale contenenti cisterne, compressori, spazi aperti o semichiusi sul ponte che si trovino a meno di tre metri dallo scarico di un serbatoio di gas, dall'uscita di gas combusto o del vapore, dalla valvola del collettore di stoccaggio o altre valvole di gas, dalle prese di ventilazione della sala pompe e dei serbatoi del gas, dalle aperture per lo sfogo della pressione che prevedano il flusso di piccoli volumi di miscele di gas o vapore; aree aperte o spazi semi-chiusi sul ponte, entro 1,5 metri dagli ingressi del compressore del gas, dalle prese di ventilazione della pompa del gas e della sala del compressore; aree sul ponte che circondano le valvole del collettore di stoccaggio di gas entro tre metri da queste, fino a un'altezza di 2,4 metri sopra il ponte; scomparti per tubi di approvvigionamento del gas; spazi chiusi o semi-chiusi in cui si trovano tubi contenenti gas per esempio: condotti attorno a tubi del gas, custodie per valvole di gas, stazioni di bunkeraggio semi-chiuse;
Zona pericolosa zona 2: questa zona comprende le aree che circondano spazi aperti o semi-chiusi della zona 1 nel raggio di 1,5 metri.
Tutti i componenti per il condizionamento del combustibile - come preriscaldatori, compressori, filtri, reformer, ecc. - devono essere collocati in uno spazio chiuso o in un contenitore adeguato. Questo spazio deve essere ventilato e deve essere dotato di un sistema di rilevamento di gas. Gli spazi di installazione del sistema di condizionamento del combustibile devono essere separati dagli spazi utilizzati per lo stoccaggio del combustibile senza porte di collegamento.
L’impianto di propulsione e di generazione di energia elettrica deve essere in grado di funzionare in modo ininterrotto o ripristinato nel caso in cui un servizio essenziale, alimentato a gas, diventi inattivo.
I serbatoi di stoccaggio del gas e il locale macchine devono essere installati in modo tale che un incendio o un'esplosione non rendano inutilizzabili i macchinari/attrezzature in altri compartimenti.
Gli spazi per lo stoccaggio, la distribuzione, l'elaborazione e l'uso del combustibile gassoso dovrebbero essere tali da ridurre al minimo il numero e l'estensione delle aree pericolose. Questi spazi dovrebbero avere la forma geometrica interna la più semplice possibile e si dovrebbero adottare tutte le precauzioni necessarie per non accumulare miscele esplosive.
La cella a combustibile deve essere posizionata in spazi separati da altri locali e dal locale macchine. Le sale dei serbatoi devono essere separate dagli spazi contenenti i componenti del sistema di alimentazione a celle a combustibile. Le caldaie o i dispositivi di riscaldamento alimentati a combustibile devono inoltre essere situati in spazi separati dagli spazi contenenti gli altri componenti del sistema di alimentazione a celle a combustibile.
Nel caso fossero necessarie più sale macchine o più sale per i componenti del sistema di alimentazione delle celle, esse devono essere separate da una singola paratia e la loro disposizione dovrebbe essere tale che gli effetti di un'esplosione possano essere contenuti o evacuati senza compromettere l'integrità degli spazi adiacenti e del loro contenuto.
Per quanto riguarda i sistemi a FC multiple, ciascuna di esse dovrebbe essere alimentata da una linea separata di gas, ognuno con la propria valvola principale.
Con questo articolo si chiude una serie di articoli aventi lo scopo di dare un’idea di quanto il sistema dei trasporti e in particolare quello delle imbarcazioni sia pronto a un processo di trasformazione epocale.