ISO/TR 15916:2004
(Main)Basic considerations for the safety of hydrogen systems
Basic considerations for the safety of hydrogen systems
ISO/TR 15916:2004 provides guidelines for the use of hydrogen in its gaseous and liquid forms. It identifies the basic safety concerns and risks, and describes the properties of hydrogen that are relevant to safety. Detailed safety requirements associated with specific hydrogen applications are treated in separate International Standards.
Considérations fondamentales pour la sécurité des systèmes à l'hydrogène
L'ISO/TR 15916:2004 présente des lignes directrices relatives à l'utilisation de l'hydrogène en phases gazeuse et liquide. Il identifie les questions fondamentales liées à la sécurité et aux risques, et décrit les propriétés significatives de l'hydrogène eu égard à la sécurité. Les détails des prescriptions de sécurité associées aux applications de la filière hydrogène sont traités dans des Normes internationales distinctes.
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TECHNICAL ISO/TR
REPORT 15916
First edition
2004-02-15
Basic considerations for the safety of
hydrogen systems
Considérations fondamentales pour la sécurité des systèmes à
l'hydrogène
Reference number
ISO/TR 15916:2004(E)
©
ISO 2004
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ISO/TR 15916:2004(E)
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ISO/TR 15916:2004(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope. 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions. 1
4 Overview of hydrogen applications . 1
4.1 Basic hydrogen infrastructure. 1
4.2 Typical hydrogen system components .3
4.3 Hydrogen fuel . 5
4.4 Environmental effects. 5
5 Safety considerations for the use of gaseous and liquid hydrogen . 5
5.1 General. 5
5.2 Hazards involved as a consequence of the properties of hydrogen. 6
5.3 Factors involved in combustion hazards . 7
5.4 Factors involved in pressure hazards . 8
5.5 Factors involved in temperature hazards. 9
5.6 Factors involved in hydrogen embrittlement hazards . 9
5.7 Health hazards. 10
5.8 Team approach and training needed for the safe use of hydrogen . 10
6 Basic properties of hydrogen . 10
6.1 General properties . 10
6.2 Selected thermophysical properties . 11
6.3 Basic combustion properties . 12
7 Mitigation and control of risks. 14
7.1 General mitigation and control of risk . 14
7.2 Mitigation of design risks. 16
7.3 Mitigation of flammability and explosion risks. 21
7.4 Detection considerations . 23
7.5 Considerations for facilities. 24
7.6 Considerations for operations. 29
7.7 Recommended practices for organizations . 33
Annex A (informative) Hydrogen properties . 35
Annex B (informative) Hydrogen combustion data. 39
Annex C (informative) Material data . 42
Annex D (informative) Hydrogen-storing compounds. 47
Annex E (informative) Terms and definitions . 48
Bibliography . 61
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ISO/TR 15916:2004(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
In exceptional circumstances, when a technical committee has collected data of a different kind from that
which is normally published as an International Standard (“state of the art”, for example), it may decide by a
simple majority vote of its participating members to publish a Technical Report. A Technical Report is entirely
informative in nature and does not have to be reviewed until the data it provides are considered to be no
longer valid or useful.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO/TR 15916 was prepared by Technical Committee ISO/TC 197, Hydrogen technologies.
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ISO/TR 15916:2004(E)
Introduction
Generally the public is not familiar with industrial hydrogen systems, nor does it have any experience with the
new hydrogen systems under development today. The focus of this Technical Report is on the new energy
applications. The intent is to provide, those unfamiliar with the technology, a basis upon which to understand
the safety issues. This document concerns itself with applications that derive their utility from the chemical
reactions of hydrogen and does not apply to applications based on nuclear processes.
Traditionally, hydrogen has been used extensively in the petrochemical and chemical industries and in smaller
quantities in the electronics, steel-producing, glass-making, and food hydrogenation industries. In energy
applications, the only significant use of hydrogen has appeared in space programmes. This is about to change,
given the promise that hydrogen brings as an efficient energy carrier and an energetic fuel with minimal
environmental impact. Systems are being developed that produce hydrogen from primary energy sources
such as sunlight, wind power, biomass, hydro and fossil fuels, for use in energy applications for home and
office heating, generation of electricity, and transportation.
The safe use of hydrogen as a fuel is a primary ISO goal as it seeks to facilitate the rapid emergence of these
hydrogen technologies. A key element in the safe use of hydrogen is understanding its unique safety-related
properties and that there are acceptable engineering approaches to controlling the risks associated with the
use of hydrogen. This Technical Report describes the hazards associated with the use and presence of
hydrogen, discusses the properties of hydrogen relevant to safety, and provides a general discussion of
approaches taken to mitigate hydrogen hazards. The aim of this Technical Report is to promote the
acceptance of hydrogen technologies by providing key information to regulators and by educating the general
public on hydrogen safety issues.
The development of International Standards to eliminate barriers to international trade and to simplify the
arduous regulatory process by providing hydrogen-specific standards to allow early implementation for rapidly
emerging technologies was among the needs identified in the ISO/TC 197 Business Plan. This Technical
Report is one of many documents that have been developed, or are in the process of being developed, by ISO
as a response to the needs described in the ISO/TC 197 Business Plan. Detailed safety requirements
associated with specific hydrogen applications are treated in separate International Standards. This Technical
Report provides an informative reference for those separate standards as a common, consistent source of
safety-related hydrogen information. This should result in a reduction in duplication and possible
inconsistencies in these separate standards.
The considerations presented in this Technical Report are broad, general, and attempt to cover all aspects of
hydrogen safety. The degree to which these guidelines are applied will vary according to the specifics of the
application (such as the conditions and quantity of hydrogen involved, and the way in which the hydrogen is
used). Industrial users may find large portions of the guidelines, presented herein, applicable for their
operations. It is not expected that the general public will be required to apply this degree of knowledge to
safely operate a hydrogen appliance. It is anticipated that good appliance design, coupled with appropriate
care in installation, will reduce the degree of safety considerations to levels that are deemed acceptable by the
public for common appliances in use today. The manufacturers of hydrogen appliances will need to consider
these guidelines to tailor sufficient specific information for the operation of their appliances, in the environment
in which they are to be used, and for the audience that will use them. Readers are encouraged to keep these
points in mind as they consider the information presented in this document. Hydrogen has been safely used in
many different applications over many years. Adherence to the principles presented in this Technical Report
can lead to a continuation of the successful use of hydrogen.
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TECHNICAL REPORT ISO/TR 15916:2004(E)
Basic considerations for the safety of hydrogen systems
1 Scope
This Technical Report provides guidelines for the use of hydrogen in its gaseous and liquid forms. It identifies
the basic safety concerns and risks, and describes the properties of hydrogen that are relevant to safety.
Detailed safety requirements associated with specific hydrogen applications are treated in separate
International Standards.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
1)
ISO 11114–4:— , Transportable gas cylinders — Compatibility of cylinder and valve materials with gas
contents — Part 4: Test methods for selecting metallic materials resistant to hydrogen embrittlement
ISO 14687:1999/Cor 1:2001, Hydrogen fuel — Product specification
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in Annex E apply.
4 Overview of hydrogen applications
4.1 Basic hydrogen infrastructure
4.1.1 Categories of infrastructure
Conceptually, the purpose of hydrogen applications can be categorized as the
a) production,
b) storage and transport, and
c) use of hydrogen.
Some applications may involve all three categories.
4.1.2 Production
The primary means of bulk production of hydrogen today involves chemical processes such as steam
reforming of natural gas, displacement of hydrogen from acids by metals, and electrolysis of water. In the
1) To be published.
© ISO 2004 – All rights reserved 1
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ISO/TR 15916:2004(E)
future, photochemical processes and genetically tailored plants may also become practical means of
producing hydrogen.
Different means of hydrogen production are used for special applications. For example, some applications
seek to minimize storage or hazards by supplying hydrogen (or oxygen with hydrogen as a byproduct) on
demand. Several electrolyser technologies are under development for this purpose. Ultra-pure research-grade
hydrogen and oxygen outputs are possible from these systems.
4.1.3 Storage and transport
4.1.3.1 General
Hydrogen that is produced at a site for use elsewhere has to be processed into a state which can be readily
stored and transported to consumer applications. Compared to conventional fuels, hydrogen’s low density
under ambient conditions and its low boiling point make it difficult for storage of sufficient quantities to suit
typical applications. Proven methods of increasing hydrogen storage density include handling hydrogen as a
pressurized gas or a refrigerated liquid, and using ground transport, water transport or piping for delivery. Only
very small quantities of hydrogen are permitted for transport by commercial aircraft. Piping of hydrogen is
used in industrial settings. In the past, hydrogen had widespread use as a component of “town gas” that was
piped to street lighting. Today hydrogen is not commonly distributed in piping for commercial or public
applications. This may change with more widespread use of hydrogen.
4.1.3.2 Gaseous storage and transport
Where small to intermediate quantities of hydrogen are required, gaseous hydrogen is compressed and stored
in high-pressure containers. Conventional storage tanks of aluminium and steel are routinely used to contain
2)
hydrogen at pressures up to 40 MPa . Tube trailers, designed for highway service, transport quantities in the
range of 300 000 litres to 500 000 litres.
4.1.3.3 Liquid storage and transport
Another approach to hydrogen storage is to condense the hydrogen into a liquid or slush (solid hydrogen
mixed with the liquid). This requires chilling the hydrogen to cryogenic temperatures (about 20 K) to form a
liquid and below 14 K to form slush hydrogen. At present, slush hydrogen has only been considered as an
aerospace propellant and the economics for production do not favour its more extensive use. To maintain the
hydrogen as a cryogenic fluid in storage, exposure to ambient-level heat has to be minimized or excessive
loss of hydrogen will result. This isolation from heat is best accomplished using a vacuum-jacketed container,
not unlike a thermos bottle. No isolation is perfect, and without capture and reliquefaction, the slow loss of
hydrogen to the atmosphere has to be accepted unless the usage rate exceeds the boiling rate, or
alternatively a boil-off management system is adopted. Transport of liquid hydrogen is accomplished in
vacuum-jacketed containers by truck, railcar or tanker, and upon delivery it is transferred to vacuum-jacketed
cryogenic storage vessels at point-of-use sites. Storage systems as large as 3 700 000 litres are in use for
aerospace applications. However, cryogenic liquid hydrogen cannot be stored indefinitely unless it is
refrigerated, which is not economical for most applications. Liquid hydrogen is either used or eventually lost to
the environment.
4.1.3.4 Other storage options
Chemical compounds rich in hydrogen bonds, hydrogen mixed with other fuels, hydrides, and materials with
high surface adsorption of hydrogen may find applications in hydrogen storage systems (see Annex D). A
device called a reformer can be used to obtain the hydrogen from a storage compound. Where these systems
use chemicals other than hydrogen, special safety considerations unique to the materials should be applied in
2) Throughout this Technical Report there are frequent references to pressures in units of kilopascals (kPa) and
megapascals (MPa) and temperatures in units of kelvin (K) with values that may be unfamiliar. To help readers relate to
the values of these units, conditions familiar to all are noted here. Atmospheric pressure at sea level is 101,3 kPa or
0,1 MPa (14,7 psia), and the freezing point temperature of water is 273,15 K (0 °C or 32 °F).
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ISO/TR 15916:2004(E)
addition to the considerations for hydrogen. Such considerations are beyond the scope of this Technical
Report.
4.1.3.5 Vehicular storage systems
The volume of hydrogen and the mass of containment vessels for high-pressure gaseous systems or
cryogenic systems are challenges for vehicular fuel storage design. To reduce the volume and mass of fuel
tanks proposed for hydrogen-powered vehicles, lightweight composite materials are being developed. At
present, containment pressures of 35 MPa are being used with fuel-cell vehicles. Technologies for higher
containment pressures of up to 70 MPa, using composite materials, are being developed.
4.1.4 Hydrogen use applications
Hydrogen use applications include fuel cells, internal combustion engines, turbines, rocket thrusters, and all
applications that use these components.
A variety of energy applications based upon electrolysers and hydrogen fuel cell systems will soon be
commercially available. These range from small portable systems designed to replace standard batteries such
as “D” cells to 1 kW, 10 kW, and larger systems designed for remote or distributed energy systems necessary
to power homes, remote villages, or augment the power grid. Portable systems typically rely on a hydrogen
supply that is replaced or recharged. Larger systems are envisioned with integrated renewable energy
sources such as wind power systems or photovoltaic systems. These systems are both producers and
consumers of hydrogen, as they convert electricity to hydrogen, store the energy in a storage media, and then
convert it back to electricity when it is needed. This is done with an electrolyser that converts the renewable
energy into hydrogen. The hydrogen is processed for storage and used with a fuel cell or a combined heat-
and power-generating unit to produce electricity on demand. Such systems may be further integrated to
capture waste heat for heating or industrial processes. These applications consist of a component that
performs the primary function and components that control, make safe, supply hydrogen, store hydrogen, or
otherwise support the primary function.
4.2 Typical hydrogen system components
4.2.1 General
In a generic hydrogen system, there are primary and auxiliary components integral to hydrogen safety.
Examples of components that perform primary functions are the rocket thrusters within rocket motors for
aerospace applications, the cell stacks within fuel cells for energy applications, the internal combustion
engines for transportation applications, and the catalytic converters within cooking stoves for residential use.
Auxiliary components that provide essential support for primary functions may possess all or some of the
following:
a) hydrogen storage or a source of hydrogen, and oxidizer storage or a source of oxidizer;
b) fluid delivery lines to connect hydrogen and oxidizer to the reaction system;
c) flow controls;
d) pressure-relief systems that are incorporated into the design of components a), b) and c);
e) detection components.
4.2.2 Storage vessels
The design and function of storage vessels and their components should reflect the type of service, such as
either high-pressure gaseous vessels or cryogenic liquid vessels. Quantities greater than 7 500 litres under
standard conditions are usually located outdoors or in specially designed structures. Vessel construction
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should meet specific national code requirements for pressure vessels. Storage vessels that contain cryogenic
hydrogen use special insulation or vacuum jacketing. Vacuum needs to be maintained with vacuum pumps.
4.2.3 Fluid delivery lines, piping, joints and seals
Piping and seals need to be suitable for hydrogen over the life of the system. Stainless-steel lines are
commonly used. Hydrogen permeates most materials and will readily leak through any small breach in a
system. Hence, welded joints are preferred where leaks cannot be tolerated. Where a joint or a seal may
require periodic opening, some form of hydrogen gas or flame detection is desirable, if permeation or a leak
could lead to a flammable mixture.
4.2.4 Flow controls
A variety of components are used to control the flow of hydrogen within the system. Valves, check valves and
regulators are the most common mechanical components. These may be manually operated or remotely
controlled using electric or pneumatic actuators. Actuators need to be specifically designed so as not to be a
source of ignition for released hydrogen. Check valves are used to prevent unwanted back flow. Regulators
control the pressure of fluids within a system. Controls also include fluid sensors such as pressure gauges,
flow meters, liquid level indicators, and other control systems.
4.2.5 Pressure-relief systems
Vessels and piping that confine or potentially may confine hydrogen should be protected against
overpressurization with a pressure-relief system. Examples of circumstances that may lead to
overpressurization by a hydrogen system are fire or failure of a regulator, which releases high-pressure
hydrogen into a part of the system designed for a lower pressure. The pressure-relief system typically uses
pressure-relief valves and burst (rupture) disks to direct overly pressurized hydrogen to a vent system. A
pressure-relief valve possesses a spring-loaded seal that opens when a set pressure is exceeded. A burst
disk is a similar device except pressure relief occurs upon rupture of a pressure-sensitive diaphragm. This
device is usually used in parallel with a pressure-relief valve as a fail-safe path for overpressurization. The
burst disk must be replaced if it is ruptured. Even the evacuated spaces in vacuum-jacketed lines in a
cryogenic system need to be protected from failures that could introduce high-pressure hydrogen.
4.2.6 Detection components
Outside of the hydrogen system, the control system can monitor the presence of hydrogen gas or hydrogen
fire. A variety of technologies are available to detect hydrogen gas. Hydrogen detectors are typically placed
above a probable leak point where hydrogen may accumulate, and at the intake of ventilation ducts. Infrared
(IR) cameras can image heat over a wide field of view. Ultraviolet (UV) detection is used to specifically detect
hydrogen flame, but careful collimation of the sensor’s field of view is required because sunlight or welding
activities can readily trigger these detectors.
4.2.7 Other components
Hydrogen systems can use catalytic converters and “getters” in order to remove unwanted or excess
hydrogen. Filters can be used to remove impurities from hydrogen in the system or from auxiliary systems. For
example, the proton exchange membrane (PEM) stacks used in electrolysis and fuel cells require pristine
water that is carefully filtered and deionized. Heat exchangers, coolers and radiators may be required in
hydrogen systems.
4.2.8 Considerations for conditions external to the system
Inherent in all hydrogen designs are
a) considerations for the conditions in which the system is operated,
b) fail-safe operation that accounts for potential modes of failure, and
c) long-term plans, which cover the operational life of the system.
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ISO/TR 15916:2004(E)
For example, fixed-hydrogen systems must be located according to specific requirements found in national
safety standards. These standards identify specific construction and materials requirements for structures,
based on the quantity of hydrogen, whether it is gaseous or liquid, and the desired location for the hydrogen
storage. Hydrogen designs should account for all possible circumstances anticipated during the life of their
operation, and the designs should place the system in a safe state for all reasonable failure modes.
4.3 Hydrogen fuel
Hydrogen fuel possesses impurities left by the production process or introduced during storage and post-
production handling. The quantity and type of impurities may adversely affect hydrogen-consuming systems;
hence, ISO 14687:1999/Cor 1:2001 was published to specify the quality characteristics of hydrogen fuel to
ensure uniformity of hydrogen fuel products produced for vehicular, appliance, or other fuelling applications.
This specification classifies hydrogen fuel according to three types, I, II and III, for gaseous, liquid, and slush
hydrogen, respectively. Type I is further divided into Grades A, B and C, which specify increasing levels of
purity. The cost of storage and handling increases with a reduction in the impurities. ISO 14687:1999/Cor
1:2001 specifies impurity levels for water (H O), total hydrocarbon (THC), oxygen (O ), argon (Ar), nitrogen
2 2
(N ), helium (He), carbon dioxide (CO ), carbon monoxide (CO), mercury (Hg), sulfur (S), and permanent
2 2
particulates.
4.4 Environmental effects
The environmental effects arising from the use of hydrogen systems are anticipated to be benign. With very
few exceptions, pure water is the only reaction product. The exception is air-breathing systems that combust
hydrogen at high temperatures and can create nitrogen oxides (NO ). PEM fuel cells and electrolysers
x
produce only water, and some electrolyser–fuel cell systems can capture most of the water produced for re-
use. This formation of water from hydrogen/oxygen reactions is well known by the outdoor observers of NASA
Space Shuttle launches, who have, when the wind is right, experienced rain out of a clear blue sky. At some
future point, if hydrogen-powered transport becomes the dominant transportation means, then areas with high
usage such as in cities may experience an elevation in humidity, or hydrogen-powered vehicles may be
required to condense and capture the water emissions. This elimination of pollutan
...
RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 15916
Première édition
2004-02-15
Considérations fondamentales pour la
sécurité des systèmes à l'hydrogène
Basic considerations for the safety of hydrogen systems
Numéro de référence
ISO/TR 15916:2004(F)
©
ISO 2004
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ISO/TR 15916:2004(F)
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Version française parue en 2006
Publié en Suisse
ii © ISO 2004 – Tous droits réservés
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ISO/TR 15916:2004(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives. 1
3 Termes et définitions. 1
4 Aperçu des applications de la filière hydrogène.1
4.1 Infrastructure fondamentale pour les applications de la filière hydrogène . 1
4.2 Composants types des systèmes à hydrogène . 4
4.3 Carburant hydrogène . 6
4.4 Effets sur l'environnement. 6
5 Considérations relatives à la sécurité et liées à l'utilisation de l'hydrogène gazeux et
liquide . 6
5.1 Généralités. 6
5.2 Dangers potentiels compte tenu des propriétés de l'hydrogène . 7
5.3 Facteurs contribuant aux risques liés à la combustion . 8
5.4 Facteurs de risques liés à la pression. 10
5.5 Facteurs de risques liés à la température. 11
5.6 Facteurs de risques liés à la fragilisation par l'hydrogène . 11
5.7 Dangers pour la santé . 12
5.8 Sensibilisation des personnels et leur formation pour une utilisation sûre de l'hydrogène. 12
6 Propriétés fondamentales de l'hydrogène .13
6.1 Propriétés générales. 13
6.2 Certaines propriétés thermophysiques. 13
6.3 Caractéristiques fondamentales de combustion . 15
7 Mesures de réduction et de maîtrise des risques . 17
7.1 Mesures générales de réduction et de maîtrise du risque . 17
7.2 Mesures de réduction des risques dès le stade de la conception . 20
7.3 Mesures de réduction des risques d'inflammation et d'explosion. 25
7.4 Considérations relatives à la détection. 28
7.6 Considérations relatives au fonctionnement et à l'exploitation . 35
7.7 Règles pratiques recommandées aux organismes concernés. 40
Annexe A (informative) Propriétés de l'hydrogène. 42
Annexe B (informative) Données relatives à la combustion de l'hydrogène . 46
Annexe C (informative) Données relatives aux matériaux. 49
Annexe D (informative) Composés destinés au stockage de l'hydrogène. 54
Annexe E (informative) Termes et définitions . 55
Bibliographie . 69
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ISO/TR 15916:2004(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
Exceptionnellement, lorsqu'un comité technique a réuni des données de nature différente de celles qui sont
normalement publiées comme Normes internationales (ceci pouvant comprendre des informations sur l'état
de la technique par exemple), il peut décider, à la majorité simple de ses membres, de publier un Rapport
technique. Les Rapports techniques sont de nature purement informative et ne doivent pas nécessairement
être révisés avant que les données fournies ne soient plus jugées valables ou utiles.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO/TR 15916 a été élaboré par le comité technique ISO/TC 197, Technologies de l'hydrogène.
iv © ISO 2004 – Tous droits réservés
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ISO/TR 15916:2004(F)
Introduction
Le grand public n'est généralement pas familiarisé avec les applications industrielles des systèmes à
hydrogène et ne dispose d'aucune expérience des nouveaux systèmes à hydrogène actuellement en cours de
développement. Le présent Rapport technique s'intéresse plus particulièrement aux nouvelles applications de
l’hydrogène dans le domaine de l'énergie. Il se propose de fournir des éléments de base qui permettent aux
non-initiés au domaine technologique de saisir les questions de sécurité. Le présent document traite des
applications dont l'intérêt repose sur les réactions chimiques de l'hydrogène et ne s'applique pas à celles
fondées sur des procédés nucléaires.
Traditionnellement, l'hydrogène a été utilisé de manière intensive dans les industries pétrochimiques et
chimiques et, dans une moindre mesure, dans les domaines de l'électronique, de la production de l'acier et de
la verrerie ainsi que dans les industries d'hydrogénation des aliments. Dans le domaine de l'énergie, la seule
application significative de l'hydrogène a été dans les programmes spatiaux. Mais cette situation est sur le
point de changer dans la mesure où l'hydrogène semble plein de promesses en tant que vecteur énergétique
efficace et combustible dont l'impact sur l'environnement est minime. Des systèmes de production
d'hydrogène à partir de sources d'énergie primaire, comme le rayonnement solaire, l'énergie éolienne, la
biomasse, les hydrocombustibles et les combustibles fossiles, sont en cours de développement pour une
utilisation dans des applications énergétiques dans les domaines du chauffage domestique et des bureaux,
de la production d'électricité et du transport.
L'utilisation sans risque de l'hydrogène en tant que combustible constitue un objectif primordial de l'ISO dans
la mesure où cette organisation cherche à faciliter l'émergence rapide de ces technologies de l'hydrogène. Un
élément clé de l'utilisation de l'hydrogène en toute sécurité réside dans la prise de conscience de ses
propriétés particulières liées à la sécurité et de l'existence de méthodes scientifiques acceptables permettant
de maîtriser les risques associés à l'utilisation de l'hydrogène. Le présent Rapport technique décrit les
phénomènes dangereux associés à l'utilisation et à la présence d'hydrogène, examine les propriétés de
l'hydrogène liées à la sécurité et soulève un débat général sur les méthodes adoptées pour la réduction des
risques associés à l'utilisation de l'hydrogène. Le but du présent Rapport technique est de favoriser
l'acceptation des technologies de l'hydrogène en mettant à la disposition des autorités de réglementation et
de contrôle des éléments d'information privilégiés et en sensibilisant le grand public aux questions de sécurité
liées à l'utilisation de l'hydrogène.
L’élaboration de Normes internationales répondait à l'un des besoins identifiés dans le plan d'activités de
l'ISO/TC 197. En effet, la publication de normes spécifiques traitant de l'hydrogène et permettant une mise en
œuvre précoce favorisant l'évolution rapide de technologies émergentes permet d’éliminer les obstacles au
commerce international et de simplifier le processus de réglementation déjà complexe. Le présent Rapport
technique est l'un des nombreux documents élaborés ou en cours d'élaboration par l'ISO pour répondre aux
besoins énumérés dans le plan d'activités de l'ISO/TC 197. Les détails des exigences de sécurité associées
aux applications de la filière hydrogène font l'objet de Normes internationales distinctes. Le présent Rapport
technique fournit une base informative de référence à ces normes spécifiques et constitue une source
commune et cohérente d'informations sur les problèmes de sécurité associés à l'hydrogène. Il convient que
ce rapport permette de réduire les redondances et les incohérences éventuelles dans lesdites normes
spécifiques.
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ISO/TR 15916:2004(F)
Les considérations examinées dans le présent Rapport technique sont d'ordre général et cherchent à couvrir
l'ensemble des aspects liés à la sécurité dans le domaine de l'hydrogène. Le degré de mise en œuvre de ces
principes généraux dépendra des modes d'application spécifiques (tels que les conditions d'utilisation et les
quantités d'hydrogène impliquées et le mode d'utilisation de l'hydrogène). Dans le cadre de leurs activités, les
industries utilisatrices peuvent tirer profit d'une grande partie des principes généraux énoncés dans le présent
document. Le grand public ne sera probablement pas tenu de disposer de ce niveau de connaissances pour
la mise en œuvre en toute sécurité d'un système à hydrogène. Pour les appareils d'usage commun
actuellement, il est d'ores et déjà certain qu'une bonne conception combinée à une installation réalisée avec
soin et dans les règles de l'art permettra de réduire les risques à des niveaux jugés acceptables par le public.
Les fabricants des appareils et systèmes à hydrogène seront amenés à tenir compte de ces principes
généraux afin d'élaborer et d'adapter des éléments d'information spécifiques et suffisants en vue de la mise
en œuvre de leurs appareils dans leur environnement d’utilisation où ils doivent être utilisés et pour les
utilisateurs auxquels ils sont destinés. Les lecteurs sont encouragés à garder ces points présents à l'esprit en
prenant connaissance des informations que leur livre le présent document. L'hydrogène a fait l'objet d'une
utilisation en toute sécurité dans de nombreuses applications diverses et depuis plusieurs années. L'adhésion
aux principes énoncés dans le présent Rapport technique peut contribuer à poursuivre les succès enregistrés
dans le domaine de l'utilisation de l'hydrogène.
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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 15916:2004(F)
Considérations fondamentales pour la sécurité des systèmes à
l'hydrogène
1 Domaine d'application
Le présent Rapport technique présente des lignes directrices relatives à l'utilisation de l'hydrogène en phases
gazeuse et liquide. Il identifie les questions fondamentales liées à la sécurité et aux risques, et décrit les
propriétés significatives de l'hydrogène eu égard à la sécurité. Les détails des prescriptions de sécurité
associées aux applications de la filière hydrogène sont traités dans des Normes internationales distinctes.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 11114–4:2005, Bouteilles à gaz transportables — Compatibilité des matériaux des bouteilles et des
robinets avec les contenus gazeux — Partie 4: Méthodes d'essai pour le choix de matériaux métalliques
résistants à la fragilisation par l'hydrogène
ISO 14687:1999, Carburant hydrogène — Spécification de produit, et le Rectificatif technique 1:2001
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'Annexe E s'appliquent.
4 Aperçu des applications de la filière hydrogène
4.1 Infrastructure fondamentale pour les applications de la filière hydrogène
4.1.1 Catégories d'infrastructure
Théoriquement, l'objet des applications de la filière hydrogène peut être classé en catégories relevant
a) de la production,
b) du stockage et du transport, et
c) de l'utilisation de l'hydrogène.
Certaines applications peuvent impliquer l'ensemble des trois catégories.
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ISO/TR 15916:2004(F)
4.1.2 Production
Le principal moyen de production en vrac de l'hydrogène met en œuvre actuellement des procédés chimiques
tels que le reformage à la vapeur du gaz naturel, la production d’hydrogène par réaction de métaux avec des
acides et l'électrolyse de l'eau. À l'avenir, des procédés photochimiques et des plantes sélectionnées
génétiquement peuvent également constituer des moyens pratiques de production d'hydrogène.
Divers moyens de production d'hydrogène sont mis en œuvre pour des applications particulières. Par
exemple certaines applications cherchent à réduire au minimum le stockage ou les risques en fournissant à la
demande de l'hydrogène (ou de l'oxygène avec de l'hydrogène sous forme de sous-produit). Plusieurs
technologies d'électrolyse sont en cours de développement à cet effet. Les électrolyseurs sont capables de
fournir une qualité d’hydrogène et d’oxygène ultra pure dont ont besoin les activités de recherche.
4.1.3 Stockage et transport
4.1.3.1 Généralités
L'hydrogène dont les sites de production et d'utilisation sont différents et éloignés doit être mis en œuvre de
manière à pouvoir facilement être stocké et transporté jusqu'au lieu de consommation. Par rapport aux
combustibles conventionnels, la faible masse volumique de l'hydrogène dans des conditions ambiantes et sa
basse température d'ébullition rendent difficile le stockage de quantités suffisantes correspondant aux besoins
dans les secteurs d'application types. Les méthodes éprouvées destinées à l'augmentation de la densité de
stockage de l'hydrogène supposent la manipulation de l'hydrogène sous forme de gaz comprimé ou en phase
liquide et réfrigéré, avant de procéder ensuite à son transport et à sa livraison par route, par voie d'eau ou par
hydrogénoduc. Le transport de l'hydrogène par voie commerciale aérienne n'est autorisé qu'en très faibles
quantités. Les hydrogénoducs ne sont utilisés que dans les milieux et sites industriels. Dans le passé,
l'hydrogène était utilisé à large échelle en tant que composant du «gaz de ville» destiné à l'éclairage des rues.
Actuellement, la distribution de l'hydrogène ne s'effectue généralement plus par l'intermédiaire de
canalisations pour les applications publiques et commerciales. Mais une utilisation plus généralisée de
l'hydrogène peut contribuer à changer cette situation.
4.1.3.2 Stockage et transport en phase gazeuse
Lorsqu'il s'agit de quantités d'hydrogène réduites à moyennes, l'hydrogène gazeux est comprimé et stocké
dans des réservoirs sous haute pression. Les réservoirs conventionnels en aluminium et en acier sont
1)
couramment utilisés pour le stockage de l'hydrogène à des pressions maximales de 40 MPa . Des
remorques porte-tubes, conçues pour le service routier, assurent le transport de volumes qui varient
de 300 000 litres à 500 000 litres.
4.1.3.3 Stockage et transport en phase liquide
Une autre méthode de stockage de l'hydrogène passe par la condensation de l'hydrogène et son passage à
l’état liquide ou à l'état semi-solide (hydrogène solide et liquide mélangé). Ce procédé nécessite la
réfrigération de l'hydrogène à des cryotempératures (autour de 20 K) afin d'atteindre l’état liquide, et à
moins 14 K pour obtenir de l'hydrogène à l'état semi-solide. Jusqu'à présent, l'hydrogène semi-solide n'a été
utilisé que dans le domaine aérospatial comme propergol et l'économie de la production ne milite pas en
faveur de son utilisation à large échelle. Le stockage de l'hydrogène à des cryotempératures requiert de
réduire au minimum l'exposition de ce fluide aux conditions de chaleur ambiantes afin d'éviter des pertes
excessives d'hydrogène. La meilleure isolation thermique est assurée par un réservoir à double enveloppe à
vide isolant selon un principe assimilé à celui de la bouteille thermos isolante. Aucune isolation n'étant parfaite
1) Tout au long du présent Rapport technique, il est fait souvent référence à des pressions exprimées en kilopascals
(kPa) et mégapascals (MPa), ainsi qu'à des températures exprimées en kelvins (K), avec des valeurs pouvant paraître
insolites. Afin d'aider les lecteurs à se situer par rapport aux valeurs exprimées dans ces unités, le présent document fait
mention de valeurs connues de tous. La pression atmosphérique au niveau de la mer est de à 101,3 kPa ou 0,1 MPa (soit
une pression absolue de 14,7 livres par inch carré), et la température de congélation de l'eau est de 273,15 K (0 °C
ou 32 °F).
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et sans captage et reliquéfaction, on ne peut qu'accepter les pertes lentes d'hydrogène dans l'atmosphère, à
moins que le débit d'utilisation soit supérieur au débit d'évaporation ou que soit mis en place un système de
gestion des évaporats. Le transport de l'hydrogène liquide est réalisé dans des citernes à double enveloppe à
vide isolant par camion, sur rail ou par bateau-citerne, et il doit être alors transvasé dans des récipients de
stockage cryogénique à double enveloppe à vide isolant à la livraison aux sites d'utilisation. Des systèmes de
stockage d'une capacité de 3 700 000 litres sont mis en œuvre dans les applications aérospatiales.
Cependant, le stockage de l'hydrogène liquide à des cryotempératures ne peut pas se prolonger indéfiniment
à moins d'en maintenir la réfrigération, solution non économique pour la plupart des applications. L'hydrogène
liquide est soit utilisé, soit il finit par se perdre dans l'environnement.
4.1.3.4 Autres formes de stockage
Les composés chimiques riches en liaisons hydrogènes, les mélanges d'hydrogène et d'autres combustibles,
les hydrures et les matériaux à haute adsorption superficielle d'hydrogène peuvent trouver des applications
dans les systèmes de stockage de l'hydrogène (voir Annexe D). Un dispositif appelé reformeur peut être
utilisé pour obtenir de l'hydrogène à partir d'un composé de stockage. Lorsque ces systèmes mettent en
œuvre d'autres produits chimiques que l'hydrogène, il convient d'appliquer des mesures de sécurité spéciales
et spécifiques aux matériaux, outre celles applicables à l'hydrogène. Ces aspects ne s'inscrivent pas dans le
cadre du présent Rapport technique.
4.1.3.5 Systèmes de stockage pour véhicules
Les quantités d'hydrogène et le poids des enceintes de confinement destinées aux systèmes de stockage des
gaz sous haute pression ou à des cryotempératures constituent des défis en termes de conception des
réservoirs de stockage de combustibles pour véhicules. Pour réduire le volume et le poids des réservoirs de
carburant proposés pour les véhicules à hydrogène, des matériaux composites légers sont en cours de
développement. Actuellement, des pressions de confinement de 35 MPa sont en cours d'utilisation sur les
véhicules équipés de piles à combustible. Des technologies permettant d'atteindre des pressions de
confinement plus élevées allant jusqu'à 70 MPa et mettant en œuvre des composites sont en cours de
développement.
4.1.4 Applications faisant appel à l'hydrogène
L’hydrogène, vecteur d’énergie, est utilisé dans les piles à combustible, les moteurs à combustion interne, les
turbines, les propulseurs de fusée et dans tous les domaines mettant en œuvre ces composants.
Dans ce domaine de l'énergie, une variété d'applications commerciales fondées sur les électrolyseurs et les
systèmes à piles à combustible utilisant l'hydrogène verra bientôt le jour. Elle s'étend des petits systèmes
portables destinés à remplacer les batteries, telles les piles «D», aux systèmes de 1 kW, 10 kW et davantage
conçus pour des réseaux de distribution de l'énergie à longue distance ou décentralisés nécessaires à
l'alimentation électrique domestique et des villages éloignés et isolés ou encore pour augmenter la capacité
du réseau électrique. Les systèmes portables s'appuient généralement sur une source d'alimentation à
l'hydrogène remplaçable ou rechargeable. Des systèmes plus importants sont prévus dans le cadre de
sources d'énergie intégrées et renouvelables, telles que les systèmes d'énergie éolienne ou photovoltaïques.
Ces derniers systèmes sont à la fois producteurs et consommateurs d'hydrogène dans la mesure où ils
convertissent l'électricité en hydrogène et stockent l'énergie avant de la reconvertir ensuite en électricité,
selon les besoins. À cet effet, un électrolyseur convertit de l'énergie renouvelable en hydrogène. Ensuite,
l'hydrogène est mis en œuvre pour les besoins de stockage et utilisé en association avec une pile à
combustible ou avec une unité de cogénération pour produire de l'électricité à la demande. De tels systèmes
peuvent être en outre intégrés pour le captage de la chaleur perdue en vue de son utilisation pour le
chauffage ou dans l'industrie. Ces applications mettent en jeu un composant qui accomplit la fonction primaire
et des composants chargés d'assurer le contrôle, la sûreté, l'alimentation et le stockage de l'hydrogène, ou de
soutenir la fonction primaire.
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ISO/TR 15916:2004(F)
4.2 Composants types des systèmes à hydrogène
4.2.1 Généralités
Un système générique à hydrogène comporte des composants primaires et auxiliaires qui font partie
intégrante des dispositifs de sécurité de l'hydrogène. À titre d'exemple, les propulseurs de fusée destinés aux
applications aérospatiales, les empilages de cellules utilisés dans le cadre des piles à combustible conçues
pour des applications énergétiques, les moteurs à combustion interne employés dans le domaine des
transports et les convertisseurs catalytiques des fourneaux de cuisine à usage domestique sont des
composants qui assurent des fonctions primaires.
Quant aux composants auxiliaires qui assurent un soutien essentiel des fonctions primaires, ils peuvent
disposer en totalité ou en partie des éléments suivants:
a) un moyen de stockage d'hydrogène ou une source d'alimentation en hydrogène, et un moyen de
stockage de comburant ou une source d'alimentation en comburant;
b) des canalisations de distribution de fluide pour faire parvenir l'hydrogène et le comburant au système
réactionnel;
c) des dispositifs régulateurs du débit;
d) des systèmes de protection contre les surpressions intégrés aux composants a), b) et c) dès le stade de
la conception;
e) des détecteurs.
4.2.2 Capacités de stockage
Il convient que la conception et la fonction des capacités de stockage et de leurs composants reflètent le type
d'exploitation envisagée, par exemple les réservoirs de gaz à haute pression ou ceux destinés aux liquides
maintenus à des cryotempératures. Des volumes supérieurs à 7 500 litres, dans des conditions normales,
sont stockés généralement à l'air libre ou dans des enceintes spécialement conçues à cet effet. Il convient
que la fabrication de ces capacités réponde aux prescriptions des codes nationaux spécifiques aux récipients
sous pression. Les capacités de stockage de l'hydrogène à des cryotempératures mettent en œuvre des
éléments d'isolation ou des enveloppes à vide isolant. Il est nécessaire de maintenir le vide à l'aide de
pompes à vide.
4.2.3 Canalisations de distribution du fluide, tuyauterie, raccords et joints d'étanchéité
Il est nécessaire que les tuyauteries et les joints d'étanchéité soient adaptés au système à hydrogène pendant
toute sa durée de vie. Des canalisations en acier inoxydable sont généralement utilisées. L'hydrogène passe
par perméation à travers la majeure partie des matériaux et chaque petite brèche dans le système se traduit
facilement par des fuites d'hydrogène. Ainsi, il est préférable d'utiliser des assemblages soudés là où toute
fuite est interdite. S'il est nécessaire d'ouvrir périodiquement un raccord ou un joint, l’usage de certains types
de détecteurs d'hydrogène ou de détecteurs de flammes est souhaitable, lorsqu'une perméation ou fuite
pourrait conduire à l’accumulation d'un mélange inflammable.
4.2.4 Dispositifs régulateurs de débit
Des composants divers sont utilisés pour la régulation du flux d'hydrogène à l'intérieur du système. Les
vannes, clapets antiretours et régulateurs constituent les composants mécaniques les plus communément
utilisés. Ils peuvent être à commande manuelle ou à distance et mettent en œuvre des actionneurs
électriques ou pneumatiques. Les actionneurs doivent être spécialement conçus à cet effet de manière à ne
pas constituer une source d'inflammation de l'hydrogène libéré. Les clapets antiretours sont destinés à
empêcher un
...
Questions, Comments and Discussion
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