Large scale leakage of liquid hydrogen (LH2) – tests related to bunkering and maritime use of liquid hydrogen

Abstract

Hydrogen is a promising energy carrier, which itself does not contribute to greenhouse gas emissions. Liquid hydrogen (LH2) is an efficient solution for transportation and storage of hydrogen. Especially for large vessels, liquid hydrogen is more practical than compressed hydrogen due to more efficient storage, bunkering, and handling of the fuel. However, to introduce LH2 as a maritime fuel, more knowledge regarding the behavior of LH2 is needed. For this purpose, a number of large-scale leakage tests of LH2 were performed. To simulate spill from a bunkering operation, LH2 was released in an outdoor test facility. The objectives of the tests were to provide information about:  formation of a liquid pool caused by leakage of LH2, and/or condensations and freezing of components in air on the ground  hydrogen concentration within the gas cloud originating from the leakage  consequences of ignition of the gas cloud. To simulate leakage of LH2 in the technical room connected to the LH2 tank (Tank Connection Space, TCS), LH2 was released into a closed room connected to a ventilation mast. The objectives of the closed room and ventilation mast tests were to provide information about:  concentration of H2 in TCS due to leakage of LH2  flow rate of H2 out of, and spread of H2 downwards, from the ventilation mast  clogging of ventilation mast due to condensation and freezing of components in air  consequences of explosion in TCS. Releases of LH2 resulted in formation of a liquid pool on the ground. The radius of the liquid pool was limited to 0.5 to 1.0 m from the release point. The pool disappeared when the release stopped. The plume of H2 with flammable concentrations spread along the ground with neutral buoyancy, in a narrow passage from the release point. In the tests with horizontal release orientation, flammable concentrations of H2 were detected 50 m, but not 100 m, from the release point. No flammable concentrations of H2 were detected outside a 45° angle, relative to the wind direction. Frozen components from air was observed on the ground around the release point in the tests with a vertically downwards release orientation, but not from the cloud in general. Ignition of the gas cloud caused a combustion blast. No fast deflagration or detonation occurred anywhere or at any time during the tests. Release of LH2 into the closed room caused build-up of near 100%vol H2 in the room within 30 seconds. Hydrogen spread from the ventilation mast with a neutral buoyancy. No significant levels of H2 were measured at ground level. No clogging of the ventilation mast due to condensation and freezing of components in air was observed. The tests where H2 was ignited at top of the ventilation mast showed that oxygen flowing back through the ventilation mast could cause a low severity explosion in the TCS.

Hydrogen er en lovende energibærer som i seg selv ikke bidrar til klimagassutslipp. Flytende hydrogen (LH2) er en effektiv løsning for transport og lagring av hydrogen. Spesielt for store fartøy er flytende hydrogen mer praktisk enn komprimert hydrogen på grunn av enklere lagring, bunkring og håndtering av drivstoffet. For å introdusere LH2 som et maritimt drivstoff er det behov for mer kunnskap om LH2s oppførsel. For å innhente mer informasjon, spesielt med tanke på maritim bruk, ble det utført lekkasjetester med store mengder LH2. LH2 ble sluppet ut i et testoppsett utendørs for å simulere utslipp fra en bunkring. Formålet med testene var å gi informasjon om:  dannelse av et væskebasseng forårsaket av lekkasje av LH2 og/eller utfrysing av komponenter i luft  hydrogenkonsentrasjon i gass-skyen fra lekkasjen  konsekvenser i forbindelse med antenning av gasskyen. For å simulere lekkasje av LH2 i det tekniske rommet som er koblet til LH2-tanken (Tank Connection Space, TCS), ble LH2 sluppet ut i et lukket rom koblet til en ventilasjonsmast. Formålet med testene var å gi informasjon om:  konsentrasjon av H2 i TCS som følge av lekkasje av LH2  strømningshastighet av H2 ut av, og spredning av H2 ned fra, ventilasjonsmasten  tetting av ventilasjonsmasten grunnet frysing av fuktighet i lufta  konsekvenser av eksplosjon i TCS. Utslipp av LH2 resulterte i dannelse av en væskedam på bakken, men bare i tilfellene der utslippet var rettet vertikalt ned mot bakken. Dammen var begrenset til 0,5 til 1,0 m fra utslippspunktet, og forsvant da utslippet ble stanset. H2-skyen med brennbare konsentrasjoner spredte seg langs bakken med nøytral oppdrift, i en smal passasje foran utslippspunktet. For testene med horisontal utslippsretning, ble det målt brennbare konsentrasjoner av H2 i en avstand på 50 m, men ikke 100 m, fra utslippspunktet. Det ble ikke observert brennbare konsentrasjoner av H2 utenfor en 45° vinkel, relativt til vindretningen. Kondensering og frysing av komponenter i lufta ble observert på bakken rundt utslippspunktet i tilfellene der utslippet var rettet vertikalt ned mot bakken, men ikke fra skyen generelt. Antenning av gasskyen forårsaket en brann. Rask deflagrasjon eller detonasjon skjedde ikke på noe sted eller tidspunkt under testene. Utslipp av LH2 i lukket rom ga 100 %vol H2 i rommet løpet av 30 sekunder. Hydrogen spredte seg fra ventilasjonsmasten med en nøytral oppdrift. Ingen signifikante H2-nivåer ble målt på bakkenivå. Ingen tilstopping av ventilasjonsmasten ble observert. Testene hvor H2 ble antent på toppen av ventilasjonsmasten viste at oksygen som strømmer tilbake gjennom ventilasjonsmasten kan forårsake en eksplosjon med lav alvorlighetsgrad i TCS.