droite|vignette|300x300px|La catastrophe du Hindenburg est un exemple d'explosion d'hydrogène de grande ampleur. La sécurité de l'hydrogène est l'ensemble des conditions et mesures concernant sa production, sa manipulation et son utilisation en toute sécurité, notamment sous forme de gaz combustible et de liquide. L'hydrogène possède le niveau d'inflammabilité maximal (4) selon la norme NFPA 704, car il est inflammable même mélangé en faible quantité avec l'air. L'inflammation peut se produire pour un rapport volumique hydrogène/air aussi faible que 4 %, en raison de la présence d'oxygène dans l'air et de la simplicité ainsi que des propriétés chimiques de la réaction. Cependant, l'hydrogène n'est pas classé selon son danger intrinsèque lié à sa réactivité ou à sa toxicité. Le stockage et l'utilisation de l'hydrogène présentent des défis spécifiques dus à sa propension aux fuites en tant que combustible gazeux, ou encore à sa faible énergie d'inflammation, à la large gamme de mélanges combustibles air-carburant possibles, à sa flottabilité et à sa capacité à fragiliser les métaux. Ces facteurs doivent être pris en compte pour garantir une utilisation sûre.
L'hydrogène liquide pose des défis supplémentaires en raison de sa densité élevée et des températures extrêmement basses nécessaires à son maintien à l’état liquide. De plus, sa demande et son utilisation dans l’industrie – comme carburant de fusées, source alternative de stockage d’énergie, liquide de refroidissement pour les générateurs électriques des centrales, matière première dans les procédés industriels et chimiques, notamment la production d’ammoniac et de méthanol, etc. – n’ont cessé d’augmenter, ce qui a accru l’importance des protocoles de sécurité liés à la production, au stockage, au transport et à l’utilisation de l’hydrogène.
L'hydrogène possède l'une des plages de mélange explosif/inflammable avec l'air les plus larges parmi tous les gaz, seulement dépassé par d'autres comme l'acétylène, le silane et l'oxyde d'éthylène. En termes d'énergie d'inflammation minimale et de proportions de mélange requises, les conditions pour explosion sont extrêmement facilement atteintes. Cela signifie que quelle que soit la proportion du mélange air/hydrogène, une fuite d'hydrogène enflammée dans un espace clos provoquera très probablement une explosion, et non une simple flamme.
Il existe de nombreux codes et normes pour la sécurité de l'hydrogène dans son stockage, son transport et son utilisation. Ceux-ci comprennent les réglementations fédéralesCadwallader, L. C, Herring, J. S, 10.2172/761801 Safety Issues with Hydrogen as a Vehicle Fuel, 1999, les normes ANSI/AIAA, NFPA. et ISO. Le Programme canadien de sécurité de l'hydrogène a conclu que le ravitaillement en hydrogène est aussi sûr, voire plus sûr, que le ravitaillement en gaz naturel comprimé (GNC).
Prévention Il des éléments à prendre en compte pour aider à concevoir des systèmes permettant d'éviter les accidents lors de la manipulation de l'hydrogène, l'un des principaux dangers de l'hydrogène est son extrême inflammabilité.
Inertage et purge L'inertage des chambres et la purge des conduites de gaz constituent des procédures de sécurité standards importantes lors du transfert d'hydrogène. Pour une inertage ou une purge correcte, il est impératif de tenir compte des limites d'inflammabilité. À pression atmosphérique normale, la limite d'inflammabilité est de 4 % à 75 %. Basé sur le pourcentage volumique d'hydrogène dans l'oxygène, elle est de 4 % à 94 %, tandis que la limite de détonation de l'hydrogène dans l'air est de 18,3 % à 59 % par volume.. En pratique, ces limites d'inflammabilité peuvent souvent être plus strictes, car les turbulences lors d'un incendie peuvent provoquer une déflagration susceptible d'engendrer une détonation. À titre de comparaison, la limite de déflagration de l'essence dans l'air est de 1,4 % à 7,6 %, et celle de l'acétylène dans l'airMSHA – Safety Hazard Information – Special Hazards of Acetylene Msha.gov. Retrieved on 2012-07-13., de 2,5 % à 82 %.
Par conséquent, lorsque des équipements sont ouverts à l'air avant ou après un transfert d'hydrogène, des conditions spécifiques doivent être prises en compte, contrairement au transfert d'autres gaz pour lesquels la sécurité n'aurait posé de problème qu'en une moindre mesure. Des incidents se sont produits en raison d'une inertisation ou d'une purge insuffisante, ou parce que l'introduction d'air dans l'équipement a été sous-estimée. (par exemple, lors de l'ajout de poudres), causant une explosion. C'est pourquoi les procédures et les équipements sont souvent spécifiques à l'hydrogène, et les raccords ou le marquage d'une conduite doivent souvent être complètement différents afin de garantir le respect de ces procédures, car de nombreuses explosions se sont produites simplement parce qu'une conduite d'hydrogène a été accidentellement raccordée à une conduite principale ou parce que celle-ci a été confondue avec une autre.
Gestion de la source d'allumage L'énergie minimale d'inflammation de l'hydrogène dans l'air est l'une des plus faibles parmi les substances connues (0,02 mJ), et les mélanges hydrogène-air s'enflamment avec un dixième de l'énergie nécessaire pour enflammer les mélanges essence-air. Toute source d'inflammation potentielle doit donc être examinée avec soin. Chaque appareil électrique, liaison ou mise à la terre doit être conforme aux exigences de classification des zones dangereuses. Toute source potentielle d'accumulation d'électricité statique (comme certains systèmes de ventilation) doit être minimisée, par exemple au moyen de dispositifs antistatiques.
Les procédures de travaux à chaud doivent être rigoureuses, complètes et appliquées avec soin ; elles doivent inclure la purge et la ventilation des zones en hauteur ainsi que le prélèvement d’échantillons d’atmosphère avant toute intervention. Les équipements au plafond doivent également être conformes aux exigences relatives aux zones dangereuses (NFPA 497). Enfin, l’utilisation de disques de rupture est proscrite, car ils constituent une source d’inflammation fréquente à l’origine de nombreuses explosions et incendies. Il convient d’utiliser à la place d’autres systèmes de décompression, tels qu’une soupape de sûreté.
Intégrité mécanique et chimie réactive Il existe quatre propriétés chimiques principales à prendre en compte lorsqu'on travaille avec l'hydrogène pouvant entrer en contact avec d'autres matériaux même dans des conditions normales de pression et de température atmosphériques : La chimie de l'hydrogène est très différente de celle des produits chimiques traditionnels, notamment en raison de son oxydation dans l'air ambiant. Négliger cette chimie particulière a engendré des problèmes dans certaines implantations industrielles chimiques. Un autre aspect à prendre en compte est la possibilité que l'hydrogène soit généré comme sous-produit d'une autre réaction, par exemple la réaction entre le zirconium et la vapeur d'eauChernobyl Accident Appendix 1: Sequence of Events , World Nuclear Association, November 2009. Ce risque peut être partiellement atténué grâce à l'utilisation de recombinateurs autocatalytiques passifs. Un autre point important à considérer est la compatibilité de l'hydrogène avec certains autres matériaux de construction courants comme l'acier. En raison d'une fragilisation par l'hydrogène, la compatibilité des matériaux avec l'hydrogène fait l'objet d'une attention particulière. Ces considérations peuvent changer en raison de réactions spécifiques à haute température. La diffusivité de l'hydrogène est assez différente de celle des gaz ordinaires, et par conséquent, les matériaux de joints doivent être choisis avec soin. Les forces de flottabilité et les contraintes exercées sur les corps mécaniques concernés sont souvent inversées par rapport aux gaz standards. Par exemple, en raison de la flottabilité, les contraintes sont souvent prononcées près du sommet d'un grand réservoir de stockage.
Ces quatre facteurs sont pris en compte dès la conception initiale d'un système utilisant de l'hydrogène et sont généralement gérés en limitant le contact entre les métaux sensibles et celui-ci, notamment par l'espacement, le traitement électrolytique, le nettoyage de surface, le choix des matériaux et l'assurance qualité lors de la fabrication, du soudage et de l'installation. Sinon, les dommages causés par l'hydrogène peuvent être gérés et détectés par des équipements de surveillance spécialisésThe Australian Institute for Non Destructive Testing (AINDT), Detection and Quantification of Hydrogen Damage .
Systèmes de détection de fuites et de flammes L'emplacement des sources d'hydrogène et des canalisations doit être choisi avec soin. L'hydrogène étant un gaz plus léger que l'air, il s'accumule sous les toits et les avant-toits (zones dites de piégeage), où il présente un risque d'explosion. Si beaucoup sont familiers avec la protection des installations des vapeurs plus lourdes que l'air, mais sont peu habitués de l'importance de surveiller les zones situées en hauteur. L'hydrogène peut également pénétrer dans les canalisations et les suivre jusqu'à leur destination. Les canalisations d'hydrogène doivent donc être clairement identifiées et installées au-dessus d'autres canalisations afin de prévenir tout incident.
Même avec une conception adéquate, les fuites d'hydrogène peuvent entretenir la combustion à de très faibles débits, aussi bas que 4 microgrammes par seconde. C'est pourquoi, la détection est importante. Les capteurs d'hydrogène ou un catharomètre permettent une détection rapide des fuites afin de garantir l'évacuation de l'hydrogène et la localisation de la fuite. Des rubans spéciaux peuvent être ajoutés autour de certaines canalisations ou à certains endroits pour la détection de l'hydrogène. Une méthode classique consiste à ajouter un odorisant à l'hydrogène, comme c'est le cas pour le gaz naturel. Dans les piles à combustible, ces odorisants peuvent contaminer les piles, mais les chercheurs étudient d'autres méthodes de détection de l'hydrogène : traceurs, nouvelles technologies d'odorisants, capteurs avancés, etc.
Bien que les flammes d'hydrogène soient difficiles à voir à l'œil nu (on parle alors de « flamme invisible »), elles sont facilement détectables par les détecteurs de flammes UV/IR. Plus récemment, des détecteurs multi-IR ont été mis au point, permettant une détection encore plus rapide des flammes d'hydrogène. Ceci est crucial pour lutter contre les incendies, car la méthode privilégiée consiste à stopper la fuite à sa source. En effet, dans certains cas (notamment avec l'hydrogène cryogénique), l'arrosage de la source avec de l'eau peut provoquer du givrage, susceptible d'entraîner une rupture secondaire.
Ventilation et torchage Outre les problèmes de flammabilité, dans des espaces fermés, l'hydrogène peut aussi agir comme un gaz asphyxiant. Il faut donc s'assurer qu'une ventilation est fonctionnelle pour gérer ces deux problèmes quand ils se produisent, étant généralement sûr de rejeter de l'hydrogène dans l'atmosphère. Cependant, en plaçant et concevant de tels systèmes de ventilation, il faut prendre en compte que l'hydrogène tend à s'accumuler dans les plafonds et les parties hautes des structures, plutôt que sur le sol. Beaucoup de dangers peuvent êtres minimisés par le fait que l'hydrogène vole rapidement et se disperse souvent avant ignition.
Dans certaines situations d'urgence ou de maintenance, l'hydrogène peux aussi être torché. Par exemple, une mesure de sécurité dans certains véhicules utilisant de l'hydrogène est qu'ils torchent le carburant si le véhicule est en feu, consumant complètement et avec peu de dommages le véhicule, contrairement aux résultats attendus dans un véhicule à gasoline.
Gestion des stocks et espacement des installations