Çalışmanın temel problemi: Sıvı hidrojen dolum istasyonlarında risk nerede yoğunlaşıyor?

Hidrojen, temiz enerji dönüşümünde özellikle ulaşım sektörü için önemli bir enerji taşıyıcısı olarak görülmektedir. Yakıt hücreli elektrikli araçlar uzun menzil, hızlı dolum ve egzozda karbon emisyonu oluşturmama gibi avantajlara sahiptir. Ancak bu araçların yaygınlaşması yalnızca araç teknolojisine bağlı değildir; güvenli ve büyük kapasiteli hidrojen dolum altyapısının da kurulması gerekir.

Sıvı hidrojen dolum istasyonları, gaz hidrojen istasyonlarına göre bazı önemli avantajlar sunar. Sıvı hidrojenin hacimsel depolama yoğunluğu daha yüksektir; yani aynı hacimde daha fazla hidrojen depolanabilir. Taşıma maliyeti düşebilir, buharlaştırıldıktan sonra yüksek saflıkta hidrojen elde edilebilir ve belirli süreçlerde depolama/taşıma basıncı gaz hidrojen sistemlerine göre daha düşük olabilir. Bu nedenle sıvı hidrojen, gelecekte büyük kapasiteli hidrojen istasyonları için güçlü bir seçenek olarak değerlendirilmektedir.

Fakat çalışmanın merkezindeki güvenlik problemi tam da bu avantajların arkasındaki fiziksel koşullardan doğmaktadır. Sıvı hidrojen çok düşük sıcaklıkta, kriyojenik koşullarda depolanır. İstasyonun bazı noktalarında sıvı faz, buharlaşma, yüksek basınçlı gaz fazı, ısı değişimi ve araç dolumu aynı süreç zinciri içinde yer alır. Bu durum, kaçak oluştuğunda hidrojenin nasıl yayılacağını, ne kadar hızlı yanıcı karışım oluşturacağını, ne zaman jet yangınına veya gecikmeli tutuşma halinde patlamaya dönüşebileceğini karmaşık hale getirir.

Çalışmada hidrojenin bazı temel tehlike özellikleri özellikle vurgulanmaktadır. Hidrojen renksiz ve kokusuz olduğu için kaçağın doğrudan insan duyularıyla fark edilmesi zordur. Minimum tutuşma enerjisi yaklaşık 0,02 mJ düzeyindedir; bu çok düşük bir değerdir. Ayrıca difüzyon katsayısı 6,11 × 10⁻⁵ m²/s değerine ulaşabilir. Bu, hidrojenin havayla hızlı karışabildiği ve uygun koşullarda yanıcı bir bulut oluşturabildiği anlamına gelir. Gündelik bir benzetmeyle, hidrojen kaçağı görünmeyen, kokmayan ve havaya hızla karışan bir risk alanı oluşturabilir; ancak bu benzetme, çalışmanın teknik içeriğini basitleştirmek içindir. Asıl risk değerlendirmesi, modelleme ve olasılık hesaplarıyla yapılmıştır.

Literatürdeki boşluk: Gaz hidrojen istasyonlarından sıvı hidrojen istasyonlarına doğrudan geçiş yapılamaz

Hidrojen dolum istasyonları için risk değerlendirmesinde HAZOP, FMEA, hata ağacı analizi, HyRAM+, Phast ve Safeti gibi yöntem ve yazılımlar daha önce özellikle gaz hidrojen istasyonlarında sıkça kullanılmıştır. Bu çalışmalar, kaçak senaryoları, jet yangını, patlama, bireysel risk konturları ve ayırma mesafeleri için olgun bir yaklaşım oluşturmuştur.

Ancak sıvı hidrojen dolum istasyonları aynı koşulları taşımaz. Burada kriyojenik depolama, faz değişimi, düşük sıcaklık etkileri, yüksek basınçlı ekipmanlar ve sıvıdan gaza geçiş birlikte değerlendirilmelidir. Gaz hidrojen istasyonunda çalışan bir risk modeli, sıvı hidrojen istasyonuna doğrudan taşındığında bazı kritik fiziksel süreçleri eksik bırakabilir. Bu nedenle araştırmanın literatürde doldurmaya çalıştığı boşluk şudur: Sıvı hidrojen dolum istasyonlarında hangi sistemin baskın risk birimi olduğunu, hangi temel arızaların riski en çok büyüttüğünü ve hangi önlemlerin hem kaçak olasılığını hem de sonuç şiddetini azaltabileceğini bütünleşik bir QRA çerçevesiyle göstermek.

İstasyon sınırı ve incelenen sistemler

Çalışmada temsilî bir sıvı hidrojen dolum istasyonu ele alınmıştır. İstasyon süreci; sıvı hidrojenin tankerden boşaltılması, depolanması, kriyojenik booster pompa ile basınçlandırılması, buharlaştırıcı ve ısı değiştirici üzerinden yüksek basınçlı gaz hidrojen haline getirilmesi, yüksek basınçlı silindir bankasında tutulması, ön soğutma ve araç dolumu aşamalarından oluşmaktadır.

Araştırmada istasyon altı işlevsel birime ayrılmıştır:

• Sıvı hidrojen depolama,
• Sıvı hidrojen basınçlandırma,
• Buharlaştırma ve ısı değişimi,
• Yüksek basınçlı hidrojen depolama,
• Hidrojen ön soğutma,
• Araç dolumu.

HAZOP ve FMEA sonuçlarına göre daha ayrıntılı risk analizi için dört kritik sistem seçilmiştir: sıvı hidrojen depolama sistemi, sıvı hidrojen booster pompa sistemi, yüksek basınçlı hidrojen silindir bankası ve dispenser sistemi. Bu seçim önemlidir; çünkü çalışma bütün istasyonu tek bir tehlike kutusu gibi değil, farklı ekipmanların ayrı ayrı risk katkısı yaptığı bir mühendislik sistemi olarak ele almaktadır.

HAZOP ve FMEA neyi gösterdi?

HAZOP, süreçteki basınç, sıcaklık, akış ve sıvı seviyesi gibi parametrelerde oluşabilecek sapmaları inceler. Örneğin “yüksek basınç”, “düşük sıcaklık”, “akış yok”, “ters akış” gibi durumlar, her süreç düğümünde olası nedenler ve sonuçlarla birlikte değerlendirilir. Çalışmada istasyon sekiz analiz düğümüne bölünmüş ve bu düğümler üzerinden 61 proses sapması ile 223 potansiyel kaza senaryosu belirlenmiştir.

Bu 223 senaryonun 171’i düşük risk, 52’si orta risk olarak sınıflandırılmıştır. Yüksek veya çok yüksek risk sınıfına giren senaryo bulunmamıştır. Ancak bu sonuç, “istasyon tamamen güvenlidir” anlamına gelmez. Çünkü orta risk senaryoları belirli düğümlerde yoğunlaşmıştır. Özellikle sıvı hidrojen depolama, sıvı hidrojen basınçlandırma, yüksek basınçlı hidrojen depolama ve dispenser sistemleri öne çıkmıştır. Sıvı hidrojen basınçlandırma ve yüksek basınçlı hidrojen depolama düğümlerinin her birinde 11 orta risk senaryosu bulunmuştur.

FMEA ise ekipman ve bileşen düzeyindeki arızaları inceler. Çalışmada kritik sistemler için 231 arıza modu ve 427 potansiyel neden belirlenmiştir. FMEA sonuçlarına göre yüksek riskli arıza modu yoktur; fakat orta riskli arızalar özellikle valf kaçağı, boru hattı kaçağı, conta arızası ve sensör arızası etrafında yoğunlaşmaktadır. Bu bulgu çok önemlidir: Hidrojen güvenliği yalnızca büyük tankın patlaması gibi dramatik senaryolardan ibaret değildir. Çok daha sıradan görünen conta, valf, bağlantı, sensör ve boru arızaları, zincirleme biçimde ciddi kaçak ve yangın riskine dönüşebilir.

FMEA risk indeksi formülü

Çalışmada FMEA risk sınıflandırması için kullanılan temel ilişki şudur:

[ RI = SI + PI ]

Burada RI risk indeksini, SI şiddet indeksini, PI ise oluşma olasılığı indeksini ifade eder. SI değeri arızanın ne kadar ağır sonuç doğurabileceğini, PI değeri ise bu arızanın ne kadar olası olduğunu gösterir. Örneğin küçük bir sızıntı sık görülüyorsa PI yüksek olabilir; fakat ölümcül sonuç beklenmiyorsa SI daha düşük olabilir. Buna karşılık nadir ama ölümcül bir senaryoda SI yüksek, PI düşük olabilir. Çalışma, bu iki boyutu birlikte değerlendirerek arıza modlarını düşük, kabul edilebilir, orta ve yüksek risk sınıflarına ayırmıştır.

Hata ağacı analizi: Tek bir temel olay bile kaçağı başlatabilir

HAZOP ve FMEA ile kritik sistemler belirlendikten sonra hata ağacı analizi yapılmıştır. Hata ağacı analizi, bir üst olayın hangi temel olay kombinasyonlarıyla meydana gelebileceğini gösterir. Bu çalışmada üst olay, ilgili sistemden hidrojen salımıdır. Örneğin booster pompa sistemi için üst olay “sıvı hidrojen booster pompa sisteminden hidrojen salımı” olarak tanımlanmıştır.

Booster pompa sistemi için oluşturulan hata ağacında boru hattı arızası, pompa gövdesi hasarı, pompa aksesuar arızası, insan faktörleri ve üçüncü taraf hasarı dikkate alınmıştır. Çalışmada X1’den X27’ye kadar tanımlanan temel olaylar arasında boru hattı korozyonu, bağlantı hatası, basınç kontrol valfi arızası, izolasyon arızası, pompa gövdesi kalite sorunu, tasarım kusuru, conta malzemesi arızası, hatalı conta montajı, flanş kaçağı, valf gövdesi kaçağı, yetersiz inşaat personeli yeterliliği, yetersiz korozyon kontrolü, yetersiz kaynak uygulaması, yetersiz kabul denetimi, bakım eksikliği, güvenlik yönetimi eksikliği ve doğal afetler gibi olaylar yer almaktadır.

Booster pompa hata ağacında 26 minimal kesme kümesi bulunmuştur. Bunların 25’i tek olaydan oluşmaktadır; yalnızca bir tanesi iki olaylıdır. Bu, sistemin bazı noktalarda tekil arızalara karşı hassas olduğunu gösterir. Başka bir ifadeyle, belirli temel olaylardan biri tek başına üst olayı, yani hidrojen salımını başlatabilecek yapıdadır. Bu bulgu, koruma katmanlarının ve kalite güvence süreçlerinin neden kritik olduğunu açıkça ortaya koyar.

Çalışmanın booster pompa sistemi için özellikle öne çıkardığı üç temel olay şunlardır:

• X20: Yetersiz inşaat/kabul denetimi,
• X1: Boru hattı korozyon hasarı,
• X7: Conta malzemesi arızası.

Bu üç olay hem olasılık hem de önem açısından yüksek katkı verdiği için risk azaltma stratejisinde öncelikli kabul edilmiştir. Bu nokta, çalışmanın uygulamadaki değerini artırır: Riskin yalnızca “hidrojen tehlikesi”nden değil, denetim, malzeme, kaynak, bağlantı, korozyon ve bakım gibi somut mühendislik süreçlerinden doğduğunu gösterir.

Olasılık hesaplarının mantığı

Çalışmada temel olay olasılıkları iki yolla belirlenmiştir. Sensör, emniyet valfi, kontrol valfi ve benzeri ekipmanlar için OREDA veri tabanı ve HIAD 2.1 hidrojen olay verileri kullanılarak veri tabanına dayalı olasılık tahmini yapılmıştır. İstatistiksel verisi zayıf olan olaylar için ise uzman görüşü ve bulanık matematik birleştirilmiştir.

Veri tabanına dayalı başarısızlık oranı tahmininde kullanılan önemli formüllerden biri şudur:

\[ \bar{\lambda}=\frac{1}{\sum_{i=1}^{k}\frac{1}{\frac{\lambda_i}{\tau_i}+\hat{\sigma}_i^2}}\times\sum_{i=1}^{k}\left(\frac{1}{\frac{\lambda_i}{\tau_i}+\hat{\sigma}_i^2}\times\frac{n_i}{\tau_i}\right) \]

Burada \bar{\lambda} belirli bir bileşen tipi için ortalama arıza oranını, \lambda_i örnek i için raporlanan arıza oranını, \hat{\sigma}_i ilgili örneğin standart sapma tahminini, n_i arıza sayısını ve \tau_i işletme süresini ifade eder. Formülün temel fikri, farklı kaynaklardan gelen arıza verilerini belirsizlikleriyle birlikte ağırlıklandırarak daha uygun bir ortalama arıza oranı elde etmektir.

Onarılabilir bileşenlerde birim arıza olasılığı için kullanılan ilişki ise şöyledir:

\[ F=\frac{\lambda}{\lambda+\mu}\approx\frac{\lambda}{\mu}=\lambda t \]

Burada F arıza olasılığını, \lambda ağırlıklandırılmış arıza oranını, \mu onarım oranını ve t ortalama onarım süresini ifade eder. Çalışmada \lambda değerinin \mu değerinden çok küçük olduğu kabul edildiği için ifade yaklaşık olarak F ≈ λt biçimine indirgenmiştir. Bu, pratik olarak şu anlama gelir: Arıza oranı ve onarım süresi arttıkça bileşenin arızalı durumda bulunma olasılığı da artar.

Hata ağacında üst olay olasılığı ise minimal kesme kümeleri üzerinden hesaplanmıştır:

\[ P(T)=P\left(\bigcup_{j=1}^{n}K_j\right) \]

Burada P(T) üst olayın, yani sistemden hidrojen salımının olasılığını; K_j ise j numaralı minimal kesme kümesini ifade eder. Minimal kesme kümesi, üst olayı doğurmak için yeterli olan en küçük temel olay kombinasyonudur. Eğer bir sistemde tek olaylı minimal kesme kümeleri çok fazlaysa, sistem tekil arızalara karşı daha hassas hale gelir.

Çalışmada hesaplanan üst olay olasılıkları şöyledir:

Bu tabloda dispenser sistemi için üst olay olasılığı sayısal olarak en yüksek görünmektedir. Ancak çalışmanın bütünleşik risk değerlendirmesinde baskın risk birimi booster pompa sistemi olarak seçilmiştir. Bunun nedeni yalnızca salım olasılığı değil; salım hızı, yanıcı bulut genişliği, jet yangını radyasyon alanı ve bireysel risk konturlarının birlikte değerlendirilmesidir. Yani en kritik sistem, tek başına en yüksek olasılığa sahip sistem olmak zorunda değildir; olasılık ve sonuç şiddeti birlikte belirleyici olur.

Sonuç modellemesi: 5 mm kaçak senaryosu neden önemli?

Çalışmada temsilî küçük delik kaçağı olarak 5 mm eşdeğer kaçak çapı seçilmiştir. Küçük delik kaçakları, kayıp muhafaza olaylarının önemli bir bölümünü oluşturabildiği için mühendislik risk analizlerinde anlamlı bir senaryodur. Araştırmada dört sistem için ayrı salım parametreleri tanımlanmıştır:

HyRAM+ 5.1 kullanılarak hidrojen salım debisi, jet dağılımı, jet yangını ısıl radyasyonu ve gecikmeli tutuşma sonrası patlama aşırı basıncı hesaplanmıştır. Termofiziksel özellikler için CoolProp veri tabanından yararlanılmıştır. Burada dikkat edilmesi gereken bir sınırlılık vardır: Çalışmanın sonuç analizi, hidrojenin buharlaşma sonrası dağılımı, yanması ve patlamasına odaklanmış; orifis yakınındaki flashing veya iki fazlı akışı ayrıntılı çözmemiştir. Kriyojenik sıvı hidrojen salımları, orifis sonrasında buharlaşmış eşdeğer gaz hidrojen jeti olarak mühendislik ölçeğinde modellenmiştir.

Kütlesel salım hızı ve jet modeli

HyRAM+ içinde kullanılan termodinamik orifis modeli, kaçak noktasından geçen akışı izentropik kabul eder. Orifis hızının ve kütlesel debinin hesaplanmasında kullanılan temel ilişkiler şunlardır:

\[ \frac{v^2}{2}+h=h_0 \]

\[ \dot{m}=\frac{\pi}{4}d^2m''C_d=\frac{\pi}{4}d^2\rho vC_d \]

Burada v orifis hızını, h_0 yukarı akış durgunluk entalpisini, h orifisteki özgül entalpiyi, \dot{m} kütlesel salım hızını, d eşdeğer kaçak çapını, \rho akışkan yoğunluğunu ve C_d deşarj katsayısını ifade eder. İlk formül enerji dengesini temsil eder: Akışkanın basınç ve ısıl enerjisinin bir bölümü kaçak noktasında hıza dönüşür. İkinci formül ise bu hız, yoğunluk ve delik alanı üzerinden saniyede kaç kilogram hidrojen salındığını hesaplar.

Hidrojen jetinin yayılımında hız, yoğunluk ve hidrojen kütle kesri için Gauss benzeri radyal profiller kullanılmıştır:

\[ v=v_{cl}\exp\left(-\frac{r^2}{B^2}\right) \]

\[ \rho=(\rho_{cl}-\rho_{amb})\exp\left(-\frac{r^2}{\lambda^2B^2}\right)+\rho_{amb} \]

\[ \rho Y=\rho_{cl}Y_{cl}\exp\left(-\frac{r^2}{\lambda^2B^2}\right) \]

Burada r jet merkezinden radyal uzaklığı, B jet yarı genişliğini, \lambda yoğunluk yayılım genişliği ile hız yayılım genişliği arasındaki oranı, Y hidrojen kütle kesrini, cl merkez çizgisi koşullarını ve amb ortam koşullarını ifade eder. Bu formüller, hidrojenin jet merkezinde daha yoğun ve hızlı olduğunu, merkezden uzaklaştıkça konsantrasyonun ve hızın azaldığını gösterir.

Jet yangını ve ısıl radyasyon

Hidrojen kaçağı hemen tutuşursa jet yangını oluşur. Jet yangını, yüksek basınçlı bir kaçak noktasından çıkan hidrojenin alevli bir jet halinde yanmasıdır. Bu durumda en önemli ölümcül etki çoğunlukla ısıl radyasyondur. Çalışmada jet alevi uzunluğu ve ısıl radyasyon için HyRAM+ içindeki alev uzunluğu korelasyonu ve ağırlıklı çok kaynaklı radyasyon modeli kullanılmıştır.

Boyutsuz alev uzunluğu şu şekilde ifade edilmiştir:

\[ L^*=\begin{cases}\frac{13.5Fr^{2/5}}{(1+0.07Fr^2)^{1/5}}, & Fr<5\\ 23, & Fr>5 \end{cases} \]

Burada L* boyutsuz alev uzunluğunu, Fr Froude sayısını ifade eder. Froude sayısı, jet momentumunun yerçekimi etkisine göre ne kadar baskın olduğunu gösterir. Yüksek momentumlu jetlerde alev daha ileri uzanabilir; düşük momentumlu koşullarda kaldırma kuvveti ve yerçekimi etkileri alev geometrisini daha fazla etkiler.

Isıl radyasyon hesabında kullanılan ilişki şöyledir:

\[ q=\tau S_{rad}\frac{V_F}{A_f} \]

\[ S_{rad}=X_{rad}\dot{m}_{fuel}\Delta H_c \]

Burada q hedef noktadaki ısıl radyasyon akısını, \tau atmosferik geçirgenliği, V_F görüş faktörünü, A_f alev yüzey alanını, S_{rad} toplam radyatif gücü, X_{rad} radyatif fraksiyonu, \dot{m}_{fuel} yakıt kütlesel debisini ve \Delta H_c yanma ısısını ifade eder. Basitçe söylenirse, kaçaktan çıkan hidrojen miktarı ve yanma enerjisi arttıkça alevin çevreye yaydığı ısı da artar. Bu ısı, yakındaki insanlara, ekipmanlara, plastik malzemelere, ahşap yüzeylere ve güvenlik sistemlerine zarar verebilir.

Gecikmeli tutuşma ve patlama aşırı basıncı

Hidrojen hemen tutuşmazsa önce yanıcı bir bulut oluşabilir. Bu bulut daha sonra bir tutuşma kaynağıyla karşılaşırsa patlama veya hızlı yanma sonucu aşırı basınç meydana gelebilir. Çalışmada gecikmeli tutuşma sonrası patlama aşırı basıncı Baker-Strehlow-Tang modeliyle hesaplanmıştır.

Yanıcı bulut kütlesi, yanma enerjisi ve ölçekli uzaklık ilişkileri şu şekilde verilmiştir:

\[ m_{flam}=\int_{S=0}^{S=\infty}\left(\int_{r_Y=Y_{UFL}}^{r_Y=Y_{LFL}}\rho Y2\pi r\,dr\right)ds \]

\[ E_{flam}=k_{reflection}m_{flam}\Delta H_c \]

\[ R^*_{BST}=\frac{R}{(E_{flam}/P_{ambient})^{1/3}} \]

\[ P^*=\frac{P_s}{P_{ambient}} \]

Burada m_flam yanıcı bulut kütlesini, Y_LFL ve Y_UFL hidrojenin alt ve üst yanıcılık sınırındaki kütle kesirlerini, E_flam yanma enerjisini, k_reflection zemin yansıma katsayısını, R patlama merkezinden hedefe olan uzaklığı, P_s tepe aşırı basıncını ve P_ambient ortam basıncını ifade eder. Bu model, patlama etkisini yalnızca bulutun varlığına değil, yanıcı aralıktaki hidrojen kütlesine, enerjiye ve hedef uzaklığına göre hesaplar.

Sonuçlar: Booster pompa sistemi neden öne çıktı?

Dört kritik sistem için hesaplanan maksimum hidrojen salım hızları şöyledir:

Bu sonuç, booster pompa sisteminin neden kritik hale geldiğini açıkça gösterir. Aynı 5 mm kaçak çapı altında booster pompa çıkışındaki 100 MPa basınç ve kriyojenik koşullar, çok daha yüksek kütlesel salım hızına yol açmıştır. Saniyede 2,23 kg hidrojen salımı, küçük gibi görünen 5 mm’lik bir kaçakta bile büyük bir yanıcı bulut ve ciddi ısıl radyasyon alanı oluşturabilir.

Yanıcı bulutun 4 hacim yüzde hidrojen alt yanıcılık sınırına göre hesaplanan uzanımları şöyledir:

Booster pompa sisteminde yanıcı bulutun yatay uzanımı 36,89 m’ye ulaşmıştır. Bu, istasyon yerleşimi, ekipman aralıkları, personel konumu, araç bekleme alanları ve saha sınırına yakın halk maruziyeti açısından kritik bir değerdir. Araştırmada şekillerle gösterilen hidrojen mole kesri alanları, hidrojenin jet ekseni boyunca yüksek konsantrasyonda ilerlediğini ve daha sonra çevre havayla karışarak seyreldiğini göstermektedir. Beyaz kontur, 4 hacim yüzde alt yanıcılık sınırını temsil eder. Bu konturun içinde kalan bölge, uygun tutuşma kaynağı varsa yangın veya patlama açısından tehlikeli kabul edilir.

Jet yangını analizinde booster pompa sistemi yine en geniş etki alanını üretmiştir. 1,6 kW/m² üzerindeki bölgenin yaklaşık çapı 72 m olarak verilmiştir. Ayrıca booster pompa sisteminde 4, 12,5 ve 25 kW/m² eşiklerini aşan alanlar sırasıyla 1385 m², 531 m² ve 227 m² olarak hesaplanmıştır. Çalışmada kullanılan eşiklere göre 37,5 kW/m² 1 dakika maruziyette yüzde 100 ölümcül olabilecek düzeyde, 25 kW/m² ciddi yaralanma ve uzun süreli maruziyette ölümcül sonuçlar açısından çok kritik, 12,5 kW/m² yanık ve malzeme hasarı açısından önemli, 4 kW/m² ise 20 saniyeden uzun maruziyette ağrı oluşturabilecek düzeydedir.

Patlama aşırı basıncı tarafında ise çalışmanın sonucu daha farklıdır. 60 saniye gecikmeli tutuşma senaryolarında tepe aşırı basınçlar tüm senaryolarda 25 kPa’nın altında kalmıştır. Personel etkisi çoğunlukla hafif yaralanma düzeyinde, tesis etkisi ise daha çok cam kırılması gibi hafif hasarlar şeklinde değerlendirilmiştir. Bu nedenle çalışmanın bireysel risk hesabında ölümcül etki açısından ana mekanizma olarak jet yangını ısıl radyasyonu seçilmiştir.

Bireysel risk hesabı: Bir kişinin belirli noktadaki yıllık ölüm riski

Bireysel risk, belirli bir noktada sürekli bulunan bir kişinin yılda ölümcül etkiye maruz kalma olasılığını ifade eder. Çalışmada kullanılan temel formül şöyledir:

\[ IR(x,y)=\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{m}f_{i,j}d_{i,j}(x,y) \]

Burada IR(x,y) koordinatı (x,y) olan noktadaki bireysel riski, f_i,j i kaynağından çıkan j kaza sonucunun yıllık frekansını, d_i,j(x,y) ise aynı noktadaki koşullu ölüm olasılığını ifade eder. Yani bu formül iki şeyi çarpar: Kaza ne kadar sık olabilir ve gerçekleşirse belirli noktadaki kişi için ne kadar ölümcül olabilir?

Fiziksel etki değerleri, yani ısıl radyasyon veya patlama basıncı, ölüm olasılığına probit modeliyle dönüştürülmüştür:

\[ d_i=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{Y-5}\exp\left(-\frac{u^2}{2}\right)du \]

Burada d_i ölüm olasılığını, Y probit değişkenini ve u integral değişkenini ifade eder. Termal radyasyon için çalışmada kullanılan doz ilişkisi şu şekildedir:

\[ Y=-37.23+2.56\ln D \]

\[ D=I^{1.33}t_s \]

Burada D ölümcül dozu, I ısıl radyasyon akısını ve t_s maruziyet süresini ifade eder. Çalışmada maruziyet süresi 60 saniye olarak alınmış ve istasyon çevresi 5 m × 5 m kare hücrelere bölünerek her hücre merkezinde bireysel risk hesaplanmıştır.

Risk sınıflandırması: D2 sınıfı ne anlama geliyor?

Çalışmada jet yangını olasılıkları ve sonuç şiddeti birlikte değerlendirilmiştir. Jet yangını olasılıkları şu şekilde hesaplanmıştır:

Personel etkisi açısından çalışmada saha içi nüfus yoğunluğu 0,003 kişi/m² kabul edilmiştir. Bu varsayım altında booster pompa sistemi için ölüm, ağır yaralanma ve hafif yaralanma sayıları sırasıyla 1, 2 ve 4 olarak hesaplanmıştır. Yüksek basınçlı silindir bankası ve dispenser sistemlerinde ölüm sayısı 0, ağır yaralanma 1, hafif yaralanma 2 olarak verilmiştir. Sıvı hidrojen depolama sisteminde ise bu senaryoda ölüm, ağır yaralanma ve hafif yaralanma yaklaşık sıfırdır.

Bütünleşik risk sınıflandırması şöyledir:

Bu tablo, çalışmanın ana sonucunu açık hale getirir: Booster pompa sistemi yalnızca olasılık bakımından değil, sonuç şiddeti bakımından da kritik hale gelmiş ve dört sistem arasında orta risk sınıfına giren tek sistem olmuştur. Bu nedenle istasyon düzeyindeki bireysel risk haritası ve risk azaltma seçenekleri bu sistem üzerinden değerlendirilmiştir.

ALARP ve halk riski: Saha sınırının dışı neden önemli?

Çalışmada risk kabulü için ALARP yaklaşımı ve Birleşik Krallık HSE bireysel risk ölçütleri kullanılmıştır. İşçiler için üst tolere edilebilir sınır 1 × 10⁻³ yıl⁻¹, halk için üst tolere edilebilir sınır 1 × 10⁻⁴ yıl⁻¹, her iki grup için geniş kabul edilebilir eşik ise 1 × 10⁻⁶ yıl⁻¹ olarak alınmıştır.

Booster pompa yakınında bireysel risk 10⁻⁴ yıl⁻¹ mertebesine ulaşmıştır. İstasyon içindeki çalışan riski genel olarak tolere edilebilir bölgede kalırken, istasyon binası alanı 10⁻⁷ yıl⁻¹ seviyesinin altına düşmüştür. Ancak saha sınırının dışındaki bazı yakın bölgelerde halk için risk 1 × 10⁻⁴ yıl⁻¹ kabul ölçütünün üzerine çıkmıştır. Bu bulgu çalışmanın güvenlik açısından en kritik mesajlarından biridir: İstasyon içinde çalışanlar için kabul edilebilir görünen bir tasarım, saha sınırının dışındaki halk açısından kabul edilemez risk oluşturabilir.

Bu sonuç gündelik yaşam açısından da önemlidir. Hidrojen dolum istasyonları yalnızca teknik personelin bulunduğu endüstriyel tesisler değildir; şehir içi veya ulaşım koridorlarına yakın yerlerde araç kullanıcıları, servis personeli, yayalar ve komşu alanlar da etkilenebilir. Bu nedenle risk değerlendirmesi yalnızca ekipman içinde ne olduğuna değil, kaçağın istasyon sınırından dışarı taşan etkisine de bakmak zorundadır.

Risk azaltma: Olasılığı azaltmak mı, sonucu azaltmak mı?

Çalışmada risk azaltma iki ana yönden değerlendirilmiştir: Kaçak olasılığını düşürmek ve sonuç şiddetini azaltmak. En iyi sonuç, bu iki yaklaşımın birlikte uygulanmasıyla elde edilmiştir.

Booster pompa sistemi için kritik temel olaylar olan X20, X1 ve X7 hedeflenmiştir. X20 yani yetersiz inşaat ve kabul denetimi için ekipman ve borulama üzerinde tüm süreç kabul sistemi önerilmiştir. Bu kapsamda kaynak kalitesi, flanş hizalaması, sistem sızdırmazlığı ve izlenebilir denetim kayıtları öne çıkarılmıştır. X1 yani boru hattı korozyonu için kriyojenik ve korozyona dayanıklı malzemeler, dirsek ve kaynak gibi hassas bölgelerde güçlendirilmiş koruma, hidrojen konsantrasyonu izleme, et kalınlığı ölçümü ve periyodik boreskop muayenesi önerilmiştir. X7 yani conta malzemesi arızası için kriyojenik sıcaklık ve yüksek basınca dayanıklı conta malzemeleri, optimize edilmiş sızdırmazlık geometrisi ve önleyici değişim programı önerilmiştir.

Bu önlemler uygulandığında booster pompa salım olasılığı 1 × 10⁻³ değerine, jet yangını olasılığı ise 5,3 × 10⁻⁵ değerine düşürülmüştür. Bu, olasılık azaltma önlemlerinin risk haritasını ciddi biçimde daralttığını gösterir. Ancak çalışmada yalnızca olasılığı azaltmanın tüm yüksek risk konturlarını ortadan kaldırmadığı da belirtilmiştir.

Sonuç azaltma tarafında booster pompa kurulum yüksekliğinin artırılması incelenmiştir. Bu önlem, yere yakın hidrojen birikimini azaltmaya yardımcı olmuş ve 10⁻⁴ ile 10⁻⁶ yıl⁻¹ risk konturlarını küçültmüştür. Özellikle 10⁻⁴ yıl⁻¹ konturunun büyük ölçüde istasyon sınırı içinde kalması halk riski açısından olumlu görülmüştür. Ancak bu tek başına güçlü bir risk azaltma sağlamamıştır.

En etkili yaklaşım, frekans azaltma ve sonuç azaltma önlemlerinin birlikte uygulanmasıdır. Çalışmada ortak önlemler sonrası saha dışı bireysel riskin ve toplam risk konturunun tekil önlemlere göre daha fazla düştüğü gösterilmiştir. Sonuç olarak sıvı hidrojen dolum istasyonlarında risk yönetimi yalnızca “kaçak olursa bariyer koyalım” yaklaşımına bırakılmamalı; en başta kaçak olasılığını düşüren kalite, malzeme, bakım, izleme ve kabul denetimi önlemleriyle desteklenmelidir.

Çalışmanın güçlü yönleri

Bu çalışmanın güçlü yönlerinden biri, yalnızca nitel tehlike tanımlamasıyla kalmamasıdır. HAZOP ve FMEA ile tehlikeler belirlenmiş, hata ağacı analiziyle temel olay katkıları hesaplanmış, HyRAM+ ile fiziksel sonuçlar modellenmiş ve son aşamada bireysel risk konturları çıkarılmıştır. Böylece çalışma, “hangi sistem tehlikeli?” sorusundan “hangi temel arıza, hangi fiziksel sonuçla, hangi alanda kabul edilemez risk oluşturuyor?” sorusuna kadar ilerleyen bütünleşik bir çerçeve sunmaktadır.

Bir diğer güçlü yön, risk azaltma önerilerinin doğrudan analiz sonuçlarından türetilmesidir. Örneğin inşaat kabul denetimi, boru korozyonu ve conta malzemesi arızası önerileri genel güvenlik tavsiyesi değildir; booster pompa hata ağacında yüksek katkı verdiği için önceliklendirilmiştir. Aynı şekilde ekipman yerleşimi, havalandırma ve radyasyon koruması da HyRAM+ sonuçlarındaki bulut ve ısıl radyasyon ayak izlerine dayandırılmıştır.

Çalışmanın sınırlılıkları

Çalışmanın kendi içinde belirttiği sınırlılıklar dikkatle okunmalıdır. Öncelikle yalnızca temsilî 5 mm kaçak senaryosu modellenmiştir. Büyük çaplı boru kopmaları, uzun süreli mikro kaçaklar veya birden fazla ekipmanın birlikte arızalandığı karmaşık senaryolar açıkça incelenmemiştir. Bu nedenle sonuçlar tüm olası kaza senaryolarının eksiksiz haritası olarak görülmemelidir.

İkinci sınırlılık, bazı temel olay olasılıklarının genel veri tabanlarından uyarlanması veya uzman görüşüyle tahmin edilmesidir. OREDA ve HIAD 2.1 verileri kullanılsa da sıvı hidrojen dolum istasyonlarına özgü operasyonel veri sınırlı olabilir. Bu da hata ağacı olasılıklarında belirsizlik oluşturur.

Üçüncü sınırlılık, kriyojenik salımlarda flashing ve orifis yakınındaki iki fazlı akışın ayrıntılı çözülmemesidir. Çalışma, buharlaşma sonrası salımı eşdeğer gaz hidrojen jeti olarak modellemiştir. Bu yaklaşım mühendislik ölçeğinde anlamlı bir değerlendirme sağlar; ancak yüksek ayrıntılı akış fiziği için gelecekte CFD tabanlı modellerle desteklenmesi gerekebilir.

Dördüncü olarak, çalışma bir preprinttir ve hakem değerlendirmesinden geçmemiştir. Bu nedenle sonuçlar değerli bir teknik analiz olarak görülmeli, ancak kesin endüstriyel standart veya doğrulanmış saha kanıtı gibi sunulmamalıdır.

Geçmiş, bugün ve gelecek açısından önemi

Geçmişte hidrojen güvenliği çalışmalarının büyük bölümü gaz hidrojen dolum istasyonlarına odaklanmıştır. Bu çalışma, sıvı hidrojen dolum istasyonlarına özgü kriyojenik, yüksek basınçlı ve faz değişimli koşulları birlikte ele alarak bu alandaki bilgi boşluğunu azaltmaya çalışmaktadır.

Bugün açısından bakıldığında, hidrojen dolum altyapısının güvenli büyümesi için yalnızca kapasite ve maliyet değil, yerleşim, ekipman kalitesi, bakım, izleme, acil izolasyon, havalandırma ve halk riski gibi konular da en baştan tasarıma dahil edilmelidir. Çalışmanın booster pompa sistemini kritik birim olarak belirlemesi, tasarımcılar ve işletmeciler için doğrudan uygulanabilir bir uyarıdır.

Gelecek açısından ise bu tür nicel risk değerlendirmeleri, hidrojen dolum istasyonlarının şehir içi, otoyol, lojistik merkezi veya ağır taşıt altyapısı gibi farklı bağlamlarda güvenli biçimde yaygınlaşmasına katkı sağlayabilir. Daha fazla gerçek işletme verisi, CFD destekli ayrıntılı akış modellemesi, toplumsal risk eğrileri ve maliyet-fayda analizleriyle bu çerçeve daha da güçlendirilebilir.

Gündelik yaşama etkisi ise şudur: Hidrojenli araçların yaygınlaşması yalnızca araç teknolojisinin başarısına bağlı değildir. İnsanların güvenle yakıt alabileceği, istasyon çalışanlarının korunabildiği ve komşu alanlardaki halk riskinin kabul edilebilir düzeyde tutulduğu altyapılar gerekir. Bu çalışma, bu güvenlik problemini görünmez bir “tehlike” olarak değil, ölçülebilir, haritalanabilir ve azaltılabilir bir mühendislik problemi olarak ele almaktadır.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Yöntem adımları

1. Sistem sınırı tanımlandı: Sıvı hidrojen boşaltma, depolama, basınçlandırma, buharlaştırma, yüksek basınçlı depolama, ön soğutma ve araç dolumu süreçleri belirlendi.
2. HAZOP uygulandı: Sekiz süreç düğümü basınç, sıcaklık, akış ve sıvı seviyesi sapmaları açısından incelendi.
3. FMEA uygulandı: Kritik ekipman ve bileşen arızaları, nedenleri, sonuçları ve risk seviyeleri belirlendi.
4. Hata ağacı analizi yapıldı: Sıvı hidrojen depolama, booster pompa, yüksek basınçlı silindir bankası ve dispenser sistemleri için hidrojen salımı üst olayı modellenerek temel olay katkıları hesaplandı.
5. HyRAM+ sonuç modellemesi yapıldı: 5 mm kaçak senaryosu için salım hızı, yanıcı bulut, jet yangını ısıl radyasyonu ve patlama aşırı basıncı hesaplandı.
6. Bireysel risk hesaplandı: Jet yangını ısıl radyasyonu ölümcül etki mekanizması olarak seçildi ve 5 m × 5 m hücrelerle risk konturları üretildi.
7. Risk azaltma değerlendirildi: Kaçak olasılığı azaltma, sonuç azaltma ve iki yaklaşımın birlikte uygulanması karşılaştırıldı.

Temel sayısal bulgular

Teknik yorum

Çalışmanın teknik anlamı, sıvı hidrojen dolum istasyonlarında riskin yalnızca “depolama tankı” merkezli düşünülmemesi gerektiğidir. Booster pompa, sıvı hidrojenin yüksek basınçlı sürece taşındığı kritik bir geçiş noktasıdır. Burada düşük sıcaklık, yüksek basınç, yoğunluk, boru bağlantıları, conta sistemleri ve mekanik titreşim gibi faktörler bir araya gelir. Bu nedenle küçük bir kaçak bile yüksek salım hızı ve geniş yanıcı bulut oluşturabilir.

Model sonuçları, yangın riskinin patlama riskine göre daha baskın olduğunu göstermektedir. Bu, özellikle açık saha koşulları ve 5 mm kaçak senaryosu için geçerlidir. Ancak bu sonuç, tüm olası LHRS kazalarında patlama önemsizdir anlamına gelmez. Çalışmanın söylediği şey daha sınırlıdır: İncelenen küçük delik, açık saha ve 60 saniye gecikmeli tutuşma koşullarında ölümcül risk açısından jet yangını ısıl radyasyonu baskın çıkmıştır.

Çalışmanın uygulamaya dönük mesajı nettir: Tasarım ve işletme aşamasında booster pompa çevresinde malzeme seçimi, sızdırmazlık, korozyon izleme, kabul denetimi, havalandırma, ekipman yerleşimi, acil izolasyon ve ısıl radyasyon koruması birlikte ele alınmalıdır. Tek bir bariyere güvenmek yeterli değildir; çok katmanlı ve birbirinden bağımsız koruma katmanları gerekir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Bu makale, Jiepu Li, Xiaoxiong Lei, Shouhua Zhang, Hong Yang, Wulin Han, Weihua Wang ve Xiang Li tarafından hazırlanan “Quantitative risk assessment and mitigation of hydrogen releases at a liquid hydrogen refuelling station” başlıklı çalışmaya dayanarak hazırlanmıştır. Çalışma, sıvı hidrojen dolum istasyonlarında hidrojen kaçağı riskini nicel olarak değerlendirmekte; HAZOP, FMEA, hata ağacı analizi, HyRAM+ sonuç modellemesi ve bireysel risk hesabını birleştirmektedir.

Kaynak metin bir preprint araştırma makalesidir ve metinde açıkça “This preprint research paper has not been peer reviewed” ifadesi yer almaktadır. Bu nedenle çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiştir. Sonuçlar, kesin saha kanıtı veya nihai endüstriyel standart gibi değil; hakemlik süreci tamamlanmamış teknik bir risk değerlendirme çalışması olarak okunmalıdır.

Bu içerikteki açıklamalar PDF’deki çalışmaya dayanarak hazırlanmıştır. PDF’de olmayan kesin uygulama, ticari başarı, saha başarısı, güvenlik garantisi veya düzenleyici onay iddiası eklenmemiştir. Çalışma deneysel saha kazası verisiyle doğrudan doğrulanmış bir olay incelemesi değil; temsilî istasyon düzeni üzerinde yapılan nicel risk değerlendirmesi, hata ağacı analizi ve HyRAM+ tabanlı sonuç modellemesidir.

Çalışmanın önemli sınırlılıkları vardır. Yalnızca temsilî 5 mm kaçak senaryosu modellenmiştir; büyük boru kopmaları, kalıcı mikro kaçaklar ve çoklu ekipman arızaları açıkça incelenmemiştir. Bazı temel olay olasılıkları genel veri tabanlarından uyarlanmış veya uzman görüşüyle tahmin edilmiştir. Kriyojenik sıvı hidrojen salımlarında orifis yakınındaki iki fazlı akış ayrıntılı çözülmemiş; buharlaşma sonrası salım eşdeğer gaz hidrojen jeti olarak değerlendirilmiştir. Bu sınırlılıklar, çalışmanın sonuçlarının dikkatli yorumlanmasını gerektirir.