Dispersion and ignition probability modelling of accidental hydrogen release: a CFD-based approach

Hydrogen is an energy carrier that has potential to decarbonise hard to abate sectors. However, its properties introduce significant safety challenges. Hence, for wide scale adaptation of hydrogen, safety plays a crucial role. Quantitative risk assessment is a tool to analyse and evaluate the risk associated with hazardous substances. One of the important parameters in risk assessment is the ignition probability, which enables the calculation of the frequency of various accident scenarios. SAFEN is a robust hydrogen ignition probability model which predicts hydrogen ignition probability by examining various ignition mechanisms and quantifying each mechanism’s contribution to the overall ignition probability. The aim of this thesis is to apply the SAFEN model to evaluate ignition probability of hydrogen released in various hydrogen facilities and compare the results with the one obtained from historical hydrogen incidents analysis. A representative hydrogen refuelling station and a process plant geometries are modelled in KFX RBM to analyse the dispersion behaviour and resulting ignition probability of hydrogen leaked under various environmental and operational conditions. In total, 548 leak scenarios reflecting real-world conditions were modelled. The results from the dispersion analysis shows that the resulting flammable cloud volume largely depends on the initial leak flowrate but is also affected by leak location, leak direction and wind conditions. The results from the ignition probability modelling shows that for both facility types the ignition probability from SAFEN closely matches values derived from incident databases and outperforms estimates from the HyRAM model. A sensitivity study exploring lower flammability limits (LFLs) of 4% versus 8% revealed that, at 4% LFL, the flammable cloud’s volume and the ground-level area it occupies is three to six times larger than at 8% LFL, highlighting the impact of LFL choice on safety-distance calculations. In the process-plant case, adopting a 4% LFL also nearly doubled the predicted ignition probability compared to 8% LFL, highlighting how critical the selected LFL is to risk-assessment outcomes.

L'idrogeno è un vettore energetico con il potenziale di decarbonizzare settori difficili da abbattere. Tuttavia, proprietà come una bassa energia minima di ignizione, un ampio intervallo di infiammabilità e un alto calore di combustione presentano sfide significative per la sicurezza, rendendo questa fondamentale per una sua adozione su larga scala. La valutazione quantitativa del rischio analizza e valuta i rischi associati a sostanze pericolose, considerando la probabilità di ignizione per calcolare la frequenza di diversi scenari incidentali. SAFEN è un modello robusto che determina la probabilità di ignizione dell'idrogeno, esaminando vari meccanismi e quantificandone il contributo complessivo. Questa tesi applica il modello SAFEN per valutare la probabilità di ignizione dell'idrogeno rilasciato in varie strutture e confronta i risultati con analisi storiche degli incidenti. Una stazione di rifornimento rappresentativa e un impianto di processo sono stati modellati con KFX RBM per analizzare dispersione e probabilità di ignizione di perdite in diverse condizioni ambientali e operative, simulando 548 scenari realistici. I risultati evidenziano che il volume della nuvola infiammabile dipende principalmente dalla portata iniziale della perdita, ma è influenzato anche da posizione, direzione della perdita e condizioni del vento. Il modello SAFEN mostra una probabilità di ignizione coerente con dati storici e superiore alle stime del modello HyRAM per entrambe le strutture analizzate. Uno studio di sensibilità su limiti inferiori di infiammabilità (LFL) del 4% e 8% evidenzia che al 4% il volume della nuvola e l'area occupata al suolo aumentano significativamente, influenzando le distanze di sicurezza. Nel caso dell'impianto di processo, l'adozione del 4% LFL ha quasi raddoppiato la probabilità di ignizione rispetto all'8%, sottolineando quanto la scelta dell'LFL sia critica nella valutazione del rischio.