《车载氢储存风险评估，氢能源汽车的未来何去何从？》
作者为Mohammad Dadashzadeh等，来自阿尔斯特大学氢安全工程与研究中心（HySAFER）。文章旨在研究车载储氢的防火等级（FRR）对氢动力汽车风险水平及其可接受性的影响，并将定量风险评估（QRA）应用于伦敦道路的示例。
- 氢的危害：氢的安全特性与常用燃料不同，其安全性取决于在设计和使用阶段的专业处理程度。公众对氢能源技术的态度取决于相对成本、收益和风险等信息。
- 车载储氢：车载压缩气态氢（CGH2）储存的设计压力为35MPa和70MPa，III型和IV型复合储氢罐因其重量轻和机械强度高而被广泛应用，但在火灾等热负荷下会降解。欧洲法规要求安装热激活泄压装置（TPRD）以防止灾难性的储罐破裂，但在某些事故场景中TPRD可能无法 正常工作。
- 相关安全研究：已有研究包括对车载氢储存的安全研究、对CGH2储罐在火灾中爆炸和火灾危害及性能的研究、对定量风险评估（QRA）的研究等，但之前的研究未涉及安全屏障（即车载储存的热保护）对降低氢储罐破裂风险的影响。
- QRA方法
- 流程图：QRA的输出是每辆车每年的人命死亡风险值（图1a）和每次事故的人命损失成本（图1b）。后果分析旨在确定事故火灾中的主要危害及其后果（仅考虑死亡人数），频率分析包括估计引发事件（火灾）的频率、TPRD故障以及计算紧急操作未能灭火导致储罐破裂的升级概率（EP）。
-关键危害：基于其他研究，确定事故场景中高压复合储罐在火灾中的关键危害为灾难性储罐破裂后的爆炸波和火球，同时忽略了喷射火和储罐爆炸产生的弹丸等危害。
- 危害距离：使用经过验证的工程工具计算爆炸波和火球的危害距离，在本研究中假设只有当人在火球内时才会发生死亡。
- 风险计算：计算风险的方式包括作为每辆车每年的死亡人数（通过事故频率和每次事故的死亡人数计算）和每次事故的成本（通过储罐破裂的概率和每次事故的成本计算）。
- QRA应用示例
-车载储存参数：选择与现有燃料电池汽车类似的62.4升车载氢储存容量，在70MPa的标称工作压力下储存的氢重2.514kg。
-后果分析：事故始于三种火灾场景中的至少一种，包括汽车事故引起的火灾、高压配件等泄漏引起的火灾以及加氢/拖车时引起的火灾。对于70MPa的62.4升车载储罐，通过“under - vehicle”技术计算出爆炸波造成死亡、重伤和轻伤的危害距离分别为1.68米、13.4米和76米，对应的面积如表1所示。火球的致命危害距离等于其最大半径，通过两种技术计算出火球直径保守值为35米（面积为962平方米），大于爆炸波的致命面积和重伤面积。假设事故发生在伦敦，根据人口密度数据计算出储罐灾难性破裂导致的死亡人数为9.19人/事故，结合英国健康与安全执行委员会（HSE）的数据，估计与氢动力汽车事故相关的人命损失成本为12,289,202英镑/事故。
- 频率分析：
- 引发火灾事件的频率：假设氢动力汽车引发火灾事件的相关参数与传统燃油汽车相同，根据统计数据计算出汽车事故引起火灾的频率为3.89×10 - 5次/车辆/年，其他两种引发火灾场景的频率分别为1.00×10 - 3次/车辆/年和1.00×10 - 6次/车辆/年。
- TPRD故障概率：目前没有关于氢动力汽车TPRD故障率的公开 信息，采用公开数据库中压力释放装置（PRD）的随机机械故障概率保守特征值6.04×10 - 3来计算TPRD故障概率，对于吞没式火灾和局部火灾，TPRD的故障概率分别为6.04×10 - 3和5.03×10 - 1。
- 升级概率（EP）：对于FRR = 8分钟（裸罐破裂时间），使用公式计算出EP值为6.57×10 - 1。
- 储罐破裂频率：根据FireComp风险评估研究，三种事故场景相互排斥，因此引发火灾频率的值相加。对于完全吞没式火灾，储罐破裂频率为4.12×10 - 6次/车辆/年；对于局部火灾，灾难性破裂频率为3.41×10 - 4次/车辆/年。-
- FRR对风险值的影响：
- 死亡风险：死亡风险（每辆车每年的死亡人数）强烈依赖于储罐的FRR。本研究中采用的车载氢储存罐的FRR为裸罐8分钟，受膨胀涂料热保护的储罐至少111分钟。在吞没式火灾中，裸罐的死亡风险为3.79×10 - 5人/车辆/年，热保护罐为2.34×10 - 10人/车辆/年；在局部火灾中，裸罐的死亡风险为3.14×10 - 3人/车辆/年，热保护罐为1.93×10 - 8人/车辆/年。热保护和提高FRR可大大降低风险，当FRR增加到16.6分钟时，吞没式火灾的风险可降低到可接受水平（1.00×10 - 5）；
对于局部火灾，当FRR达到47分钟时，风险才达到可接受水平。
- 事故成本：通过计算得出，对于吞没式火灾，当FRR增加到50分钟时，成本急剧下降到每起事故100英镑；对于局部火灾，当FRR增加到47.0分钟时，成本下降到每起事故12,500英镑（此时死亡风险达到可接受水平）。
- 不确定性分析：详细的不确定性分析将在单独的研究中进行，目前仅评估了人口密度不确定性的影响。假设人口数据呈对数正态分布，通过计算得出，为了在伦敦95%的氢动力汽车火灾事故中达到安全风险水平，FRR需要增加到至少52.9分钟。-
本研究是首次公开对伦敦道路上氢动力汽车的车载氢储存进行的QRA，为车辆的本质安全设计铺平了道路。
研究表明，当前FRR通常为6 - 12分钟的热未保护复合车载储罐在事故中导致人员生命损失的风险为3.14×10 - 3，高于可接受水平（1.00×10 - 5）两个半数量级，相关事故成本为403万英镑/事故。 - 增加车载储存的FRR可以将氢动力汽车的风险降低到可接受水平，甚至可以通过应用工程解决方案（如用于高压氢储存的复合储罐的热保护手段）将其降低到可忽略不计的水平。
根据文章内容，可通过以下方式降低车载氢储存的风险：
1. 增加防火等级（FRR）：提高车载储氢罐的FRR可大大降低风险。例如，通过应用工程解决方案，如为复合储罐提供热保护手段，可将FRR提高到至少111分钟（文中示例），能使氢动力汽车的安全水平得到显著提升，将风险降低到可接受水平甚至可忽略不计的程度。2. 应用热保护技术：采用各种热保护技术，如文中提到的爆炸 - 自由的防火安全技术用于复合储罐等，可以防止储罐在热负荷下（如火灾）快速降解，从而降低储罐破裂的风险。
3. 改进TPRD：确保热激活泄压装置（TPRD）在事故中能有效工作，避免因TPRD失效（如启动故障或堵塞）导致储罐在火灾中承受强热负荷而破裂。
4. 准确评估危害距离：使用经过验证的工程工具准确计算爆炸波和火球等危害的距离，以便更好地规划安全措施和应急响应策略。
该车载氢储存的风险评估方法的优点包括：
1. 创新性：首次公开对伦敦道路上氢动力汽车的车载氢储存进行定量风险评估（QRA），并应用了创新的工程工具来考虑之前被“忽略”的危害，如火灾中储罐破裂后的爆炸波和火球。
2. 综合性：融合了当代概率和确定性方法，综合考虑了多种因素，包括事故场景、危害距离、频率分析、后果分析等，以全面评估风险。
3. 数据支持：尽力使用来自各种安全科学和工程来源的最新相关数据来支持研究的严谨性，如利用英国汽车事故和车辆火灾的统计数据、英国健康与安全执行委员会的成本数据等。
4. 实际应用：通过具体的示例（假设伦敦道路上发生的氢动力汽车火灾事故）来应用QRA方法，使评估更具实际意义和可操作性。
该方法的缺点或潜在的局限性包括：
1. 不确定性：存在一些不确定性因素，如缺乏新兴技术的统计数据导致的假设、QRA中场景数量的限制、用于评估危害距离的模型或相关性的不确定性等。
2. 数据缺乏：整体的不确定性分析受到数据缺乏的阻碍，例如目前没有关于氢动力汽车TPRD故障率的公开 信息，只能采用相关的保守特征值进行计算。
3. 特定性：研究中采用的实验FRR值是针对特定设计的储罐获得的，可能会因储罐的尺寸、体积、最大允许工作压力等因素而有所不同，因此结果可能具有一定的局限性。
4. 未考虑全面因素：在评估中未考虑车辆损坏或对自然和建筑环境造成的损害等成本因素。总的来说，该风险评估方法为车载氢储存的风险评估提供了有价值的框架，但需要进一步完善和改进，以应对各种不确定性和局限性。
