System analytic safety evaluation of the hydrogen cycle for energetic utilization [Elektronische Ressource] = (Systemanalytische Sicherheitsuntersuchung des Wasserstoffkreislaufs für die energetische Nutzung) / von Oo Abdul Rosyid

Rosyid

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• Publié le: 01 janvier 2006
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• Langue: English
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Extrait

System-analytic Safety Evaluation of the Hydrogen Cycle
for Energetic Utilization
(Systemanalytische Sicherheitsuntersuchung des Wasserstoffkreislaufs für die
energetische Nutzung)




Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades




Doktoringenieur
(Dr.-Ing.)



von Oo Abdul Rosyid, M.Sc.
geboren am 25.06.1965 in Ciamis, Indonesien



genehmigt durch die Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik
der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg



Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Ulrich Hauptmanns
Prof. Dr.-Ing. Uli Barth



eingereicht am: 9. März 2006
Promotionskolloquium am: 4. Mai 2006
ACKNOWLEDGMENTS


This dissertation was completed during my work as a research assistant at Department of
Process Design and Safety, the Institute of Process Equipment and Environmental
Engineering, the Faculty of Process and Systems Engineering, the Otto-von-Guericke-
University Magdeburg, Germany, in the period of February 2002 to March 2006.

Foremost I would like to express my deep gratitude to the head of the department, Prof. Dr.-
Ing. Ulrich Hauptmanns. He gave me suggestions to this work and opportunity to carry out
of the research work at his department. His continual support and constructive criticism in
numerous valuable discussions always inspired me in my technical and personal development.
Professor Hauptmanns is not only as a university professor, but also as fatherly friend. He
supports me and my family during our stay in Germany.

I would like to thank Prof. Dr.-Ing. Uli Barth, Bergische University Wuppertal, for being
kindly agreeing to be referee for this dissertation, and his important advice which certainly
improved the quality of this work.

I am also thankful to my host institution in Indonesia, Agency for the Assessment and
Application of Technology (“BPP Teknologi”), for granting me study leave to pursue a doctor
degree in Germany.

Furthermore, my personal sincere thank goes out to all my colleagues at the Institute of
Process and Environment Engineering and at the department, especially to Dieter Gabel,
Junior Prof. Dr. Markus Marx, Dariusz Jablonski, Sascha Grünbeck, Sören Omieczynski, and
Alexander Bernhardt for inspiring discussions and, above all, for the pleasing work
environment which I really enjoyed.

I thank also Mrs. Gabriele Fietz for her assistance with all organizational things.

A very important part of this work goes to my families and my wife Dedeh Ruhtika, also my
daughters Nur Amalina Husna, Hanifah Nisrina, and Saskia Shafira, who have given me
ongoing encouragement, trust and supports.

This work was financially supported by Goverment of Sachsen-Anhalt, Germany and Otto-
von-Guericke-University of Magdeburg. Thank you for this support.




Magdeburg, 8. March 2006
Oo Abdul Rosyid

i ii Acknowledgement

DANKSAGUNG (Acknowledgment in German)
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter
am Lehrstuhl für Anlagentechnik und Anlagensicherheit des Instituts für Apparate- und
Umwelttechnik, Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik, der Otto-von-Guericke-
Universität in Magdeburg, Deutschland, im Zeitraum von Februar 2002 bis März 2006.

Mein besonderer Dank gilt dabei dem Inhaber des Lehrstuhls für Anlagentechnik und
Anlagensicherheit Herrn Professor Dr.-Ing. Ulrich Hauptmanns. Er gab die Anregung zu
dieser Arbeit und mir die Gelegenheit zur Durchführung meiner Forschungsarbeiten an
seinem Lehrstuhl. Seine fortwährende Unterstützung und seine fördernde Kritik in
zahlreichen Fachdiskussionen inspirierten mich stets in meiner fachlichen und persönlichen
Weiterentwicklung. Nicht nur als Hochschullehrer, sondern auch als väterlicher Freund
unterstützte Prof. Hauptmanns mich und meine Familie während unseres Aufenthaltes in
Deutschland.

Herrn Professor Dr.-Ing. Uli Barth, von der Bergischen Universität Wuppertal, danke ich
für die Übernahme des Koreferates, und die guten Hinweise, die zur Verbesserung der
Qualität dieser Arbeit beigetragen haben.

Ich bin auch dankbar zu meiner Hauptinstitution in Indonesien, „Agency for the Assessment
and Applications of Technology (BPP Teknologi)“, denn im Bewilligen mir des Studie vom
Doktor grad in Deutschland auszuüben.

Meinen Kolleginnen und Kollegen am Institut und am Lehrstuhl, vor allem Dieter Gabel,
Junior Prof. Dr. Marcus Marx, Dariusz Jablonski, Sascha Grünbeck, Sören Omieczynski, und
Alexander Bernhardt gilt mein besonderer Dank für die anregenden Diskussionen und vor
allem für das angenehme Arbeitsklima, das ich während meiner Tätigkeit sehr genossen habe.

Weiterhin danke ich Frau Gabrielle Fietz für ihre Hilfe in allen organisatorischen Dingen.

Ganz herzlich möchte ich mich bei meinen Eltern und meiner Frau Dedeh Ruhtika sowie
meinen Kindern Nur Amalina Husna, Hanifah Nisrina, und Saskia Shafira für ihre Geduld
und Unterstützung bedanken.

Diese Arbeit wurde vom Land Sachsen-Anhalt und Otto-von-Guericke-Universität
Magdeburg finanziell unterstützt. Auch für diese großzügige Förderung sei gedankt.



Magdeburg, 8. März 2006
Oo Abdul Rosyid
ABSTRACT


Hydrogen is considered as an energy carrier for the future. It is enabling sustainable clean
efficient production of power and heat from a range of primary energy sources. It can be
produced from water using a variety of primary renewable energy sources such as sunlight,
wind power, biomass and hydroelectric power and also from nuclear energy. It can also be
produced from hydrocarbons such as methanol and natural gas by a variety of reforming
processes. When hydrogen is burnt directly as a fuel or converted to electricity, its principal
by-product is water, which can be returned to the environment. Hydrogen can be used in
wider ranges of energetic applications (e.g. as fuel for traffics, heat and power generation for
household, etc).
In order to make hydrogen available at a large-scale as an energy carrier, an infrastructure
covering the following steps must be built up: production, transportation, storage, filling
station, and end-use. The technical installations used can fail, and the necessity of handling
incidents may occur in many places. Therefore it is reasonable to determine the safety
technological conditions and associated operating procedures for the realization of the
hydrogen infrastructure at an early stage. This is the goal of the present work in which
system-analytic methods, called “quantitative risk assessment (QRA)”, are used to estimate
and to evaluate the risks, to identify possible weak points, and to make suggestions for
improvement quantitatively.
In the present study, the QRA method is performed to evaluate the safety of the seven
hydrogen study objects. They include hydrogen production, hydrogen storage, hydrogen
filling station, and end-uses technologies (i.e. hydrogen private car, and fuel cells–combined
heat and power for household). Firstly, accident scenarios of the hydrogen study objects are
identified. Frequencies of the scenarios are estimated by using the probabilistic safety
analysis-analytical approach, i.e. combination fault tree and event tree analysis. PHAST
consequence model is used to predict the size, shape, and orientation of hazards zones that
could be created by the scenarios. Finally, the consequence and frequency are combined to
estimate the risk to the environment.
The estimated risk is compared with the existing standards, as well as with the systems having
similar goals (e.g. LPG). The result shows that the risk level of the hydrogen objects lies in
the risk reduction desired criteria. Should the plants be implemented for the public, the risk
must be reduced as far as reasonable and practicable, typically subject to cost benefit analysis.
Although, the individual risks of the hydrogen objects seem to be higher than that of LPG, but
the societal risks are smaller. In other word, hydrogen poses smaller risk to the public than
that of LPG.
iii iv Abstract

KURZZUSAMMENFASSUNG (German Abstract)
Wasserstoff wurde als ein wichtiger Energieträger für die Zukunft gehalten. Er ermöglicht die
saubere effektive und nachhaltige Herstellung von Energie und Wärme aus einer Reihe
primärer Energiequellen. Er kann aus Wasser durch die zur Verfügung stehenden
erneuerbaren Primärenergien, wie Sonnenlicht, Windenergie, Biomasse und Wasserkraft und
aber auch aus Atomenergie produziert werden. Es kann auch aus verschiedenen
Kohlenwasserstoffen, wie Methanol und Erdgas über Reformprozesse erzeugt werden. Wenn
Wasserstoff direkt als ein Kraftstoff verbrannt oder in Elektrizität umgewandelt wird, ist das
einzige Nebenprodukt Wasser, das problemlos in die Umwelt abgegeben werden kann.
Wasserstoff kann in einem weiten F