Towards a Safe Hydrogen Economy: Addressing Safety and Siting for Refueling Stations. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF 241229_Bashir Hashim (g202210400)_MSc Thesis_final.pdf Restricted to Repository staff only until 1 January 2026. Download (3MB)

Arabic Abstract

بينما يسعى المجتمع العالمي لإيجاد بدائل للوقود الأحفوري المتناقص ويهدف إلى تحقيق استقرار لمصادر الطاقة المتجددة يظهر الهيدروجين كعنصر رئيسي في تحول أنظمة الطاقة نحو مزيد من النظافة والكفاءة. يتجلى هذا التحول بشكل خاص في التقدم التجاري للمركبات العاملة بخلايا الوقود، والتي تعتمد على شبكة متنامية من محطات التزويد بالهيدروجين (HRS). فعلى سبيل المثال، توجد حاليًا محطة واحدة للهيدروجين تعمل على نطاق تجريبي في المملكة العربية السعودية، ومن المتوقع تركيب محطات أخرى للاستخدام العام في السنوات القادمة. على الرغم من خطط التحول الواعدة في مجال الطاقة، فإن الحوادث المحتملة في محطات التزويد بالهيدروجين، والتي تؤثر سلبًا على العمليات، والعاملين في المحطات، والجمهور، والممتلكات، والمنشآت القريبة، قد شكلت تحديًا أمام صناعة الطاقة الهيدروجينية المتنامية بسرعة. لتجنب أو تقليل احتمالية مثل هذه الحوادث، يصبح البحث المتعلق بالسلامة استباقيًا وضروريًا. يأخذ البحث في هذه الرسالة مسارين رئيسيين: الجزء الأول: يقدم مراجعة للجهود البحثية العالمية المتعلقة بسلامة محطات تعبئة الهيدروجين الجزء الثاني: يجري دراسة حالة حول سلامة محطات تعبئة الهيدروجين باستخدام تقييم المخاطر الكمي في المملكة العربية السعودية تسلط هذه الرسالة الضوء على المنهجيات المشتركة بين أدوات تقييم المخاطر الحالية، وتحدد النهج الإقليمية، وتناقش الابتكارات التكنولوجية الناشئة ذات الأهمية البالغة لاعتماد الهيدروجين كمصدر طاقة مستدام. من خلال دراسة ممارسات عالمية تشمل تحديد المخاطر (HI)، وتحليل العواقب (CA)، وتحليل التكرار (FA)، وتحليل المخاطر (RA)، تقدم الرسالة فهمًا شاملًا للأدوات والأساليب المستخدمة لمعالجة المخاطر الفريدة للهيدروجين. بعد إبراز قوة منهجيات تقييم المخاطر، تقيم الدراسة سلامة محطة تعبئة هيدروجين افتراضية في المملكة العربية السعودية، مع دمج الخصائص الإقليمية باستخدام منهجيات تعتمد على العواقب والمخاطر. باستخدام أدوات مثل GEXCON EFFECTS و RISKCURVE وأداة HyRAM من مختبر ساندايا الأمريكي، ركز التحليل على احتمالية الحوادث، مناطق الخطر، ومستويات المخاطر. تم تقييم المسافات الآمنة لسيناريوهات الحريق النفاث وانفجار سحب البخار (VCE). وكانت وحدة التوزيع تتطلب أكبر مسافة آمنة للأفراد في سيناريوهات الحريق النفاث، بينما شكل الضاغط أكبر خطر في السيناريوهات VCE. حدد تحليل المخاطر القائم على المخاطر أن الضواغط، والأسطوانات الوسيطة، وأجهزة التوزيع تسهم بأكثر من 80٪ من المخاطر الفردية. أما المخاطر المجتمعية، التي تم تصورها من خلال منحنيات FN، فقد وقعت بشكل كبير ضمن منطقة ALARP (الحد الأدنى الممكن عمليًا)، مما يشير إلى مخاطر مقبولة ولكن قابلة للتحسين. تؤكد هذه النتائج على الحاجة إلى استراتيجيات تخفيف مستهدفة، بما في ذلك تقنيات كشف التسرب المتقدمة، وآليات العزل المتينة، والتخطيط الاستراتيجي لوحدات المعالجة.

English Abstract

As the global community actively seeks alternatives to diminishing fossil fuels and aims to stabilize the variability of renewable energy sources, hydrogen emerges as a key player in transitioning energy systems towards enhanced cleanliness and efficiency. This shift is particularly evident in the commercial advancement of fuel cell vehicles, which rely on an expanding network of hydrogen refueling stations (HRSs). For instance, currently, only one pilot-scale hydrogen station is present in Saudi Arabia. More stations are expected to be installed for public use in the coming years. Despite the promising energy transition plans, potential incidents at HRSs, which negatively impact on HRS operations, station workers, public personnel, properties, and nearby facilities, have affected the rapidly expanding hydrogen energy industry. To avoid or minimize the chance of such potential incidents, proactive safety-related research is crucial. The research path for this thesis is two-fold: • Part 1 provides a review of the global research efforts for Hydrogen Refueling Stations safety. • Part 2 conducts a case study on HRS safety using Quantitative Risk Assessment in Saudi Arabia. This thesis highlights shared methodologies among existing risk assessment tools, identifies regional approaches, and discusses emerging technological innovations critical for hydrogen’s adoption as a sustainable energy source. The role of risk assessment methodologies in ensuring the safety and public acceptance of hydrogen refueling stations (HRSs) is highlighted. By examining global practices across hazard identification (HI), consequence analysis (CA), frequency analysis (FA), and risk analysis (RA), it provides a comprehensive understanding of the tools and approaches used to address hydrogen’s unique hazards. After highlighting the robustness of the risk assessment methodologies, the study evaluates the safety of a hypothetical hydrogen refueling station (HRS) in Saudi Arabia, incorporating region specific characteristics with consequence-based and risk-based methodologies. Using GEXCON EFFECTS, RISKCURVE, and the US Sandia Lab’s HyRAM tools, the analysis focuses on incident probabilities, harm zones, and risk levels. Safe distances for jet fire and vapor cloud explosion (VCE) scenarios were assessed. The dispenser required the greatest safe distance for personnel in jet fire scenarios, while the compressor posed the largest VCE risk. Risk-based analysis identified compressors, intermediate cylinders, and dispensers as contributing over 80% of individual risk. Societal risk, visualized through FN curves, predominantly fell within the As Low As Reasonably Practicable (ALARP) region, indicating tolerable but improvable risks. These findings emphasize the need for targeted mitigation strategies, including advanced leak detection, robust isolation mechanisms, and strategic processing unit placement.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Park, Sunhwa
Committee Co-Advisor:	Farooq, Wasif
Committee Members:	Zahid, Umer and Olivier, Guy and Mohammed, Mohammed
Depositing User:	BASHIR HASHIM (g202210400)
Date Deposited:	02 Jan 2025 09:51
Last Modified:	02 Jan 2025 09:51
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143214