水素交通の可能性 - 水素モビリティにおける安全性工学：高度なリスク評価と数値シミュレーション技術の適用

水素モビリティにおける安全性工学：高度なリスク評価と数値シミュレーション技術の適用

Tags: 安全性工学, リスク評価, 数値シミュレーション, CFD, FCEV

序論：水素モビリティ社会実装における安全性確保の重要性

カーボンニュートラル社会の実現に向け、水素エネルギーは次世代のエネルギーキャリアとして注目され、特にモビリティ分野での応用が進められています。燃料電池車（FCEV）や水素内燃機関（H2-ICE）車両、さらには水素燃料を用いる鉄道、船舶、航空機といった多様なモビリティの開発が加速しています。しかし、水素はそのエネルギー密度の高さと特有の物理化学的性質（高い拡散性、幅広い燃焼範囲、低い着火エネルギーなど）から、安全性確保はシステム開発および社会実装において最も重要な課題の一つとなります。

従来のガソリンやディーゼル燃料と比較して、水素は異なるハザード特性を有します。これらの特性を十分に理解し、システムの設計段階から運用、廃棄に至るライフサイクル全体で潜在的なリスクを網羅的に評価し、適切な対策を講じることが不可欠です。このプロセスにおいて、安全性工学の体系的なアプローチと、高度なリスク評価手法、そして精緻な現象解析を可能にする数値シミュレーション技術の役割が極めて重要になってきます。本稿では、水素モビリティにおける安全性工学のフレームワークを概観しつつ、特に高度なリスク評価手法と、計算流体力学（CFD）をはじめとする数値シミュレーション技術の適用に焦点を当て、その技術的課題と最新動向について考察します。

水素モビリティにおける安全性工学の基本フレームワーク

水素モビリティにおける安全性工学は、以下の基本的なステップで構成されます。

ハザード特定 (Hazard Identification): 水素の製造、貯蔵、輸送、充填、車載システム（高圧タンク、配管、バルブ、燃料電池システムなど）、および廃棄プロセスにおいて発生しうる潜在的な危険源（ハザード）を特定します。これには、水素漏洩、着火、燃焼、爆発、高圧による物理的損傷、材料劣化による機能不全などが含まれます。
リスク評価 (Risk Assessment): 特定されたハザードが発生する可能性（頻度）とその結果としての影響（被害の大きさ）を評価し、リスクレベルを定量化または定性化します。リスクは一般的に「リスク = 頻度 × 影響」として定義されます。
リスク低減策の策定と実施 (Risk Reduction): 許容できないと判断されたリスクに対して、システム設計の変更、安全装置の設置、運用手順の改善、材料選定の最適化など、リスクを許容可能なレベルまで低減するための対策を策定し、実施します。
リスクの受容 (Risk Acceptance): 講じられた対策によってリスクが許容可能なレベルに達しているかを確認します。これは規制基準や業界標準、社会的な受容度に基づいて判断されます。
継続的な監視と改善 (Monitoring and Improvement): システムの運用中もリスク因子を監視し、得られたデータを基に評価や対策を見直し、安全性を継続的に向上させます。

これらのステップを通じて、システムライフサイクル全体にわたる安全性を体系的に管理します。

高度なリスク評価手法とその適用

基本的な定性的な手法（チェックリスト、FMEAなど）に加え、より複雑なシステムや、発生頻度が極めて低いが影響が大きい事故シナリオの評価には、高度なリスク評価手法が用いられます。

確率論的リスク評価 (Probabilistic Risk Assessment: PRA)

PRAは、システム構成要素の故障確率や人間の操作ミス、外部事象などの不確実性を考慮に入れて、特定の事故シナリオが発生する確率と、それによる影響の確率分布を定量的に評価する手法です。水素モビリティシステムにPRAを適用することで、以下のような分析が可能になります。

システムの信頼性分析: 各コンポーネントの故障率データを用いて、システム全体の故障確率を計算します。
事故シーケンス分析: 初期事象（例：配管損傷による水素漏洩）から最終的な事故結果（例：火災、爆発）に至るまでの可能な経路（イベントツリー）や、システム故障の組み合わせ（フォールトツリー）をモデル化し、それぞれの発生確率を評価します。
重要度分析: システム全体の安全性を最も左右するコンポーネントや操作を特定し、リスク低減策の優先順位付けに役立てます。

PRAの精度は、入力となる故障率データや人間信頼性データ、および事故シナリオモデリングの適切性に大きく依存します。特に水素関連機器の信頼性データは蓄積途上のものも多く、実環境での運用データを収集・分析し、信頼性データを更新していくことが重要です。

組み合わせハザード分析と機能安全

複数のコンポーネントの故障や外部環境の変化、操作ミスなどが複合的に絡み合った複雑な事故シナリオを網羅的に分析するため、HAZOPやシステムの機能安全規格（例: ISO 26262の概念）を応用した分析手法が用いられます。水素システム特有の機能不全モード（例: 圧力制御の異常、温度上昇、漏洩検知システムの誤作動・不作動）とその組み合わせが引き起こすハザードを系統的に特定し、安全目標達成のための機能要求を定義します。

数値シミュレーション技術の安全性評価への適用

リスク評価における「影響」の評価、特に水素漏洩後の拡散、火災、爆発といった物理現象の挙動予測には、数値シミュレーション技術が不可欠です。これらの技術は、実験が困難または高コストなシナリオの評価や、多様な条件下での影響分析を可能にします。

計算流体力学 (Computational Fluid Dynamics: CFD)

CFDは、流体の運動や熱・物質輸送を支配する偏微分方程式（ナビエ・ストークス方程式など）を数値的に解くことで、現象を解析する手法です。水素モビリティの安全性評価においては、以下のような応用があります。

水素拡散シミュレーション: 車両の格納空間、ガレージ、トンネル、屋外などの様々な環境下での水素漏洩時の拡散挙動、濃度分布、滞留箇所を予測します。風速、換気条件、障害物の有無などが拡散に与える影響を評価できます。特に、爆燃や爆轟のリスクが高い可燃限界（4%）や爆轟限界（18%）濃度に達する範囲と時間を予測することは、適切な換気システム設計や検知器配置の検討に不可欠です。
火災シミュレーション: 漏洩した水素に着火した場合の火炎伝播、温度分布、熱輻射、圧力上昇などを予測します。ジェット火炎やプール火災など、漏洩形態によって異なる火災挙動をモデル化し、周囲の構造物や搭載機器への熱的影響を評価します。
爆発シミュレーション: 密閉または半密閉空間で可燃範囲の水素-空気混合気が形成された場合に発生する爆燃や爆轟の過圧を予測します。爆発圧力波が構造物や人間へ与える影響を評価し、耐圧設計や被害軽減策の検討に用います。

CFDシミュレーションの精度は、適切な乱流モデル、燃焼モデル、爆発モデルの選択、および境界条件の設定に大きく依存します。また、水素の特有の物性値（拡散係数、燃焼速度など）の正確なデータが必要です。

有限要素法 (Finite Element Method: FEM)

FEMは、構造物の応力、ひずみ、熱伝導などを解析する手法です。安全性評価においては、以下のような応用が考えられます。

高圧水素タンクの構造健全性評価: 圧力負荷、温度変化、外部からの衝撃などに対するタンクの応力分布、変形、破壊挙動を評価します。複合材料タンクの層間剥離や疲労破壊の予測にも用いられます。
火災時の構造部材への熱的影響評価: 火災シミュレーションで得られた温度データを用いて、車両の車体構造やコンポーネントの熱伝導、熱応力、材料強度低下などを評価し、構造破壊のリスクを判定します。
衝突時のシステム挙動シミュレーション: 車両衝突事故における高圧水素システムの変形、損傷、およびそれに伴う漏洩リスクを評価します。

FEM解析には、材料の非線形挙動や破壊特性に関する正確なデータ、および実際の事故シナリオを反映した適切な負荷条件の設定が必要です。

システムダイナミクスと組み合わせシミュレーション

個別の物理現象だけでなく、水素システム全体の複雑な相互作用や動的な挙動を解析するためには、システムダイナミクス的なアプローチや、異なる物理ドメインを連携させたマルチフィジックスシミュレーションが有効です。例えば、圧力制御弁の故障がシステム全体の圧力・温度に与える影響、あるいは冷却システム異常が燃料電池スタック性能と安全性に及ぼす影響などを評価できます。CFDとFEMを連携させた、漏洩・着火・火災による熱負荷を受けた構造物の変形・破壊解析なども行われています。

実装上の技術的課題と解決策

これらの高度な安全性工学とシミュレーション技術を水素モビリティ開発に適用する上で、いくつかの技術的課題が存在します。

データ不足と不確実性: 水素関連機器の長期信頼性データや、特定の事故シナリオにおける物性値・挙動データがまだ十分に蓄積されていません。
- 解決策: 実環境での運用データ収集、加速劣化試験の実施、詳細な基礎研究による物性値の精密測定とモデル構築が必要です。不確実性分析（例: モンテカルロシミュレーション）をPRAやシミュレーション結果に組み込むことで、よりロバストなリスク評価が可能になります。
複雑な物理現象の正確なモデル化: 水素の乱流拡散、高速燃焼、爆轟といった現象は非常に複雑であり、計算モデルの選択やパラメータ設定が結果に大きく影響します。
- 解決策: 高解像度の詳細モデルや、レゾリューションを自動調整するアダプティブメッシュ技術、最新の乱流・燃焼モデルの開発・適用が必要です。また、実験データとの比較によるモデル検証・キャリブレーションが不可欠です。
計算リソースと時間: 高精度のシミュレーションは膨大な計算リソースと時間を要し、設計の早期段階での迅速なフィードバックが難しい場合があります。
- 解決策: 高性能計算（HPC）リソースの活用、並列計算アルゴリズムの最適化、複雑性を低減しつつ精度を維持する低次元モデルや代理モデル（サロゲートモデル）の開発が有効です。
標準化とガイドライン: 安全性評価やシミュレーション結果の信頼性を確保するための標準化された手法、プロトコル、検証基準が整備途上にあります。
- 解決策: 国際標準化機関（ISO, SAEなど）や規制当局と連携し、共通の評価手法、データ形式、検証手順に関するガイドライン策定を推進することが重要です。

結論

水素モビリティの安全な社会実装は、技術開発の最も重要な基盤です。安全性工学の体系的なアプローチに基づき、PRAのような高度なリスク評価手法と、CFDやFEMに代表される数値シミュレーション技術を積極的に活用することは、潜在的なハザードを深く理解し、効果的なリスク低減策を設計するために不可欠です。

これらの技術の適用には、信頼性の高いデータ確保、複雑な物理現象の正確なモデリング、計算リソースの最適化、そして評価手法の標準化といった技術的課題が存在します。しかし、AI/MLの活用、デジタルツインとの統合、大規模システムへの適用といった最新の研究開発動向は、これらの課題克服と安全性評価技術のさらなる高度化を示唆しています。

研究開発エンジニアの皆様には、これらの先進的な安全性工学手法と数値シミュレーション技術の原理と応用を深く理解し、ご自身の担当するシステムやコンポーネントの設計・評価に積極的に取り入れていただくことが期待されます。これにより、水素モビリティの安全性を最大限に高め、持続可能な未来の交通システム構築に貢献できると考えます。