Risk analysis of gas distribution network

European Critical Infrastructures, as define in Green book (COM(2005) 576, November 2005), could include those physical resources, services, information technology facilities, networks and infrastructure assets, which, if disrupted or destroyed would have serious impacts on the health, safety, security, economic or social well-being of either Member States. Critical infrastructure can be damaged, destroyed or disrupted by deliberate acts of terrorism, natural disasters, negligence, accidents or computer hacking, criminal activity and malicious behavior. To save the lives and property of people at risk in the EU from terrorism, natural disasters and accidents, any disruptions or manipulations of CI should, to the extent possible, be brief, infrequent, manageable, geographically isolated and minimally detrimental to the welfare of the Member States, their citizens and the European Union. The gas distribution network is a critical infrastructure and the damage or an accident can cause damage to structures and people. Similarly, the network is vulnerable because the lack of gas supply due to social and political problems, such as the Ukraine-Russia crisis or the recent political changes in Libya, may create inefficiencies. The aim of this thesis is to analyze and then estimate the risk assessment of this infrastructure, in particular the study will focus on the quantitative risk analysis (QRA). In this thesis critical infrastructures studied are two: the Italian natural gas distribution network at high pressure and the hypothetic UK pipeline network of CO2 from Carbon Capture and Storage(CCS) processes. The work of CO2 network was conducted at Imperial College of London, in collaboration with Professor Sandro. Macchietto. The networks studied are different because the transported substances produce different consequences: natural gas is a flammable, while CO2 is toxic material, at high concentrations leads to asphyxiation. For natural gas network it was necessary to create a database with the data from different company that operate in this sector. The network was simulated with process simulator Aspen Plus ®, because data of pressure and flow rate of each section of network were missing and they required for the software of consequences calculation, PHAST. Thanks to the simulator it has been possible to study the vulnerability of the network in case of interruption of gas supply from other exporting countries, as ex Soviet countries and countries of North Africa, highlighting the dependence Italian by importing countries. The simulations have shown the important role of regasification terminals for liquefied natural gas (LNG), as they help to make independent a country . Quantitative risk analysis due to accident was conducted following the methodology proposed in the literature, described in Chapter 1 and Chapter 4.Failure frequency and the consequences were assessed by literature data and methodologies that are based on the techniques of event tree. The consequences estimation was perform with the software PHAST of DNV company. The results of risk analysis is the determination of local risk and social risk. the social risk was calculated for a section of network, because the data of population density available were for Friuli Venezia Giulia, Veneto and Trentino Alto Adige regions. Another case study of risk analysis of natural gas distribution network was conducted to off-shore LNG terminal. The LNG terminal analyzed is Floating Storage and Regasification Unit terminal (FSRU). For the CO2 network the consequences of release were evaluated. The results show that the proposed safety improvement are different for the two network types. The natural gas network is a network that is structured and then consolidated then the actions arising from risk will be mitigation and prevention actions. Considering the results obtained from the analysis of consequences of CO2 network, proximity of the network to population centers can produce injuries. Being a network proposal, the actions, that it can take, are to verify from technical and economic point of view, the shift of one or more parts of the network outside the areas whit high or medium density population. afterwards it is necessary to analyze the consequences associated with a release to see if the actions had improvements the safety.

Le infrastrutture critiche dell’UE, come definite nel Libro verde (COM (2005) 576 Libro verde), consistono nelle infrastrutture materiali e di tecnologia dell'informazione, reti, servizi e beni il cui danneggiamento o distruzione avrebbero gravi ripercussioni sulla salute, la sicurezza e il benessere economico o sociale dei cittadini degli Stati membri. Le infrastrutture critiche (IC) possono essere danneggiate, distrutte o manomesse a causa di atti deliberati di terrorismo, calamità naturali, negligenza, incidenti, pirateria informatica, attività criminose e comportamenti dolosi. Per tutelare la vita e i beni dei cittadini dell’UE dai rischi legati al terrorismo, alle calamità naturali e agli incidenti, bisogna fare in modo che gli eventuali danni alle infrastrutture critiche o la loro manomissione siano, nella misura del possibile, di breve durata, poco frequenti, gestibili, geograficamente isolati e il meno nocivi possibile per il benessere degli Stati membri, dei loro cittadini e dell’Unione europea. La rete di distribuzione gas è un’infrastruttura critica e il danneggiamento o un incidente può provocare danni a strutture e persone. Inoltre la rete è vulnerabile in quanto la mancanza di fornitura di gas a causa di problemi socio politici, come la crisi Ucraina-Russia o i recenti cambiamenti politici in Libia, possono creare dei disservizi. Lo scopo della tesi è analizzare e quindi effettuare una valutazione del rischio di tale infrastruttura, in particolare lo studio si focalizzerà sull’analisi del rischio quantitativa (QRA). Si sono studiate due tipologie di rete di distribuzione: la rete di distribuzione gas naturale Italiana ad alta pressione e una proposta di rete di distribuzione trasportante CO2 derivante dal sistema di Carbon Capture and Storage (CCS). L’analisi della rete di CO2 è stata condotta durante il soggiorno all’estero presso Imperial College of London, con la supervisione del Prof. Sandro Macchietto. Le reti studiate sono diverse in quanto le sostanze trasportate producono differenti conseguenze: il gas naturale è una sostanza infiammabile mentre la CO2 è una sostanza tossica, ad alte concentrazioni porta ad asfissia. A causa della frammentarietà dei dati della rete di distribuzione NG la rete è stata ricostruita e simulata con il simulatore di processo Aspen Plus®. Le simulazioni effettuate hanno valutato i dati mancanti, pressione e portata di ogni tratto della rete, richiesti dal software per il calcolo delle conseguenze PHAST. Inoltre grazie al simulatore è stato possibile studiare la vulnerabilità della rete nei casi di interruzione di fornitura di gas da altri Paesi esportatori, Paesi Sovietici e Paesi del Nord Africa, evidenziando la dipendenza italiana ai paesi importatori. Nelle simulazioni è emerso il ruolo importante dei terminali di rigassificazione di gas naturale liquefatto (LNG), in quanto contribuiscono a rendere il Paese più autonomo. Per quanto riguarda l’analisi quantitativa del rischio da incidente è stata effettuata seguendo la metodologia proposta in letteratura, descritta nel capitolo 1 e capitolo 4. Sono state valutate le frequenze di rilascio e di conseguenze attraverso dati di letteratura e metodologie che si basano sulle tecniche di albero degli eventi. Le conseguenze sono state stimate attraverso l’utilizzo del codice di calcolo PHAST. I risultati dell’analisi del rischio sono la determinazione del rischio locale per la rete nazionale di distribuzione del gas naturale e il rischio sociale per una sezione di rete, in quanto erano disponibili i dati di densità di popolazione delle regioni Friuli Venezia Giulia, Veneto e Trentino Alto Adige. La rete di distribuzione gas comprende anche i terminali di rigassificazione di gas naturale liquefatto. Per tali strutture è stata condotta un l’analisi del rischio e quindi la determinazione del rischio locale per un terminale off-shore del tipo Floating Storage and Regasification Unit terminal (FSRU). Per la rete di trasporto di CO2 sono state valutate le conseguenze del rilascio in un ipotetica rete in Gran Bretagna che coinvolge diversi tipi di impianti di CCS. Dai risultati si nota che le proposte di miglioramento della sicurezza sono diverse. La rete gas naturale è una rete già strutturata e consolidata quindi le azioni derivanti dall’analisi del rischio saranno di mitigazione e prevenzione. Mentre la rete di CO2 è una proposta quindi l’analisi del rischio mette in evidenziare i tratti che possono generare danni a persone. Le azioni che si possono fare per questa rete sono spostare i tratti di pipeline e valutare dal punto di vista tecnica economica la nuova soluzione. Dopo lo spostamento sarà necessario verificare se le azioni intraprese portano miglioramenti dal punto di vista della sicurezza.