H2-Gas und sein Sensor

Einführung in Wasserstoff

Wasserstoffgas ist ein chemisches Element, das aus zwei Wasserstoffatomen mit der Formel H₂ besteht. In seiner reinen Form ist Wasserstoff ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas. Es ist ungiftig, aber extrem brennbar und erfordert eine sorgfältige Handhabung, um die Sicherheit zu gewährleisten. Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum und macht 90 Prozent des Gewichts des Universums aus. Auf der Erde kommt es jedoch selten in seiner reinen Form vor, da es sich leicht mit anderen Elementen verbindet. Wasserstoff wird häufig in verschiedenen industriellen Prozessen verwendet, darunter bei der Erdölraffination, der Herstellung von Chemikalien und als potenzielle saubere Kraftstoffquelle.

Wasserstoffgas ist extrem leicht und hat bei Normaldruck eine Dichte von 0,08988 Gramm pro Liter. Diese Eigenschaft macht es für Anwendungen wie Brennstoffzellen und als Traggas in Ballons und Luftschiffen wertvoll. Trotz seiner Leichtigkeit und seines Überflusses ist der sichere Umgang mit Wasserstoff aufgrund seiner Entflammbarkeit von entscheidender Bedeutung.

Die industrielle Wasserstoffproduktion ist bedeutend, weltweit gibt es zahlreiche Großanlagen. Wasserstoff wird häufig durch Verfahren wie Dampfreformierung von Methan und Elektrolyse hergestellt, bei denen Wassermoleküle gespalten werden, um Wasserstoffgas zu gewinnen.

Gaseigenschaften

Farblos
Geruchlos
Geschmacklos
Extrem entflammbar
Das leichteste aller Elemente.
Wasserstoff in der Luft ist in Konzentrationen zwischen 4 % und 75 Volumenprozent entflammbar (zum Vergleich: Methan ist in der Luft nur in einem Anteil zwischen 4,4 % und 17 Volumenprozent entflammbar).
Wasserstoffgas besteht aus H2-Molekülen: Jedes Molekül besteht aus zwei miteinander verbundenen Wasserstoffatomen.
Henry Cavendish entdeckte es Mitte des 18. Jahrhunderts und beschrieb es als „brennbare Luft“.
Das häufigste Element im Universum, das etwa 75 % aller normalen Materie ausmacht.
Wasserstoffatome haben nur ein Proton und ein Elektron.
Wasserstoff ist ein zweiatomiges Gas mit der Formel H2.
Der Begriff Wasserstoff stammt aus dem Griechischen und bedeutet „Wasserbildner“.
CAS-Nr. 1333-74-0

Wasserstoff-Farbspektrum

Es gibt verschiedene Formen von Wasserstoff, die jeweils nach ihrer Herstellungsmethode benannt sind. Obwohl grüner Wasserstoff der „heilige Gral“ der sauberen Energie ist, reduzieren auch andere Arten die Emissionen und spielen eine wichtige Rolle bei der Erreichung der CO2-Neutralität. Hier finden Sie einen kurzen Überblick über die einzelnen Arten und ihre Herstellungsprozesse.

Grüner Wasserstoff wird ohne schädliche Treibhausgasemissionen hergestellt und nutzt überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windenergie. Dieser überschüssige Strom spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, wobei bei der Elektrolyse kein Kohlendioxid freigesetzt wird. Durch die Nutzung überschüssiger erneuerbarer Energie in Zeiten geringer Nachfrage gleicht die Produktion von grünem Wasserstoff das Stromnetz aus und speichert überschüssige Energie, wodurch die Flexibilität und Zuverlässigkeit des Energiesystems verbessert wird. Derzeit macht grüner Wasserstoff nur einen geringen Prozentsatz der gesamten Wasserstoffproduktion aus.

Blauer Wasserstoff, auch als dekarbonisierter Wasserstoff bekannt, wird in erster Linie aus Erdgas mithilfe eines Verfahrens namens Dampfreformierung (entweder durch Dampfreformierung von Methan (SMR) oder autotherme Reformierung (ATR)) hergestellt. Wenn Erdgas und sehr heißer Dampf miteinander vermischt werden, werden Wasserstoff und Kohlendioxid voneinander getrennt. Das Kohlendioxid wird anschließend aufgefangen und sicher gespeichert, während der Wasserstoff als Brenngas transportiert wird.

Grauer Wasserstoff wird nach dem gleichen Verfahren wie blauer Wasserstoff hergestellt: durch Dampfreformierung. Anstatt das Kohlendioxid abzuscheiden, wird es in die Atmosphäre freigesetzt. Dies ist derzeit die gängigste Form der Wasserstofferzeugung.

Rosa Wasserstoff wird mit Strom aus Kernenergie hergestellt. Er wird auch als violetter oder roter Wasserstoff bezeichnet, setzt kein CO2 frei, verursacht jedoch Atommüll. Die hohen Temperaturen in Kernreaktoren können auch Dampf für eine effizientere Elektrolyse oder die Dampfreformierung von Erdgas erzeugen.

Türkisfarbener Wasserstoff wird manchmal auch als Vorverbrennungswasserstoff bezeichnet und durch Methanpyrolyse hergestellt, wobei Wasserstoff und fester Kohlenstoff entstehen. Sein geringes Emissionspotenzial hängt davon ab, dass für den thermischen Prozess erneuerbare Energien verwendet werden und der Kohlenstoff dauerhaft gespeichert oder genutzt wird.

Gelber Wasserstoff wird durch Elektrolyse unter Verwendung von Solarenergie hergestellt und ist somit eine saubere Energiequelle ohne Treibhausgasemissionen.

Weißer oder „goldener“ Wasserstoff istnatürlich vorkommender Wasserstoff, der in unterirdischen Lagerstätten gefunden und bei Verfahren wie Fracking gewonnen wird. Insbesondere in Südaustralien wurden bereits mehrere Vorkommen von hochreinem weißem oder goldenem Wasserstoff entdeckt. Eine im letzten Jahr im Lothringer Becken in Frankreich entdeckte Lagerstätte soll 250 Millionen Tonnen Wasserstoff enthalten, genug, um den aktuellen weltweiten Bedarf für mehr als zwei Jahre zu decken (BBC News/IEA.org).

Schwarz- und Braunkohlenwasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen, insbesondere Schwarz- oder Braunkohle, hergestellt, wobei Emissionen in die Atmosphäre freigesetzt werden. Dies ist die umweltschädlichste Form der Wasserstofferzeugung.

Industrielle H2-Erkennung, Gefahren und Quellen

Wasserstoff eignet sich zwar gut als Kraftstoff, birgt jedoch eine viel größere Explosionsgefahr als viele andere flüssige und gasförmige Kraftstoffe. Dafür gibt es zwei Gründe. Erstens ist Wasserstoff viel schwieriger zu speichern als andere Gase. Wasserstoffgas besteht aus H2-Molekülen: Jedes Molekül besteht aus zwei miteinander verbundenen Wasserstoffatomen. Damit ist H2 das kleinste Molekül im Universum. Wasserstoffgas neigt daher dazu, aus seinem Behälter zu entweichen.
Darüber hinaus ist Wasserstoff extrem entflammbar. Wasserstoff in der Luft ist in Konzentrationen zwischen 4 % und 75 Volumenprozent entflammbar (zum Vergleich: Methan ist in der Luft nur in einem Anteil zwischen 4,4 % und 17 Volumenprozent entflammbar). Die zur Entzündung eines Wasserstoff-Luft-Gemisches erforderliche Energiemenge ist ebenfalls viel geringer als bei anderen Brennstoffen. Die Mindestenergie, die zum Entzünden eines Wasserstoff-Luft-Gemisches erforderlich ist, beträgt nur 0,017 mJ. Im Gegensatz dazu ist die Mindestentzündungsenergie für Kohlenwasserstoff-Brennstoffgase mit etwa 0,3 mJ für Methan-Luft- oder Propan-Luft-Gemische wesentlich höher. Das hat zur Folge, dass Wasserstofflecks häufig vorkommen und selbst sehr kleine Wasserstofflecks relativ leicht entzündet werden können.

Es wird geschätzt, dass die Wasserstoffgasleckageraten bis 2050 bis zu 5,6 % erreichen könnten, wenn Wasserstoff in größerem Umfang genutzt wird.

(Reuters)

Hochrisikoszenarien

Chemische Anlagen, die Wasserstoff zur Herstellung von Ammoniak und Methanol verwenden , bergen aufgrund der hohen Entflammbarkeit von Wasserstoff ein hohes Risiko für Wasserstofflecks.
Erdölraffinerien sind ebenfalls einem hohen Risiko von Wasserstofflecks ausgesetzt, da Wasserstoff für Raffinerieprozesse, insbesondere für Hydrocracking und Entschwefelung, unverzichtbar ist. Gasdetektoren können den Wasserstoffgehalt in den Hochdruck-Wasserstoffsystemen von Raffinerien messen.
Wasserstofftankstellen: Mit steigender Nachfrage nach saubereren Kraftstoffen werden wir mehr Wasserstofftankstellen sehen, was auch das Risiko schlecht verwalteter Tankstellen mit sich bringt. Diese Tankstellen benötigen vernetzte Sicherheitssysteme und Gasdetektoren, um Lecks zu erkennen und zu mindern, sowie geeignete Notfallprotokolle für den Umgang mit potenziellen Bränden oder Explosionen.
Lageranlagen: Die großtechnische Lagerung von Wasserstoff, sei es als komprimiertes Gas oder als kryogene Flüssigkeit, birgt aufgrund seiner Entflammbarkeit und der Gefahr von Leckagen Gefahren. Lagertanks müssen so konstruiert sein, dass sie hohen Drücken und extremen Temperaturen standhalten, und die Anlagen müssen über Maßnahmen verfügen, um ausgetretenen Wasserstoff schnell zu verteilen, um eine Ansammlung und mögliche Entzündung zu verhindern (AIChE) (NREL Home)
Transport: Wasserstoff wird in Hochdruckleitungen und Kryotankern transportiert. Die Integrität dieser Transportsysteme ist entscheidend, um Lecks und Brüche zu verhindern, die zu Bränden oder Explosionen führen können. Zu den Sicherheitsmaßnahmen gehören strenge Inspektionsprotokolle und Wartungspläne, um die Sicherheit der Rohrleitungen und Tanker zu gewährleisten (NREL Home) .

H2-Sensor-Informationen*

Typ: Elektrochemischer Sensor(
) Messbereich: 0–40.000 ppm
Empfindlichkeitsbereich: 1 nA/ppm ± 0,5 nA/ppm

*nicht in allen Regionen verfügbar

Standard-Alarmstufen

Unterer Alarm: 4.000 ppm
Oberer Alarm: 8.000 ppm

Blackline-Geräte, die H2 erkennen können

Spezielle Anwendungen und Überlegungen

Lagerung: Die Erkennung von Wasserstoffgas ist in Umgebungen, in denen Wasserstoff verwendet oder gelagert wird, wie Raffinerien, Chemiewerken und Labors, von entscheidender Bedeutung. Es sollten Überlegungen zu potenziellen Quellen der Wasserstofferzeugung wie Elektrolyse, Dampfreformierung und Biomassevergasung angestellt werden.
Geringe Viskosität: Wasserstoff birgt aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften mehrere industrielle Gefahren. Seine Fähigkeit, durch einige feste Materialien zu diffundieren, kann zu Versprödung und Systemausfällen führen. Als kleinstes aller Moleküle hat Wasserstoff eine sehr geringe Viskosität, wodurch es schwierig ist, Leckagen zu verhindern. Aufgrund seiner hohen Auftriebskraft steigt Wasserstoff bei Freisetzung nach oben und kann sich in höheren Lagen ansammeln.

Leicht entzündlich: Aufgrund des hohen Entzündungsbereichs und der sehr geringen Zündenergie von Wasserstoff (0,02 mJ, was einem Zehntel der Zündenergie von Methan entspricht) können bereits kleine Funken, beispielsweise von Kleidung, eine Entzündung verursachen und zu Explosionen führen.
Unsichtbar: Wasserstoff verbrennt bei Tageslicht mit einer unsichtbaren Flamme, was die Erkennung ohne zusätzliche Färbung erschwert. Es wurde eine spontane Entzündung bei plötzlichen Freisetzungen beobachtet, wobei der Mechanismus unbekannt bleibt. Die schnelle Verbrennungsgeschwindigkeit und Flammengeschwindigkeit führen zu höheren Explosionsdrücken und Druckanstiegsraten, wodurch explosive Gemische im Vergleich zu anderen gängigen Brenngasen anfälliger für Detonationen sind.
Flüssige Form: Flüssiger Wasserstoff, der häufig bei -253 °C transportiert wird, kann bei Kontakt schwere Verbrennungen verursachen, und das verdampfte Gas kann verbrennen oder explodieren.

Gesundheitsrisiken und Umgang mit H2

Konzentration

Symptome/Auswirkungen

0–0,5 ppm

Keine nennenswerten Auswirkungen auf die Gesundheit; Wasserstoff ist in Spuren natürlich in der Luft vorhanden.

0,6 – 23 ppm

Keine signifikanten Auswirkungen auf die Gesundheit; Konzentrationen in diesem Bereich gelten nach wie vor als sehr gering und unbedenklich für die Exposition.

24–29 ppm

Keine nennenswerten Auswirkungen auf die Gesundheit; Wasserstoff bleibt in dieser Konzentration sehr gering und stellt kein Gesundheitsrisiko dar.

30–49 ppm

Keine signifikanten Auswirkungen auf die Gesundheit; diese Konzentrationen sind nach wie vor gering und stellen kein Gesundheitsrisiko dar.

50–71 ppm

Keine signifikanten Auswirkungen auf die Gesundheit; die Konzentrationen liegen weiterhin in einem Bereich, der als sicher gilt.

72–139 ppm

Keine signifikanten Auswirkungen auf die Gesundheit; diese Konzentrationen sind nach wie vor nicht schädlich.

140–499 ppm

Keine signifikanten Auswirkungen auf die Gesundheit; liegt weiterhin innerhalb der sicheren Expositionsgrenzen.

500–1499 ppm

Keine nennenswerten Auswirkungen auf die Gesundheit; Wasserstoff ist ungiftig und diese Konzentrationen gelten allgemein als unbedenklich.

1500–2499 ppm

Keine nennenswerten Auswirkungen auf die Gesundheit; Wasserstoff ist ungiftig, und diese Konzentration ist in der Regel nicht gefährlich.

2500 – 4500 ppm

Keine nennenswerten Auswirkungen auf die Gesundheit; Wasserstoff ist zwar ungiftig, es sollte jedoch darauf geachtet werden, dass kein Sauerstoff verdrängt wird.

5000 ppm +

Bei sehr hohen Konzentrationen kann Wasserstoff den Sauerstoff in der Luft verdrängen, was zu Erstickungsgefahr führt. Zu den Symptomen einer Erstickung zählen Schwindel, Kopfschmerzen, Atemnot, Bewusstlosigkeit und möglicherweise Tod, wenn die Exposition ohne Intervention fortgesetzt wird.

ERSTE HILFE

Einatmen: An die frische Luft bringen und in einer für die Atmung günstigen Position ruhig halten. Bei Atemstillstand künstliche Beatmung durchführen. Bei vorhandener Atmung sollte geschultes Personal Sauerstoff verabreichen. Einen Arzt rufen.
Hautkontakt: Bei diesem Produkt sind keine Nebenwirkungen zu erwarten (es sei denn, es ist verflüssigt).
Augenkontakt: Spülen Sie die Augen sofort mindestens 15 Minuten lang gründlich mit Wasser aus. Halten Sie die Augenlider offen und von den Augäpfeln entfernt, um sicherzustellen, dass alle Oberflächen gründlich gespült werden. Suchen Sie sofort einen Arzt auf.

BEI UNBEABSICHTIGTER FREISETZUNG

Verlassen Sie sofort den Bereich und alarmieren Sie das Personal in der Nähe.
Verhindern Sie Zündquellen, einschließlich offener Flammen, Funken und elektrischer Geräte.
Lüften Sie den Bereich, um das Wasserstoffgas sicher zu verteilen.

EMPFOHLENE RESSOURCEN

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