H2-gas en de bijbehorende sensor

Inleiding tot waterstof

Waterstofgas is een chemisch element dat bestaat uit twee waterstofatomen met de formule H₂. In zijn zuivere vorm is waterstof een kleurloos, reukloos en smaakloos gas. Het is niet giftig, maar uiterst brandbaar en vereist een zorgvuldige behandeling om de veiligheid te garanderen. Waterstof is het meest voorkomende element in het universum en maakt 90 procent van het gewicht van het universum uit. Het komt echter zelden in zuivere vorm voor op aarde, omdat het gemakkelijk verbindingen aangaat met andere elementen. Waterstof wordt veel gebruikt in verschillende industriële processen, waaronder het raffineren van aardolie, de productie van chemicaliën en als potentiële schone brandstofbron.

Waterstofgas is extreem licht, met een dichtheid van 0,08988 gram per liter bij standaarddruk. Deze eigenschap maakt het waardevol voor toepassingen zoals brandstofcellen en als hefgas in ballonnen en luchtschepen. Ondanks zijn lichtheid en overvloed is een veilige omgang met waterstof cruciaal vanwege zijn brandbaarheid.

De industriële productie van waterstof is aanzienlijk, met talrijke grootschalige fabrieken wereldwijd. Waterstof wordt vaak geproduceerd door middel van methoden zoals stoom-methaanreforming en elektrolyse, processen waarbij watermoleculen worden gesplitst om waterstofgas te extraheren.

Gaskarakteristieken

Kleurloos
Reukloos
Smaakloos
Zeer brandbaar
Het lichtste van alle elementen.
Waterstof in lucht is brandbaar bij concentraties tussen 4% en 75% per volume (ter vergelijking: methaan is alleen brandbaar in lucht bij een concentratie tussen 4,4% en 17% per volume).
Waterstofgas bestaat uit H2-moleculen: elk molecuul bestaat uit twee waterstofatomen die aan elkaar zijn gebonden.
Henry Cavendish ontdekte het in het midden van de 18e eeuw en beschreef het als 'ontvlambare lucht'.
Het meest voorkomende element in het universum, dat ongeveer 75% van alle normale materie uitmaakt.
Waterstofatomen hebben slechts één proton en één elektron.
Waterstof is een diatomisch gas met de formule H2.
De term waterstof komt uit het Grieks en betekent 'watervormer'.
CAS 1333-74-0

Waterstofkleurenspectrum

Er zijn verschillende vormen van waterstof, die elk een bijnaam hebben gekregen op basis van hun productiemethode. Hoewel groene waterstof de 'heilige graal' van schone energie is, verminderen ook andere soorten de uitstoot en spelen ze een belangrijke rol bij het bereiken van koolstofneutraliteit. Hier volgt een kort overzicht van elke soort en het productieproces ervan.

Groene waterstof wordt geproduceerd zonder uitstoot van schadelijke broeikasgassen en wordt gemaakt met behulp van elektriciteit uit overtollige hernieuwbare energiebronnen, zoals zonne- en windenergie. Deze overtollige elektriciteit splitst water in waterstof en zuurstof, waarbij geen kooldioxide vrijkomt bij elektrolyse. Door overtollige hernieuwbare energie te gebruiken tijdens periodes met een lage vraag, zorgt de productie van groene waterstof voor evenwicht in het elektriciteitsnet en wordt overtollige energie opgeslagen, waardoor de flexibiliteit en betrouwbaarheid van het energiesysteem worden verbeterd. Momenteel vertegenwoordigt groene waterstof een klein percentage van de totale waterstofproductie.

Blauwe waterstof, ook wel bekend als koolstofarme waterstof, wordt voornamelijk geproduceerd uit aardgas met behulp van een proces dat stoomreforming wordt genoemd (hetzij door stoom-methaanreforming (SMR) of autothermische reforming (ATR)). Wanneer aardgas en zeer hete stoom worden gemengd, worden waterstof en kooldioxide gescheiden. De kooldioxide wordt vervolgens opgevangen en veilig opgeslagen, maar de waterstof wordt getransporteerd als brandstofgas.

Grijze waterstof wordt geproduceerd volgens hetzelfde proces als blauwe waterstof: stoomreforming. In plaats van de kooldioxide af te vangen, wordt deze vrijgelaten in de atmosfeer. Dit is momenteel de meest voorkomende vorm van waterstofproductie.

Roze waterstof wordt geproduceerd met behulp van elektriciteit die wordt opgewekt door kernenergie. Het staat ook bekend als paarse of rode waterstof en stoot geen CO2 uit, maar produceert wel kernafval. De hoge temperaturen van kernreactoren kunnen ook stoom produceren voor efficiëntere elektrolyse of stoom-methaanreforming uit aardgas.

Turkoois waterstof wordt soms ook wel pre-verbrandingswaterstof genoemd en wordt geproduceerd door middel van methaanpyrolyse, waarbij waterstof en vaste koolstof worden gegenereerd. Het lage emissiepotentieel hangt af van het gebruik van hernieuwbare energie voor het thermische proces en de permanente opslag of het gebruik van de koolstof.

Gele waterstof wordt geproduceerd door middel van elektrolyse met behulp van zonne-energie, waardoor het een schone energiebron is zonder uitstoot van broeikasgassen.

Witte of 'gouden' waterstof isnatuurlijk voorkomende waterstof die in ondergrondse afzettingen wordt aangetroffen en tijdens processen zoals fracking wordt gewonnen. Met name Zuid-Australië heeft al meerdere reserves van zeer zuivere witte of gouden waterstof ontdekt. Een afzetting die vorig jaar in het Bassin de Lorraine in Frankrijk werd ontdekt, zou 250 miljoen ton waterstof bevatten, genoeg om meer dan twee jaar aan de huidige wereldwijde vraag te voldoen (BBC News/IEA.org).

Zwarte en bruine waterstof wordt geproduceerd uit fossiele brandstoffen, met name zwarte of bruine steenkool, waarbij emissies in de atmosfeer terechtkomen. Dit is de meest milieubelastende vorm van waterstofproductie.

Industriële H2-detectie, gevaren en bronnen

Hoewel waterstof goed presteert als brandstof, vormt het een veel groter explosiegevaar dan veel andere vloeibare en gasvormige brandstoffen. Daar zijn twee redenen voor. Ten eerste is waterstof veel moeilijker op te slaan dan andere gassen. Waterstofgas bestaat uit H2-moleculen: elk molecuul bestaat uit twee waterstofatomen die aan elkaar zijn gebonden. Dit maakt H2 het kleinste molecuul in het universum. Waterstofgas heeft daarom de neiging om uit opslagplaatsen te lekken.
Daarnaast is waterstof uiterst brandbaar. Waterstof in lucht is brandbaar bij concentraties tussen 4% en 75% per volume (ter vergelijking: methaan is alleen brandbaar in lucht bij een concentratie tussen 4,4% en 17% per volume). De hoeveelheid energie die nodig is om een mengsel van waterstof en lucht te ontsteken, is ook veel lager dan bij andere brandstoffen. De minimale hoeveelheid energie die nodig is om een mengsel van waterstof en lucht te ontsteken, bedraagt slechts 0,017 mJ. Daarentegen is de minimale ontstekingsenergie voor koolwaterstofbrandstoffen veel hoger, namelijk ongeveer 0,3 mJ voor mengsels van methaan/lucht of propaan/lucht. Het gevolg is dat waterstoflekken veel voorkomen en dat zelfs zeer kleine waterstoflekken relatief gemakkelijk kunnen ontbranden.

Het schat dat het percentage waterstofgaslekken in 2050 kan oplopen tot 5,6% wanneer waterstof op grotere schaal wordt gebruikt.

(Reuters)

Scenario's met een hoog risico

Chemische fabrieken die waterstof gebruiken voor de productie van ammoniak en methanol lopen een groot risico op waterstoflekkage vanwege de hoge brandbaarheid ervan.
Petroleumraffinaderijen lopen ook een groot risico op waterstoflekken, aangezien waterstof essentieel is in raffinageprocessen, met name bij hydrokraken en ontzwaveling. Gasdetectoren kunnen het waterstofgehalte in de hogedrukwaterstofsystemen in raffinaderijen meten.
Waterstof tankstations: Naarmate de vraag naar schonere brandstof toeneemt, zullen we meer waterstof tankstations zien, wat ook risico's met zich meebrengt als deze stations slecht worden beheerd. Deze stations hebben gekoppelde veiligheidssystemen en gasdetectoren nodig om lekken op te sporen en te beperken, en goede noodprotocollen om mogelijke branden of explosies te kunnen bestrijden.
Opslagfaciliteiten: Grootschalige opslag van waterstof, zowel in de vorm van samengeperst gas als cryogene vloeistof, brengt gevaren met zich mee vanwege de brandbaarheid en het risico op lekken. Opslagtanks moeten zo zijn ontworpen dat ze bestand zijn tegen hoge druk en extreme temperaturen, en faciliteiten moeten voorzien zijn van maatregelen om ontsnapte waterstof snel te verspreiden om ophoping en mogelijke ontbranding te voorkomen (AIChE) (NREL Home) .
Transport: Waterstof wordt getransporteerd in hogedrukpijpleidingen en cryogene tankers. De integriteit van deze transportsystemen is van cruciaal belang om lekken en breuken te voorkomen, die kunnen leiden tot brand of explosies. Veiligheidsmaatregelen omvatten strenge inspectieprotocollen en onderhoudsschema's om ervoor te zorgen dat de pijpleidingen en tankers veilig blijven (NREL Home) .

H2-sensorinformatie*

Type: Elektrochemische
Bereik: 0–40.000 ppm
Gevoeligheidsbereik: 1 nA/ppm ± 0,5 nA/ppm

*niet beschikbaar in alle regio's

Standaard alarmniveaus

Laag alarm: 4.000 ppm
Hoog alarm: 8.000 ppm

Blackline-apparaten die H2 kunnen detecteren

Speciale toepassingen en overwegingen

Opgeslagen: Detectie van waterstofgas is van cruciaal belang in omgevingen waar waterstof wordt gebruikt of opgeslagen, zoals raffinaderijen, chemische fabrieken en laboratoria. Er moet rekening worden gehouden met mogelijke bronnen van waterstofproductie, zoals elektrolyse, stoomreforming en vergassing van biomassa.
Lage viscositeit: Waterstof brengt vanwege zijn unieke eigenschappen verschillende industriële risico's met zich mee. Het vermogen om door sommige vaste materialen te diffunderen kan leiden tot verbrossing en systeemstoringen. Als kleinste van alle moleculen heeft waterstof een zeer lage viscositeit, waardoor het moeilijk is om lekken te voorkomen. Door zijn hoge drijfvermogen stijgt waterstof wanneer het vrijkomt en kan het zich op grote hoogte verzamelen.

Zeer brandbaar: Door het hoge brandbaarheidsbereik en de zeer lage ontstekingsenergie (0,02 mJ, wat 1/10e is van die van methaan) van waterstof kunnen zelfs kleine vonken, zoals die van kleding, ontbranding veroorzaken, wat tot explosies kan leiden.
Onzichtbaar: Waterstof brandt bij daglicht met een onzichtbare vlam, waardoor detectie zonder toegevoegde kleur moeilijk is. Er is spontane ontbranding van plotseling vrijgekomen waterstof waargenomen, maar het mechanisme hiervan is nog onbekend. De hoge verbrandingssnelheid en vlamsnelheid leiden tot hogere explosiedrukken en snellere drukstijgingen, waardoor explosieve mengsels gevoeliger zijn voor detonatie dan andere gangbare brandbare gassen.
Vloeibare vorm: Vloeibaar waterstof, dat vaak bij -253 °C wordt vervoerd, kan bij contact ernstige brandwonden veroorzaken en het verdampte gas kan ontbranden of exploderen.

Gezondheidsrisico's en omgang met H2

concentratie

symptomen/effecten

0 - 0,5 ppm

Geen significante gezondheidseffecten; waterstof is van nature in zeer kleine hoeveelheden in de lucht aanwezig.

0,6 - 23 ppm

Geen significante gezondheidseffecten; concentraties binnen dit bereik worden nog steeds als zeer laag en veilig voor blootstelling beschouwd.

24 - 29 ppm

Geen significante gezondheidseffecten; waterstof blijft bij deze concentratie zeer laag en vormt geen gezondheidsrisico.

30 - 49 ppm

Geen significante gezondheidseffecten; deze concentraties zijn nog steeds laag en vormen geen gezondheidsrisico.

50 - 71 ppm

Geen significante gezondheidseffecten; concentraties liggen nog steeds binnen een bereik dat als veilig wordt beschouwd.

72 - 139 ppm

Geen significante gezondheidseffecten; deze concentraties zijn nog steeds niet schadelijk.

140 - 499 ppm

Geen significante gezondheidseffecten; nog steeds binnen veilige blootstellingslimieten.

500 - 1499 ppm

Geen significante gezondheidseffecten; waterstof is niet giftig en deze concentraties worden over het algemeen als veilig beschouwd.

1500 - 2499 ppm

Geen significante gezondheidseffecten; waterstof is niet giftig en deze concentratie is doorgaans niet gevaarlijk.

2500 - 4500 ppm

Geen significante gezondheidseffecten; hoewel waterstof niet giftig is, moet ervoor worden gezorgd dat zuurstof niet wordt verdrongen.

5000 ppm +

Bij zeer hoge concentraties kan waterstof zuurstof in de lucht verdringen, wat kan leiden tot verstikking. Symptomen van verstikking zijn onder meer duizeligheid, hoofdpijn, kortademigheid, bewusteloosheid en mogelijk overlijden als de blootstelling zonder ingrijpen voortduurt.

EHBO

Inademing: Breng het slachtoffer in de frisse lucht en laat het rusten in een houding die het ademen vergemakkelijkt. Als het slachtoffer niet ademt, pas dan kunstmatige beademing toe. Als het slachtoffer wel ademt, moet getraind personeel zuurstof toedienen. Roep medische hulp in.
Contact met de huid: Er worden geen schadelijke effecten van dit product verwacht (tenzij het vloeibaar is).
Oogcontact: Spoel de ogen onmiddellijk gedurende ten minste 15 minuten grondig met water. Houd de oogleden open en weg van de oogballen om ervoor te zorgen dat alle oppervlakken grondig worden gespoeld. Roep onmiddellijk medische hulp in.

BIJ ONGEWILD VRIJKOMEN

Evacueer het gebied onmiddellijk en waarschuw het personeel in de buurt.
Voorkom ontstekingsbronnen, waaronder open vuur, vonken en elektrische apparatuur.
Ventileer de ruimte om het waterstofgas veilig te verspreiden.

AANBEVOLEN BRONNEN

Brandbaar gas en de detectie ervan

Brandbare gassen vormen een van de grootste risico's voor industriële installaties. Deze uitgebreide whitepaper behandelt zowel de basisprincipes als de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van LEL-detectietechnologie.

Whitepaper downloaden