Gas H2 e relativo sensore

Introduzione all'idrogeno

L'idrogeno gassoso è un elemento chimico composto da due atomi di idrogeno con formula H₂. Nella sua forma pura, l'idrogeno è un gas incolore, inodore e insapore. Non è tossico, ma è estremamente infiammabile e richiede un'attenta manipolazione per garantire la sicurezza. L'idrogeno è l'elemento più abbondante nell'universo, rappresentando il 90% del peso dell'universo. Tuttavia, raramente si trova in forma pura sulla Terra poiché si combina facilmente con altri elementi. L'idrogeno è comunemente utilizzato in vari processi industriali, tra cui la raffinazione del petrolio, la produzione di sostanze chimiche e come potenziale fonte di combustibile pulito.

L'idrogeno gassoso è estremamente leggero, con una densità di 0,08988 grammi per litro a pressione standard. Questa proprietà lo rende prezioso in applicazioni quali le celle a combustibile e come gas di sollevamento in palloni aerostatici e dirigibili. Nonostante la sua leggerezza e abbondanza, la manipolazione sicura dell'idrogeno è fondamentale a causa della sua infiammabilità.

La produzione industriale di idrogeno è significativa, con numerosi impianti su larga scala in tutto il mondo. L'idrogeno viene spesso prodotto attraverso metodi come il reforming a vapore del metano e l'elettrolisi, processi che comportano la scissione delle molecole d'acqua per estrarre l'idrogeno gassoso.

Caratteristiche del gas

Incolore
Inodore
Insapore
Estremamente infiammabile
Il più leggero di tutti gli elementi.
L'idrogeno nell'aria è infiammabile a concentrazioni comprese tra il 4% e il 75% in volume (a titolo di confronto, il metano è infiammabile nell'aria solo in una proporzione compresa tra il 4,4% e il 17% in volume).
L'idrogeno gassoso è costituito da molecole di H2: ogni molecola è composta da due atomi di idrogeno legati tra loro.
Henry Cavendish lo scoprì a metà del XVIII secolo e lo descrisse come "aria infiammabile".
L'elemento più abbondante nell'universo, pari a circa il 75% di tutta la materia normale.
Gli atomi di idrogeno hanno solo un protone e un elettrone.
L'idrogeno è un gas biatomico con formula H2.
Il termine idrogeno deriva dal greco e significa "formatore d'acqua".
CAS 1333-74-0

Spettro cromatico dell'idrogeno

Esistono varie forme di idrogeno, ciascuna delle quali è stata soprannominata in base al proprio metodo di produzione. Sebbene l'idrogeno verde sia il "Santo Graal" dell'energia pulita, anche altri tipi riducono le emissioni e svolgono un ruolo importante nel raggiungimento della neutralità carbonica. Ecco una breve panoramica di ciascun tipo e del relativo processo di produzione.

L'idrogeno verde viene prodotto senza emissioni nocive di gas serra e viene ottenuto utilizzando l'elettricità proveniente da fonti energetiche rinnovabili in eccesso, come l'energia solare ed eolica. Questa elettricità in eccesso divide l'acqua in idrogeno e ossigeno, senza emettere anidride carbonica durante l'elettrolisi. Utilizzando l'energia rinnovabile in eccesso durante i periodi di bassa domanda, la produzione di idrogeno verde bilancia la rete e immagazzina l'energia in eccesso, migliorando la flessibilità e l'affidabilità del sistema energetico. Attualmente, l'idrogeno verde rappresenta una piccola percentuale della produzione totale di idrogeno.

L'idrogeno blu, noto anche come idrogeno decarbonizzato, viene prodotto principalmente dal gas naturale mediante un processo chiamato reforming a vapore (tramite Steam Methane Reforming (SMR) o Auto Thermal Reforming (ATR)). Quando il gas naturale e il vapore molto caldo vengono miscelati, l'idrogeno e l'anidride carbonica vengono separati. L'anidride carbonica viene quindi catturata e immagazzinata in modo sicuro, mentre l'idrogeno viene trasportato come gas combustibile.

L'idrogeno grigio viene prodotto utilizzando lo stesso processo dell'idrogeno blu: il reforming a vapore. Anziché catturare l'anidride carbonica, questa viene rilasciata nell'atmosfera ed è attualmente la forma più diffusa di produzione di idrogeno.

L'idrogeno rosa è prodotto utilizzando l'elettricità generata dall'energia nucleare. Conosciuto anche come idrogeno viola o rosso, non rilascia CO2 ma produce scorie nucleari. Le alte temperature dei reattori nucleari possono anche produrre vapore per un'elettrolisi più efficiente o per la reforming a vapore del metano dal gas naturale.

L'idrogeno turchese è talvolta denominato idrogeno pre-combustione e viene prodotto attraverso la pirolisi del metano, generando idrogeno e carbonio solido. Il suo basso potenziale di emissione dipende dall'utilizzo di energia rinnovabile per il processo termico e dallo stoccaggio permanente o dall'utilizzo del carbonio.

L'idrogeno giallo è prodotto tramite elettrolisi utilizzando energia solare, rendendolo una fonte di energia pulita senza emissioni di gas serra.

L'idrogeno bianco o "oro" èidrogeno presente in natura nei giacimenti sotterranei ed estratto durante processi come il fracking. Il South Australia, in particolare, ha già scoperto diverse riserve di idrogeno bianco o oro ad alta purezza. Un giacimento scoperto lo scorso anno nel bacino della Lorena, in Francia, conterrebbe 250 milioni di tonnellate di idrogeno, sufficienti a soddisfare l'attuale domanda globale per oltre due anni (BBC News/IEA.org).

L'idrogeno nero e marrone è prodotto da combustibili fossili, in particolare carbone nero o marrone, con emissioni rilasciate nell'atmosfera. Si tratta della forma di produzione di idrogeno più dannosa per l'ambiente.

Rilevamento industriale dell'H2, pericoli e fonti

Sebbene l'idrogeno sia un ottimo combustibile, presenta un rischio di esplosione molto maggiore rispetto a molti altri combustibili liquidi e gassosi. Ciò è dovuto a due motivi. Innanzitutto, l'idrogeno è molto più difficile da contenere rispetto ad altri gas. L'idrogeno gassoso è costituito da molecole di H2: ogni molecola è composta da due atomi di idrogeno legati tra loro. Ciò rende l'H2 la molecola più piccola dell'universo. L'idrogeno gassoso è quindi soggetto a fuoriuscite dal contenitore.
Inoltre, l'idrogeno è estremamente infiammabile. L'idrogeno nell'aria è infiammabile a concentrazioni comprese tra il 4% e il 75% in volume (a titolo di confronto, il metano è infiammabile nell'aria solo in una proporzione compresa tra il 4,4% e il 17% in volume). Anche la quantità di energia necessaria per incendiare una miscela di idrogeno e aria è molto inferiore rispetto ad altri combustibili. La quantità minima di energia necessaria per incendiare una miscela di idrogeno e aria è di soli 0,017 mJ. Al contrario, l'energia minima di accensione per i combustibili gassosi a base di idrocarburi è molto più elevata, circa 0,3 mJ per le miscele di metano/aria o propano/aria. Di conseguenza, le fughe di idrogeno sono frequenti e anche quelle di entità minima possono incendiarsi con relativa facilità.

Si stima che i tassi di perdita di idrogeno potrebbero raggiungere il 5,6% entro il 2050, quando l'idrogeno sarà utilizzato più ampiamente.

(Reuters)

Scenari ad alto rischio

Gli impianti chimici che utilizzano l'idrogeno per la produzione di ammoniaca e metanolo presentano un elevato rischio di fughe di idrogeno a causa della sua elevata infiammabilità.
Anche le raffinerie di petrolio sono esposte a un elevato rischio di fughe di idrogeno, poiché l'idrogeno è essenziale nei processi di raffinazione, in particolare nell'idrocracking e nella desolforazione. I rilevatori di gas possono misurare i livelli di idrogeno nei sistemi ad alta pressione delle raffinerie.
Stazioni di rifornimento di idrogeno: con l'aumento della domanda di carburanti più puliti, assisteremo a un aumento delle stazioni di rifornimento di idrogeno, con il conseguente rischio di una gestione inadeguata delle stesse. Queste stazioni necessitano di sistemi di sicurezza collegati e rilevatori di gas per individuare e mitigare eventuali perdite, nonché di protocolli di emergenza adeguati per gestire potenziali incendi o esplosioni.
Impianti di stoccaggio: lo stoccaggio su larga scala dell'idrogeno, sia sotto forma di gas compresso che di liquido criogenico, presenta dei rischi dovuti alla sua infiammabilità e alla possibilità di perdite. I serbatoi di stoccaggio devono essere progettati per resistere ad alte pressioni e temperature estreme, e gli impianti devono essere dotati di misure atte a disperdere rapidamente l'idrogeno fuoriuscito per evitare accumuli e potenziali incendi (AIChE) (NREL Home) .
Trasporto: l'idrogeno viene trasportato in condutture ad alta pressione e autocisterne criogeniche. L'integrità di questi sistemi di trasporto è fondamentale per prevenire perdite e rotture che potrebbero causare incendi o esplosioni. Le misure di sicurezza includono rigorosi protocolli di ispezione e programmi di manutenzione per garantire la sicurezza delle condutture e delle autocisterne (NREL Home) .

Informazioni sul sensore H2*

Tipo: elettrochimico
Intervallo: 0–40.000 ppm
Intervallo di sensibilità: 1 nA/ppm ± 0,5 nA/ppm

*non disponibile in tutte le regioni

Livelli di allarme predefiniti

Allarme basso: 4.000 ppm
Allarme alto: 8.000 ppm

Dispositivi Blackline in grado di rilevare H2

Applicazioni speciali e considerazioni

Stoccaggio: il rilevamento dell'idrogeno gassoso è fondamentale in ambienti in cui l'idrogeno viene utilizzato o stoccato, come raffinerie, impianti chimici e laboratori. È necessario tenere in considerazione le potenziali fonti di generazione di idrogeno, quali l'elettrolisi, il reforming a vapore e la gassificazione delle biomasse.
Bassa viscosità: l'idrogeno presenta diversi rischi industriali a causa delle sue proprietà uniche. La sua capacità di diffondersi attraverso alcuni materiali solidi può causare infragilimento e guasti al sistema. Essendo la più piccola di tutte le molecole, l'idrogeno ha una viscosità molto bassa, il che rende difficile prevenire le perdite. La sua elevata galleggiabilità fa sì che, una volta rilasciato, l'idrogeno salga e possa accumularsi ad alti livelli.

Altamente infiammabile: l'elevata infiammabilità dell'idrogeno e la sua bassissima energia di accensione (0,02 mJ, pari a 1/10 di quella del metano) fanno sì che anche piccole scintille, come quelle prodotte dagli indumenti, possano causarne l'accensione, provocando esplosioni.
Invisibile: l'idrogeno brucia con una fiamma invisibile alla luce del giorno, rendendo difficile il rilevamento senza l'aggiunta di coloranti. È stata osservata l'accensione spontanea di rilasci improvvisi, sebbene il meccanismo rimanga sconosciuto. La rapida velocità di combustione e la velocità della fiamma determinano pressioni di esplosione e tassi di aumento della pressione più elevati, rendendo le miscele esplosive più soggette a detonazione rispetto ad altri gas combustibili comuni.
Forma liquida: l'idrogeno liquefatto, spesso trasportato a -253 °C, può causare gravi ustioni al contatto, mentre il gas vaporizzato può bruciare o esplodere.

Rischi per la salute e manipolazione dell'H2

concentrazione

sintomi/effetti

0 - 0,5 ppm

Nessun effetto significativo sulla salute; l'idrogeno è naturalmente presente nell'aria in quantità minime.

0,6 - 23 ppm

Nessun effetto significativo sulla salute; concentrazioni comprese in questo intervallo sono ancora considerate molto basse e sicure per l'esposizione.

24 - 29 ppm

Nessun effetto significativo sulla salute; l'idrogeno a questa concentrazione rimane molto basso e non rappresenta un rischio per la salute.

30 - 49 ppm

Nessun effetto significativo sulla salute; queste concentrazioni sono ancora basse e non rappresentano un rischio per la salute.

50 - 71 ppm

Nessun effetto significativo sulla salute; le concentrazioni rientrano ancora in un intervallo considerato sicuro.

72 - 139 ppm

Nessun effetto significativo sulla salute; queste concentrazioni non sono ancora nocive.

140 - 499 ppm

Nessun effetto significativo sulla salute; ancora entro i limiti di esposizione sicuri.

500 - 1499 ppm

Nessun effetto significativo sulla salute; l'idrogeno non è tossico e questi livelli sono generalmente considerati sicuri.

1500 - 2499 ppm

Nessun effetto significativo sulla salute; l'idrogeno non è tossico e questa concentrazione non è generalmente pericolosa.

2500 - 4500 ppm

Nessun effetto significativo sulla salute; sebbene l'idrogeno non sia tossico, occorre prestare attenzione per evitare lo spostamento dell'ossigeno.

5000 ppm +

A concentrazioni molto elevate, l'idrogeno può sostituire l'ossigeno nell'aria, causando un rischio di asfissia. I sintomi dell'asfissia includono vertigini, mal di testa, respiro affannoso, perdita di coscienza e, se l'esposizione continua senza intervento, potenzialmente anche la morte.

PRIMO SOCCORSO

Inalazione: portare all'aria aperta e tenere a riposo in una posizione comoda per la respirazione. Se non respira, praticare la respirazione artificiale. Se respira, il personale qualificato deve somministrare ossigeno. Chiamare un medico.
Contatto con la pelle: non sono previsti effetti avversi da questo prodotto (a meno che non sia liquefatto).
Contatto con gli occhi: sciacquare immediatamente gli occhi con acqua corrente per almeno 15 minuti. Tenere le palpebre aperte e lontane dai bulbi oculari per garantire che tutte le superfici siano sciacquate accuratamente. Rivolgersi immediatamente a un medico.

IN CASO DI RILASCIO ACCIDENTALE

Evacuare immediatamente l'area e avvisare il personale nelle vicinanze.
Prevenire fonti di accensione, comprese fiamme libere, scintille e apparecchiature elettriche.
Ventilare l'area per disperdere l'idrogeno in modo sicuro.

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