氢作为能源媒介：性质和风险

Power-to-gas技术非常适合储存多余的风能和太阳能。水通过电解被分解成氢气，这将作为可储存的能源媒介在能源转型中发挥重要作用。发电、储存和转换回蒸汽和电能必须以人类和环境无风险的方式进行。如果现有的风险得到很好的理解，那么就可以进行有效的风险管理。因此，让我们更加深入地了解一下氢气的性质。

氢的生理特性

氢气的好消息是它不具有毒性，这很幸运，因为我们无法闻到、尝到或看到这种无色气体。只有在氢气达到一定浓度时才会对健康造成危害，因为此时氢气会取代空气中的氧气，这种危害仅仅是由于缺氧引起的。在这方面，我们没有太多的担忧。氢气比空气轻得多。因此，在释放氢气的开放区域，它很快上升并与空气混合，不会影响地面上生物的呼吸。问题出在氢气在封闭结构或建筑物中积累的情况下。

如果空气中氢气的比例超过体积的30％，这将肯定导致严重的呼吸问题。但是，在此之前，将有更大的问题需要处理。这种情况下的气氛代表了严重的爆炸危险。这需要无论如何都要防止。如何做到？我们稍后会回答这个问题。

总之，使用氢气的人们不一定需要气罐面具 – 但是他们绝不能吸入气体。

氢气对环境造成的危害也可以类似地进行评估。最重要的是要记住，氢气不会破坏臭氧层，也不会导致温室效应。其有益的环境特性还包括其燃烧过程中仅产生水这一点。

除了氢气的定性特性和相关风险外，我们还需要从专业角度更详细地考虑其物理特性，以及一些关键数字。在我们着手处理其他潜在危险 – 特别是火灾和爆炸的风险以及如何预防它们之前，这是值得一提的。

氢气的气态化形式

氢气非常轻，确切地说，在15℃和1巴的情况下，其密度为84克/立方米，是所有气体中最轻的，比空气轻14倍。因此，在可能集聚氢气的所有房间中确保有足够的通风非常重要，这应该是防止爆炸的首要步骤。 氢气极易燃，这意味着它与氧气反应。关键数字包括：

• 首先，氢气的最小点火能量为20微焦，非常低。只有乙炔和二硫化碳的最小点火能量同样低。
• 另一个重要的变量是点火温度，在空气中为585℃。这比甲烷（天然气的主要成分）的点火温度（540℃）高。木材的点火温度约为280℃，煤的点火温度在240到280℃之间，听起来要安全得多。
• 一般而言，只有在附近有一定数量的氧气时，氢气才会点燃。点火所需的最小氧气量和最大氧气量之间存在一个范围，在这些范围内，存在爆炸性混合物。对于氢气而言，这个爆炸范围非常广，从4体积%的氢气含量（称为下限爆炸浓度或LEL）到77体积%（上限爆炸浓度或UEL）。因此，如果存在纯氢或含空气不到23体积%的氢气-空气混合物，不会发生爆炸。即使是空气中非常少量的氢气也不会构成危险，这就是为什么要确保有足够的通风，从而“稀释”含氢的空气以消除爆炸危险，正如之前提到的那样。然而，如果空气进入容器，其中装有气态氢，UEL可能会非常快地达到。必须采取一切措施防止这种情况发生。

氢气还能与其他元素发生反应，如气态的氯或氟。然而，在使用氢气作为能源时，这两种物质通常不会大量存在；因此，我们在此不再进一步讨论它们。

总而言之，氢气浓度在4vol%和77vol%之间的氢气-空气混合物可以被点燃，从而发生爆炸。然而，这需要能量–即所谓的活化能。在室温下，如果没有额外的点火源，什么也不会发生。但即使是极低的能量，只有0.02毫焦耳，也能点燃混合气体。作为比较，甲烷的最小点火能量是0.28毫焦耳。这不一定是来自火焰的能量。即使在石器时代，人类也知道，当石头撞击金属或由于摩擦（如木钻）产生能量。一个火花就足以点燃一个氢氧混合物。然而，这也需要一个非常高的温度，具体来说是585℃。这是因为氢气是一种良好的热导体，这意味着它能非常迅速地带走作用于它的热量。在点燃爆炸性的氢气-空气混合物之前，一个表面需要非常热。然而，大多数点火源在实践中会引起点火。只要有一个被氢气流带走的铁锈颗粒就能与金属碰撞并产生足够热的火花。

另一个关键特性是–如果氢气真的燃烧，它产生的火焰几乎是无色的，这就是为什么火灾在白天的某些情况下可以不被注意到。
某些气体-空气混合物在膨胀时也会被点燃，因为在这个过程中温度会升高。氢气的情况并非如此。例如，如果将高压（如175巴）下的氢气迅速带到正常压力（1巴），其温度仅从20℃上升到25℃。这远远低于点火温度。

氢气的液态化形式

液态氢（LH2）带来了独特的爆炸危险。在-253 °C时，它是如此之冷，以至于它所包含的任何杂质（除了氦气）都会冻结成固体。这尤其适用于进入液氢容器的空气。固体空气和LH2的混合物就像一个爆炸物。此外，低温意味着空气会在没有绝缘的管道或系统部件的外表面凝结。氮气一点一点地从这种液态空气中蒸发出来，意味着混合物中的液态氧浓度增加。如果它与可燃物质接触，例如，如果液态氧滴到木材上，这也会导致爆炸。如果这种情况发生在含有氢气的管道附近，其后果可能是毁灭性的。