Senzorika pro bezpečné použití vodíku

S ultrazvukovým senzorem lze sledovat vodíkové nádrže, potrubí nebo spojky. Podobně jako kouřové alarmy mohou být senzory rozmístěny po místnosti a propojeny do sítě. © Fraunhofer IPM / Ultrazvukový senzor lze použít ke sledování vodíkových nádrží, potrubí nebo spojek. Senzory mohou být také rozmístěny po místnosti jako kouřové alarmy, aby vytvořily síť. © Fraunhofer IPM

Princip funkce ultrazvukového senzoru: LED světlo vytváří v plynu ultrazvukovou vlnu. Pokud do pouzdra pronikne vodík, dojde ke změně rezonance. MEMS mikrofon zaznamená tuto změnu rezonance. © Fraunhofer IPM / Jak funguje ultrazvukový senzor: LED světlo generuje v plynu zvukové vlny. Pokud do nádoby pronikne vodík, změní se rezonance. MEMS mikrofon zaznamená posun. © Fraunhofer IPM

Voda může být skladována a přepravována ve formě amoniaku (NH3). Laserový spektrometr od Fraunhofer IPM měří a vyhodnocuje absorpční čáru amoniaku a na displeji zobrazuje koncentraci. © Fraunhofer IPM / Vodík lze skladovat a přepravovat ve formě amoniaku (NH3). Laserový spektrometr od Fraunhofer IPM měří a vyhodnocuje absorpční čáru amoniaku. Systém pak zobrazuje výsledek na displeji. © Fraunhofer IPM

Výzkumníci z Fraunhofer IPM vyvinuli senzory a měřicí přístroje, které detekují netěsnosti v potrubí nebo nádržích na vodík. Díky tomu je možné průběžně monitorovat přepravu vodíku nebo zařízení v chemickém průmyslu. Výzkumníci využívají několik technologií senzorů, aby mohli s jistotou pokrýt co nejvíce scénářů budoucí vodíkové ekonomiky.

Pro budování infrastruktury vodíku je bezpečnost potrubí, skladů a připojovacích míst klíčová. Neviditelný a bez zápachu plyn je totiž snadno hořlavý a výbušný. Výzkumný ústav Fraunhofer pro fyzikální měření IPM v Freiburgu vyvinul senzory a měřicí systémy, které spolehlivě rozpoznají i nejmenší množství vodíku. Tím je možné rychle odhalit všechny druhy netěsností. Výzkumné práce byly součástí hlavního projektu vodíkové infrastruktury TransHyDE Ministerstva školství a výzkumu Spolkové republiky Německo ve spolupráci s projekční agenturou Jülich (PTJ). Zde vyvíjejí partneři z vědy a průmyslu řešení pro přepravu a skladování plynu. Dr. Carolin Pannek a tým v Fraunhofer IPM vedli dílčí projekt Bezpečná infrastruktura.

Vzhledem k tomu, že vodík se využívá v různých scénářích a aplikacích, vyvinuli výzkumníci z Fraunhofer tři různé systémy senzorů.

Ultrazvukový senzor s fotoakustickým efektem

Světlo může rozkmitat plyn a tím vytvořit zvukovou vlnu. Tento fotoakustický efekt využívají výzkumníci ve svém ultrazvukovém senzoru. Zdroj světla vysílá do zařízení a vytváří v plynu resonanční zvukovou vlnu s frekvencí v ultrazvukové oblasti. Pokud skrze membránu pronikne vodík do pouzdra, dojde ke změně rezonance, tedy ke změně tónu. Tento změněný tón zachytí MEMS mikrofony (mikroelektromechanické systémy). Tím je možné například detekovat únik vodíku z nádrží nebo potrubí. »Senzor by mohl být použit k ověření nádob, potrubí nebo spojovacích dílů. Dále je možné rozvěsit několik zařízení podobně jako kouřové hlásiče v místnosti a propojit je do sítě senzorů«, vysvětluje Pannek.

Ale ultrazvukový senzor toho umí ještě víc. Je tak přesný, že dokáže zaznamenat i přítomnost molekul jiných látek ve vodíku, tedy jeho minimální znečištění. Palivové články, například v nákladních vozidlech, potřebují vysoce čistý vodík. Nejmenší kontaminace by mohly poškodit citlivé membrány. Tento senzor kontroluje, zda je vodík skutečně čistý.

Laserový spektrometr

Alternativou k náročnému skladování vodíku jako plynu v tlakových nádržích nebo při -253 °C jako kapaliny v kryotankách je použití amoniaku (NH3) jako nosné matrice. Skladování a přeprava jsou pak výrazně jednodušší. Protože je však amoniak extrémně jedovatý, musí být netěsnosti rychle a spolehlivě odhaleny. Výzkumníci z Fraunhofer IPM vyvinuli laserový spektrometr pro dálkovou detekci amoniaku. Absorbuje vlnové délky amoniaku, reaguje okamžitě a výsledek zobrazuje na displeji. »Odborníci mohou přenosné zařízení držet v ruce a kontrolovat potrubí nebo nádrže z bezpečné vzdálenosti až 50 metrů. Přístroj lze namontovat na robota nebo dron a kontrolovat průmyslová zařízení nebo létat nad potrubími«, říká vedoucí projektu Fraunhofer Pannek.

Ramanova spektroskopie

Třetí měřicí systém je pokročilou verzí Ramanovy spektroskopie. Posun Ramanova spektra – pojmenovaný po indickém fyzikovi – vzniká díky interakci mezi světlem a hmotou. Světlo odražené od hmoty má jinou vlnovou délku než světlo dopadající. Každá hmota tak získává spektroskopický otisk prstu.

Fraunhofer IPM má dlouholeté zkušenosti s návrhem a výstavbou Ramanových systémů. Pro projekt TransHyDE vyvinuli výzkumníci filtr-based Ramanův senzor, který selektivně rozpoznává vodík v složitých médiích. Přístroj pracuje s levnými komponenty, například s cenově dostupnou CMOS kamerou (komplementární metal-oxid polovodič), je přenosný a může sloužit jako flexibilní kontrolní stanice pro kvantifikaci vodíku. Systém se používá například v energetice při výrobě vodíku.

Flexibilní použití, poradenství pro vodíkové projekty

Všechny systémy senzorů jsou navrženy tak, aby je bylo možné přizpůsobit velmi různým scénářům. Pokud je potřeba, poradí experti z Fraunhofer průmyslovým zákazníkům, dodavatelům energie nebo provozovatelům vodíkových projektů v otázkách bezpečného používání. Výzkumnice Pannek je přesvědčena: »Může být odstartován rozvoj vodíkové ekonomiky.«