Sensores para el uso seguro del hidrógeno

Con el sensor ultrasónico, se pueden supervisar depósitos, tuberías o conexiones de hidrógeno. Al igual que los detectores de humo, podrían colocarse distribuidos en la habitación para formar una red de sensores. © Fraunhofer IPM / El sensor ultrasónico puede usarse para monitorear tanques, tuberías o conectores de hidrógeno. Los sensores también pueden colocarse alrededor de una habitación como detectores de humo para formar una red. © Fraunhofer IPM

Principio de funcionamiento del sensor ultrasónico: La luz LED genera ondas ultrasónicas en el gas. Si el hidrógeno entra en el recipiente, se produce un desplazamiento en la resonancia. Un micrófono MEMS detecta este desplazamiento. © Fraunhofer IPM / Cómo funciona el sensor ultrasónico: La luz LED genera ondas sonoras en el gas. Si el hidrógeno entra en el recipiente, la resonancia cambia. Un micrófono MEMS registra el desplazamiento. © Fraunhofer IPM

El hidrógeno puede almacenarse y transportarse en forma de amoníaco (NH3). El espectrómetro láser del Fraunhofer IPM mide y evalúa una línea de absorción del amoníaco y muestra la concentración en una pantalla. © Fraunhofer IPM / El hidrógeno puede almacenarse y transportarse en forma de amoníaco (NH3). El espectrómetro láser del Fraunhofer IPM mide y evalúa una línea de absorción del amoníaco. El sistema luego muestra el resultado en una pantalla. © Fraunhofer IPM

Investigadores del Fraunhofer IPM han desarrollado sistemas de sensores y dispositivos de medición que detectan fugas en tuberías o tanques de hidrógeno. Esto permite monitorear continuamente el transporte de hidrógeno o las instalaciones en la industria química. Los investigadores utilizan varias tecnologías de sensores para poder cubrir la mayor cantidad posible de escenarios de la futura economía del hidrógeno con sistemas de seguridad.

Para la construcción de la infraestructura de hidrógeno, la seguridad de las tuberías, almacenamientos y puntos de conexión es de vital importancia. Porque el gas invisible e inodoro es fácilmente inflamable y explosivo. El Instituto Fraunhofer para la Técnica de Medición Física IPM en Freiburg ha desarrollado sistemas de sensores y medición que también detectan cantidades mínimas de hidrógeno de manera confiable. Con ello, se pueden detectar rápidamente todo tipo de fugas. Los trabajos de investigación formaron parte del proyecto principal de hidrógeno TransHyDE del Ministerio Federal de Educación e Investigación, en colaboración con el gestor de proyectos Jülich (PTJ). Aquí, socios de la ciencia y la industria desarrollan soluciones para el transporte y almacenamiento del gas. La Dra. Carolin Pannek y el equipo del Fraunhofer IPM dirigieron el subproyecto de Infraestructura Segura.

Debido a que el hidrógeno se utiliza en escenarios y aplicaciones muy diferentes, los investigadores del Fraunhofer han desarrollado tres sistemas de sensores distintos.

Sensor ultrasónico con efecto fotoacústico

La luz puede estimular el gas a vibrar y, de este modo, generar una onda sonora. Este efecto fotoacústico es utilizado por los investigadores para su sensor ultrasónico. Una fuente de luz emite hacia el dispositivo y genera en el gas una onda sonora resonante con una frecuencia en el rango ultrasónico. Cuando una membrana permite que el hidrógeno entre en la carcasa, se produce un desplazamiento de resonancia, es decir, un cambio en el tono. Este tono alterado es registrado por micrófonos MEMS (sistemas microelectromecánicos). De esta manera, se puede detectar, por ejemplo, la fuga de hidrógeno de tanques o tuberías. »El sensor podría usarse para inspeccionar contenedores, tuberías o conexiones«, explica Pannek.

Pero el sensor ultrasónico tiene aún más funciones. Trabaja con tanta precisión que incluso detecta si en el hidrógeno hay moléculas de otras sustancias, es decir, si está ligeramente contaminado. Las pilas de combustible, que por ejemplo generan electricidad en camiones, requieren hidrógeno de alta pureza. Las mínimas impurezas podrían dañar las membranas sensibles. Aquí, el sensor verifica si el hidrógeno es realmente puro.

Espectrómetro láser

Una alternativa al almacenamiento costoso de hidrógeno como gas en cilindros de alta presión o a temperaturas de -253 °C como líquido en tanques criogénicos es el uso de amoníaco (NH3) como matriz portadora. El almacenamiento y transporte son mucho más sencillos. Sin embargo, dado que el amoníaco es extremadamente tóxico, las fugas deben detectarse rápida y confiablemente. Para la detección remota de amoníaco, el Fraunhofer IPM ha desarrollado un espectrómetro láser. Este absorbe las longitudes de onda del amoníaco, reacciona de inmediato y muestra el resultado en una pantalla. »Los expertos pueden sostener el dispositivo compacto en la mano y verificar tuberías o tanques a una distancia segura de hasta 50 metros. Montado en robots o drones, inspecciona instalaciones industriales o sobrevuela oleoductos«, dice la directora del proyecto Fraunhofer, Pannek.

Espectroscopía Raman

El tercer sistema de medición es una evolución de la espectroscopía Raman. El desplazamiento Raman — nombrado así por un físico indio — se produce por la interacción entre la luz y la materia. La luz reflejada por la materia tiene una longitud de onda diferente a la de la luz incidente. De esta forma, cada materia obtiene una huella espectroscópica.

El Fraunhofer IPM tiene años de experiencia en el diseño y construcción de sistemas Raman. Para el proyecto TransHyDE, los investigadores desarrollaron un sensor Raman basado en filtros que detecta selectivamente hidrógeno en medios complejos. El dispositivo funciona con componentes económicos, como una cámara CMOS (semiconductor complementario de óxido de metal), es portátil y puede servir como una estación de prueba flexible para cuantificar el hidrógeno. El sistema se utiliza, por ejemplo, en el sector energético para la producción de hidrógeno.

Versátil, asesoramiento para proyectos de hidrógeno

Todos los sistemas de sensores están diseñados con tanta flexibilidad que pueden adaptarse a escenarios muy diferentes. Cuando es necesario, los expertos del Fraunhofer asesoran a clientes industriales, proveedores de energía o operadores de proyectos de hidrógeno en cuestiones relacionadas con el uso seguro. La experta de Fraunhofer, Pannek, está convencida: «El pistoletazo de salida para la expansión de la economía del hidrógeno puede darse».