Sensorique pour une utilisation sûre de l'hydrogène

Avec le capteur à ultrasons, il est possible de surveiller des réservoirs, des conduites ou des raccords d'hydrogène. Tout comme les détecteurs de fumée, ils pourraient être répartis dans la pièce pour former un réseau de capteurs. © Fraunhofer IPM / Le capteur à ultrasons peut être utilisé pour surveiller des réservoirs, des canalisations ou des connecteurs d'hydrogène. Les capteurs peuvent également être placés autour d'une pièce comme des détecteurs de fumée pour former un réseau. © Fraunhofer IPM

Principe de fonctionnement du capteur à ultrasons : La lumière LED génère une onde ultrasonore dans le gaz. Si de l'hydrogène pénètre dans le boîtier, il y a un décalage de résonance. Un microphone MEMS enregistre ce décalage. © Fraunhofer IPM / Comment fonctionne le capteur à ultrasons : La lumière LED produit des ondes sonores dans le gaz. Si de l'hydrogène entre dans le récipient, la résonance change. Un microphone MEMS enregistre ce décalage. © Fraunhofer IPM

L'hydrogène peut être stocké et transporté sous forme d'ammoniac (NH3). Le spectromètre laser du Fraunhofer IPM mesure et analyse une ligne d'absorption de l'ammoniac, puis affiche la concentration sur un écran. © Fraunhofer IPM / L'hydrogène peut être stocké et transporté sous forme d'ammoniac (NH3). Le spectromètre laser du Fraunhofer IPM mesure et évalue une ligne d'absorption de l'ammoniac. Le système affiche ensuite le résultat sur un écran. © Fraunhofer IPM

Des chercheurs du Fraunhofer IPM ont développé des systèmes de capteurs et des appareils de mesure qui détectent les fuites dans les conduites ou réservoirs d'hydrogène. Cela permet également de surveiller en continu le transport d'hydrogène ou les installations dans l'industrie chimique. Les chercheurs utilisent plusieurs technologies de capteurs afin de couvrir le plus grand nombre possible de scénarios de la future économie de l'hydrogène avec des techniques de sécurité.

Pour la construction de l'infrastructure hydrogène, la sécurité des conduites, des stockages et des points de raccordement est d'une importance cruciale. En effet, ce gaz invisible et inodore est facilement inflammable et explosif. L'institut Fraunhofer pour la technique de mesure physique IPM à Fribourg a développé des systèmes de capteurs et de mesure capables de détecter de manière fiable même les plus petites quantités d'hydrogène. Il est ainsi possible de repérer rapidement toutes sortes de fuites. Les travaux de recherche faisaient partie du projet phare TransHyDE du ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche, en collaboration avec le gestionnaire de projet Jülich (PTJ). Des partenaires issus du monde scientifique et industriel développent ici des solutions pour le transport et le stockage du gaz. La Dr. Carolin Pannek et l'équipe du Fraunhofer IPM ont dirigé le sous-projet Infrastructure sûre.

Comme l'hydrogène est utilisé dans des scénarios et applications très variés, les chercheurs du Fraunhofer ont développé trois systèmes de capteurs différents.

Capteur à ultrasons avec effet photoacoustique

La lumière peut stimuler le gaz à vibrer, ce qui génère une onde sonore. Cet effet photoacoustique est exploité par les chercheurs pour leur capteur à ultrasons. Une source lumineuse émet dans l'appareil et crée dans le gaz une onde sonore résonante avec une fréquence dans la gamme ultrasonique. Lorsqu'une membrane laisse passer de l'hydrogène dans l'appareil, cela provoque un décalage de résonance, c'est-à-dire une modification de la tonalité. Cette tonalité modifiée est enregistrée par des microphones MEMS (systèmes microélectromécaniques). De cette manière, il est possible de détecter, par exemple, l'hydrogène qui s'échappe des réservoirs ou des conduites. « Le capteur pourrait être utilisé pour vérifier les conteneurs, les conduites ou les raccords », explique Pannek. « Il serait également envisageable de répartir plusieurs appareils, semblables à des détecteurs de fumée, dans une pièce et de les relier à un réseau de capteurs. »

Mais le capteur à ultrasons a encore d'autres fonctions. Il fonctionne avec une précision telle qu'il peut même détecter la présence de molécules d'autres substances dans l'hydrogène, c'est-à-dire s'il est légèrement impur. Les piles à combustible, qui produisent de l'électricité par exemple dans les camions, nécessitent un hydrogène de haute pureté. De très petites impuretés pourraient endommager les membranes sensibles. Ici, le capteur vérifie si l'hydrogène est réellement pur.

Spectromètre laser

Une alternative au stockage coûteux de l'hydrogène sous forme de gaz à haute pression ou à -253 °C sous forme liquide dans des cryotanks consiste à utiliser de l'ammoniac (NH3) comme matrice porteuse. Le stockage et le transport deviennent alors beaucoup plus simples. Cependant, comme l'ammoniac est extrêmement toxique, il faut détecter rapidement et de manière fiable toute fuite. Pour la détection à distance de l'ammoniac, le Fraunhofer IPM a développé un spectromètre laser. Il absorbe la longueur d'onde de l'ammoniac, réagit immédiatement et affiche le résultat sur un écran. « Les professionnels peuvent tenir cet appareil compact à la main et vérifier ainsi les conduites ou les réservoirs à une distance sûre allant jusqu'à 50 mètres. Monté sur un robot ou un drone, il inspecte des installations industrielles ou survole des pipelines », explique la responsable de projet Fraunhofer Pannek.

Spectroscopie Raman

Le troisième système de mesure est une évolution de la spectroscopie Raman. Le décalage Raman – nommé d'après un physicien indien – résulte de l'interaction entre la lumière et la matière. La lumière réfléchie par la matière possède une longueur d'onde différente de celle de la lumière incidente. Chaque matière reçoit ainsi une empreinte spectroscopique unique.

Le Fraunhofer IPM possède une longue expérience dans la conception et la mise en place de systèmes Raman. Pour le projet TransHyDE, les chercheurs ont développé un capteur Raman basé sur un filtre, capable de détecter sélectivement l'hydrogène dans des médias complexes. L'appareil fonctionne avec des composants peu coûteux, comme une caméra CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) abordable, et est portable, ce qui permet de l'utiliser comme station de contrôle flexible pour la quantification de l'hydrogène. Le système est notamment utilisé dans le secteur de l'énergie pour la production d'hydrogène.

Polyvalent, conseils pour les projets hydrogène

Tous ces systèmes de capteurs sont conçus de manière à pouvoir être adaptés à des scénarios très variés. Si nécessaire, les expertes et experts du Fraunhofer conseillent les clients industriels, les fournisseurs d'énergie ou les exploitants de projets hydrogène sur toutes les questions relatives à leur utilisation en toute sécurité. La Dr. Pannek est convaincue : « Le coup d'envoi de l'expansion de l'économie de l'hydrogène peut être donné. »