Szenzorok a biztonságos hidrogénhasználathoz

Az ultrahangos érzékelő segítségével megfigyelhetők a hidrogéntartályok, -csövek vagy -csatlakozók. Hasonlóan a füstérzékelőkhöz, az érzékelőket a szobában elosztva érzékelőhálózatot alkothatnak. © Fraunhofer IPM / Az ultrahangos érzékelőt használhatják hidrogéntartályok, csövek vagy csatlakozók megfigyelésére. Az érzékelőket a szoba körül is elhelyezhetik, mint a füstérzékelőket, hogy hálózatot alkossanak. © Fraunhofer IPM

Az ultrahangos érzékelő működési elve: A LED-fény hanghullámokat kelt a gázban. Ha hidrogén kerül a tartályba, a rezonancia eltolódik. Egy MEMS-mikrofon érzékeli ezt az eltolódást. © Fraunhofer IPM / Az ultrahangos érzékelő működése: A LED-világítás hanghullámokat generál a gázban. Ha hidrogén lép be a tartályba, a rezonancia megváltozik. Egy MEMS-mikrofon rögzíti az eltolódást. © Fraunhofer IPM

A hidrogén ammónia (NH3) formájában tárolható és szállítható. A Fraunhofer IPM lézerspektrométere mér és értékel egy ammónia abszorpciós vonalat, majd megjeleníti az eredményt egy kijelzőn. © Fraunhofer IPM / A hidrogén ammónia (NH3) formájában tárolható és szállítható. A Fraunhofer IPM lézerspektrométere mér és értékel egy ammónia abszorpciós vonalat. A rendszer ezután megjeleníti az eredményt egy kijelzőn. © Fraunhofer IPM

A Fraunhofer IPM kutatói olyan érzékelőrendszereket és mérőeszközöket fejlesztettek ki, amelyek képesek észlelni a hidrogéncsövek vagy tartályok szivárgásait. Ezzel folyamatosan nyomon követhetők a hidrogénszállítások vagy az ipari létesítmények. A kutatók többféle érzékelőtechnológiát alkalmaznak annak érdekében, hogy a jövő hidrogéngazdaságának lehető legszélesebb körű biztonságtechnikai lefedettségét biztosítani tudják.

A hidrogén infrastruktúra kiépítéséhez a vezetékek, tárolók és csatlakozási pontok biztonsága döntő fontosságú. Hiszen ez a láthatatlan és szagtalan gáz könnyen gyullad és robbanásveszélyes. A Freiburgban működő Fraunhofer Fizikai Mérési Intézet IPM olyan érzékelő- és mérőrendszereket fejlesztett ki, amelyek megbízhatóan képesek a legkisebb hidrogénmennyiségek felismerésére is. Mindenféle szivárgás gyorsan kimutatható velük. A kutatási munkák része volt a TransHyDE nevű hidrogén főprojekt, amelyet a Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium indított közösen a Jülich Kutatóközponttal (PTJ). Itt a tudomány és az ipar partnerei megoldásokat dolgoznak ki a gáz szállítására és tárolására. Dr. Pannek Carolin és a Fraunhofer IPM csapata vezette a Biztonságos Infrastruktúra alprojektet.

Mivel a hidrogént különböző szcenáriókban és alkalmazásokban használják, a Fraunhofer-kutatók három különböző érzékelőrendszert fejlesztettek ki.

Ultrahangos érzékelő fotokaisztikus effektussal

A fény képes a gázt rezgésre késztetni, így hanghullámot generálva. Ezt a fotokaisztikus hatást használják az ultrahangos érzékelőikhez. Egy fényforrás világít a készülékbe, amely rezonáns hanghullámot hoz létre a gázban, ultrahang tartományban. Amikor a hidrogén egy membránon keresztül bejut a készülékbe, rezonancia-eltolódás lép fel, azaz a hangmagasság változik. Ezt a változást MEMS-mikrofonok (mikroelektromechanikus rendszerek) érzékelik. Így például a tartályokból vagy vezetékekből szivárgó hidrogén gyorsan kimutatható. »A szenzort felhasználhatják tartályok, vezetékek vagy csatlakozók ellenőrzésére is. Elképzelhető, hogy több ilyen készüléket, például füstérzékelőkhöz hasonlóan, egy helyiségben elosztva érzékelőhálózatot alakítanak ki«, magyarázza Pannek.

De az ultrahangos érzékelő még ennél is többre képes. Olyan pontos, hogy még akkor is érzékeli, ha a hidrogénben más anyag molekulái is megtalálhatók, azaz minimális szennyeződésekkel rendelkezik. Az üzemanyagcellák, amelyek például teherautókban elektromos áramot termelnek, magas tisztaságú hidrogént igényelnek. A legkisebb szennyeződések károsíthatják az érzékeny membránokat. Itt a szenzor ellenőrzi, hogy a hidrogén valóban tiszta-e.

Laser Spektrométer

Alternatív megoldás a hidrogén tárolására a magasnyomású tartályokban vagy mínusz 253 °C-on folyadékként, kriotankokban történő tárolás helyett az ammónia (NH3) alkalmazása hordozóként. A tárolás és szállítás így sokkal egyszerűbb. Mivel azonban az ammónia rendkívül mérgező, gyorsan és megbízhatóan kell észlelni a szivárgásokat. A Fraunhofer IPM kifejlesztett egy lézerspektrométert az ammónia távoli detektálására. Ez elnyeli az ammónia hullámhosszát, azonnal reagál és az eredményt kijelzőn mutatja. »A szakemberek kézben tarthatják a kompakt készüléket, így biztonságos távolságból, akár 50 méterről ellenőrizhetik a csöveket vagy tartályokat. Robotokra vagy drónokra szerelve ipari létesítményeket ellenőriz, vagy a csővezetékek felett repül«, mondja a Fraunhofer projektvezetője, Pannek.

Raman-spektroszkópia

A harmadik mérőrendszer a Raman-spektroszkópia továbbfejlesztése. A Raman-eltolódás – amelyet egy indiai fizikusról neveztek el – a fény és az anyag közötti kölcsönhatás eredménye. Az anyag által visszavert fény más hullámhosszú, mint a beeső fény. Ezáltal minden anyagnak színészeti ujjlenyomata keletkezik.

A Fraunhofer IPM évek óta tapasztalattal rendelkezik Raman-rendszerek tervezésében és felépítésében. A TransHyDE projektben a kutatók egy szűrőalapú Raman-érzékelőt fejlesztettek ki, amely szelektíven felismeri a hidrogént összetett közegben. A készülék költséghatékony komponensekkel működik, például egy olcsó CMOS-kamerával (komplementer fém-oxid félvezető), mobil és így rugalmas ellenőrzőállomásként szolgálhat a hidrogén mennyiségi meghatározására. A rendszer például az energiaszektorban, hidrogén-előállításnál kerül alkalmazásra.

Rugalmas alkalmazhatóság, tanácsadás hidrogénprojektekhez

Minden érzékelőrendszer úgy lett kialakítva, hogy nagyon különböző szcenáriókhoz is alkalmazható legyen. Szükség esetén a Fraunhofer-szakértők ipari ügyfeleket, energiaszolgáltatókat vagy hidrogénprojektek üzemeltetőit segítik a biztonságos használattal kapcsolatos kérdésekben. Pannek, a Fraunhofer szakértője biztos benne: »Elindulhat a hidrogéngazdaság kiépítésének kezdő lövése.«