Sensoristica per l'uso sicuro dell'idrogeno

Con il sensore ad ultrasuoni è possibile monitorare serbatoi, tubazioni o raccordi di idrogeno. Analogamente ai rilevatori di fumo, possono essere distribuiti nella stanza e collegati in una rete di sensori. © Fraunhofer IPM / Il sensore ad ultrasuoni può essere utilizzato per monitorare serbatoi, tubazioni o raccordi di idrogeno. I sensori possono anche essere posizionati in tutta la stanza come i rilevatori di fumo per formare una rete. © Fraunhofer IPM

Principio di funzionamento del sensore ad ultrasuoni: la luce LED genera un'onda sonora nel gas. Se l'idrogeno entra nel contenitore, si verifica uno spostamento di risonanza. Un microfono MEMS registra questo spostamento di risonanza. © Fraunhofer IPM / Come funziona il sensore ad ultrasuoni: la luce LED genera onde sonore nel gas. Se l'idrogeno entra nel contenitore, la risonanza cambia. Un microfono MEMS registra lo spostamento. © Fraunhofer IPM

L'idrogeno può essere immagazzinato e trasportato sotto forma di ammoniaca (NH3). Lo spettrometro laser del Fraunhofer IPM misura e valuta una linea di assorbimento dell'ammoniaca e visualizza la concentrazione su un display. © Fraunhofer IPM / L'idrogeno può essere immagazzinato e trasportato sotto forma di ammoniaca (NH3). Lo spettrometro laser del Fraunhofer IPM misura e valuta una linea di assorbimento dell'ammoniaca. Il sistema mostra quindi il risultato su un display. © Fraunhofer IPM

Ricercatori del Fraunhofer IPM hanno sviluppato sistemi di sensori e strumenti di misurazione che individuano perdite in tubazioni o serbatoi di idrogeno. Ciò permette di monitorare costantemente i trasporti di idrogeno o gli impianti nell'industria chimica. I ricercatori utilizzano diverse tecnologie di sensori per poter coprire il maggior numero possibile di scenari futuri della economia dell'idrogeno con sistemi di sicurezza.

Per la costruzione dell'infrastruttura dell'idrogeno, la sicurezza delle condotte, degli accumulatori e delle connessioni è di fondamentale importanza. Infatti, il gas invisibile e inodore è facilmente infiammabile ed esplosivo. L'Istituto Fraunhofer per la Misurazione Fisica IPM di Friburgo ha sviluppato sistemi di sensori e di misurazione che riconoscono in modo affidabile anche le più piccole quantità di idrogeno. Con questi strumenti è possibile individuare rapidamente perdite di ogni tipo. I lavori di ricerca sono stati parte del progetto di linea TransHyDE del Ministero federale dell'istruzione e della ricerca, in collaborazione con il soggetto attuatore Jülich (PTJ). Qui, partner provenienti dal mondo della scienza e dell'industria sviluppano soluzioni per il trasporto e l'immagazzinamento del gas. La Dr.ssa Carolin Pannek e il team del Fraunhofer IPM hanno guidato il sotto-progetto Infrastruttura Sicura.

Poiché l'idrogeno viene utilizzato in scenari e applicazioni molto diversi, i ricercatori del Fraunhofer hanno sviluppato tre sistemi di sensori differenti.

Sensore ad ultrasuoni con effetto fotoacustico

La luce può stimolare il gas a vibrare e quindi generare un'onda sonora. Questo effetto fotoacustico viene sfruttato dai ricercatori per il loro sensore ad ultrasuoni. Una sorgente luminosa emette nel dispositivo e genera nel gas un'onda sonora risonante con una frequenza nell'intervallo degli ultrasuoni. Quando una membrana permette all'idrogeno di entrare nel contenitore, si verifica uno spostamento di risonanza, cioè un cambiamento nel tono. Il tono modificato viene rilevato da microfoni MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). In questo modo, è possibile rilevare ad esempio l'idrogeno che fuoriesce da serbatoi o condotte. »Il sensore potrebbe essere utilizzato per verificare contenitori, tubazioni o raccordi. Sarebbe anche possibile distribuire più dispositivi, simili a rilevatori di fumo, in una stanza e collegarli in una rete di sensori«, spiega Pannek.

Ma il sensore ad ultrasuoni può fare anche di più. Funziona con una precisione tale da rilevare anche se nel gas sono presenti molecole di altre sostanze, cioè se è leggermente inquinato. Le celle a combustibile, ad esempio quelle che producono energia nei camion, richiedono idrogeno di altissima purezza. Minime impurità potrebbero danneggiare le membrane sensibili. Qui, il sensore verifica se l'idrogeno è veramente puro.

Spectrometro laser

Un'alternativa alla complessa conservazione dell'idrogeno come gas in contenitori ad alta pressione o a -253 °C come liquido in criotank è l'uso dell'ammoniaca (NH3) come matrice portante. La conservazione e il trasporto sono molto più semplici. Tuttavia, poiché l'ammoniaca è estremamente tossica, le perdite devono essere scoperte rapidamente e in modo affidabile. Per la rilevazione a distanza dell'ammoniaca, il Fraunhofer IPM ha sviluppato uno spettrometro laser. Assorbe le lunghezze d'onda dell'ammoniaca, reagisce immediatamente e mostra il risultato su uno schermo. »Gli esperti possono tenere in mano il dispositivo compatto e verificare tubazioni o serbatoi a distanza di sicurezza fino a 50 metri. Montato su robot o droni, controlla impianti industriali o sorvola le condotte«, afferma la responsabile del progetto Fraunhofer Pannek.

Spektroscopio Raman

Il terzo sistema di misurazione è un'evoluzione della spettroscopia Raman. Lo spostamento Raman – chiamato così in onore di un fisico indiano – si verifica attraverso l'interazione tra luce e materia. La luce riflessa dalla materia ha una lunghezza d'onda diversa rispetto alla luce incidente. Ogni materia così riceve un'impronta spettrale unica.

Il Fraunhofer IPM ha anni di esperienza nella progettazione e nell'installazione di sistemi Raman. Per il progetto TransHyDE, i ricercatori hanno sviluppato un sensore Raman basato su filtri, che riconosce selettivamente l'idrogeno in ambienti complessi. Il dispositivo funziona con componenti a basso costo, come una telecamera CMOS economica (Complementary Metal Oxide Semiconductor), ed è mobile, potendo quindi fungere da stazione di verifica flessibile per la quantificazione dell'idrogeno. Il sistema viene utilizzato, ad esempio, nel settore energetico per la produzione di idrogeno.

Flessibile, consulenza per progetti sull'idrogeno

Tutti i sistemi di sensori sono progettati in modo flessibile, in modo da poter essere adattati a scenari molto diversi. Se necessario, gli esperti del Fraunhofer offrono consulenza ai clienti industriali, ai fornitori di energia o agli operatori di progetti sull'idrogeno, per domande relative all'uso sicuro. La responsabile del progetto Pannek è convinta: »Il via libera per l'espansione dell'economia dell'idrogeno può essere dato.«