Sensoriek voor het veilige gebruik van waterstof

Met de ultrasone sensor kunnen waterstof tanks, leidingen of verbindingselementen worden bewaakt. Net als rookmelders kunnen ze verspreid in de ruimte worden geplaatst om een sensornetwerk te vormen. © Fraunhofer IPM / De ultrasone sensor kan worden gebruikt om waterstof tanks, leidingen of verbindingselementen te bewaken. De sensoren kunnen ook rond een kamer worden geplaatst, vergelijkbaar met rookmelders, om een netwerk te vormen. © Fraunhofer IPM

Werking van de ultrasone sensor: Het LED-licht genereert ultrasone golven in het gas. Als waterstof in de behuizing komt, verschuift de resonantie. Een MEMS-microfoon registreert deze resonantieverschuiving. © Fraunhofer IPM / Hoe de ultrasone sensor werkt: Het LED-licht genereert geluidsgolven in het gas. Als waterstof de container binnengaat, verandert de resonantie. Een MEMS-microfoon registreert de verschuiving. © Fraunhofer IPM

Waterstof kan worden opgeslagen en getransporteerd in de vorm van ammoniak (NH3). Het laserspectrometer van Fraunhofer IPM meet en evalueert een absorptielijn van ammoniak en toont de concentratie op een display. © Fraunhofer IPM / Waterstof kan worden opgeslagen en getransporteerd in de vorm van ammoniak (NH3). Het laserspectrometer van Fraunhofer IPM meet en evalueert een absorptielijn van ammoniak. Het systeem toont vervolgens het resultaat op een display. © Fraunhofer IPM

Onderzoekers van het Fraunhofer IPM hebben sensorsystemen en meetinstrumenten ontwikkeld die lekken in waterstofleidingen of tanks opsporen. Hiermee kunnen waterstoftransporten of installaties in de chemische industrie continu worden bewaakt. De onderzoekers maken gebruik van meerdere sensortechnologieën om zoveel mogelijk scenario's van de toekomstige waterstofeconomie met beveiligingstechnologie te kunnen voorzien.

Voor de opbouw van de waterstofinfrastructuur is de veiligheid van leidingen, opslag en aansluitpunten van cruciaal belang. Want het onzichtbare en geurloze gas is gemakkelijk brandbaar en explosief. Het Fraunhofer-instituut voor fysische meettechniek IPM in Freiburg heeft sensorsystemen en meetinstrumenten ontwikkeld die zelfs de kleinste hoeveelheden waterstof betrouwbaar detecteren. Lekken van allerlei aard kunnen hiermee snel worden opgespoord. Het onderzoek was onderdeel van het waterstofleidproject TransHyDE van het Bundesministerium für Bildung und Forschung, samen met de projectuitvoerder Jülich (PTJ). Hier ontwikkelen partners uit wetenschap en industrie oplossingen voor het transport en de opslag van het gas. Dr. Carolin Pannek en het team van het Fraunhofer IPM leidden het deelproject Veilige infrastructuur.

Aangezien waterstof in zeer verschillende scenario's en toepassingen wordt gebruikt, hebben de onderzoekers van het Fraunhofer drie verschillende sensorsystemen ontwikkeld.

Ultrasoonsensor met fotoakoestisch effect

Licht kan gas laten trillen en daardoor een geluidsgolf genereren. Dit fotoakoestische effect wordt door de onderzoekers gebruikt voor hun ultrasoonsensor. Een lichtbron straalt in het apparaat en veroorzaakt een resonante geluidsgolf in het gas met een frequentie in het ultrasone bereik. Wanneer door een membraan waterstof in de behuizing terechtkomt, ontstaat er een resonantieverandering, dus een verandering in de toon. De gewijzigde toon wordt geregistreerd door MEMS-microfoons (MEMS, micro-elektromechanische systemen). Op deze manier kan bijvoorbeeld waterstof dat uit tanks of leidingen lekt, worden gedetecteerd. "De sensor zou kunnen worden gebruikt om containers, leidingen of verbindingselementen te controleren. Het is ook denkbaar om meerdere apparaten, vergelijkbaar met rookmelders, in een ruimte te verspreiden en te koppelen tot een sensornetwerk," legt Pannek uit.

Maar de ultrasoonsensor kan nog meer. Hij werkt zo nauwkeurig dat hij zelfs registreert wanneer zich moleculen van andere stoffen in het waterstof bevinden, dus wanneer het minimaal vervuild is. Brandstofcellen die bijvoorbeeld stroom genereren in vrachtwagens, vereisen hoogwaardig zuivere waterstof. Kleinste verontreinigingen kunnen de gevoelige membranen beschadigen. Hier controleert de sensor of de waterstof echt zuiver is.

Laserspectrometer

Een alternatief voor de uitgebreide opslag van waterstof als gas in hogedrukvaten of bij min 253 °C als vloeistof in cryotanks, is het gebruik van ammoniak (NH3) als drager. Opslag en transport zijn dan veel eenvoudiger. Omdat ammoniak echter uiterst giftig is, moeten lekken snel en betrouwbaar worden opgespoord. Voor de detectie op afstand van ammoniak heeft het Fraunhofer IPM een laserspectrometer ontwikkeld. Het absorbeert de golflengte van ammoniak, reageert daarom onmiddellijk en toont het resultaat op een display. "Vakbekwame personen kunnen het compacte apparaat in de hand houden en zo leidingen of tanks controleren op een veilige afstand tot 50 meter. Op robots of drones gemonteerd, controleert het industriële installaties of vliegt het over pijpleidingen," zegt Fraunhofer-projectleider Pannek.

Raman-spectroscopie

Het derde meetsysteem is een verdere ontwikkeling van de Raman-spectroscopie. De Raman-verschuiving – genoemd naar een Indiase natuurkundige – ontstaat door de interactie tussen licht en materie. Het door de materie gereflecteerde licht heeft een andere golflengte dan het ingestralen licht. Hierdoor krijgt elke materie een spectroscopische vingerafdruk.

Het Fraunhofer IPM heeft jarenlange ervaring in het ontwerpen en opbouwen van Raman-systemen. Voor het project TransHyDE hebben de onderzoekers een filtergebaseerde Raman-sensor ontwikkeld die selectief waterstof detecteert in complexe media. Het apparaat werkt met goedkope componenten zoals een betaalbare CMOS-camera (Complementary Metal Oxide Semiconductor), is mobiel en kan zo dienen als een flexibele teststation voor de kwantificering van waterstof. Het systeem wordt bijvoorbeeld ingezet in de energiesector bij de productie van waterstof.

Flexibel inzetbaar, advies voor waterstofprojecten

Alle sensorsystemen zijn zo ontworpen dat ze voor zeer verschillende scenario's kunnen worden aangepast. Indien nodig adviseren de experts van het Fraunhofer-industrieklanten, energieleveranciers of exploitanten van waterstofprojecten over vragen met betrekking tot veilig gebruik. Fraunhofer-expert Pannek is ervan overtuigd: "De startschot voor de uitbreiding van de waterstofeconomie kan worden gegeven."