Sensorika do bezpiecznego stosowania wodoru

Za pomocą czujnika ultradźwiękowego można nadzorować zbiorniki, rurociągi lub złączki wodoru. Podobnie jak czujniki dymu, mogą być rozmieszczone w pomieszczeniu i połączone w sieć sensorów. © Fraunhofer IPM / Czujnik ultradźwiękowy może być używany do monitorowania zbiorników, rurociągów lub złączek wodoru. Czujniki te mogą być również rozmieszczone w pomieszczeniu jak czujniki dymu, tworząc sieć. © Fraunhofer IPM

Zasada działania czujnika ultradźwiękowego: światło LED generuje fale dźwiękowe w gazie. Jeśli do obudowy dostanie się wodór, dochodzi do przesunięcia rezonansu. Mikrofon MEMS rejestruje to przesunięcie rezonansu. © Fraunhofer IPM / Jak działa czujnik ultradźwiękowy: światło LED generuje fale dźwiękowe w gazie. Jeśli do pojemnika dostanie się wodór, zmienia się rezonans. Mikrofon MEMS rejestruje to przesunięcie. © Fraunhofer IPM

Wodór może być przechowywany i transportowany w postaci amoniaku (NH3). Spektrometr laserowy z Fraunhofer IPM mierzy i ocenia linię absorpcji amoniaku oraz wyświetla wynik na ekranie. © Fraunhofer IPM / Wodór może być przechowywany i transportowany w formie amoniaku (NH3). Spektrometr laserowy z Fraunhofer IPM mierzy i ocenia linię absorpcji amoniaku. System następnie wyświetla wynik na ekranie. © Fraunhofer IPM

Naukowcy z Fraunhofer IPM opracowali systemy sensorowe i urządzenia pomiarowe, które wykrywają wycieki w liniach wodoru lub zbiornikach. Dzięki temu możliwa jest ciągła kontrola transportu wodoru lub instalacji w przemyśle chemicznym. Badacze korzystają z różnych technologii sensorowych, aby jak najpełniej zabezpieczyć przyszłe scenariusze gospodarki wodorem za pomocą technologii bezpieczeństwa.

W budowie infrastruktury wodoru kluczowe znaczenie ma bezpieczeństwo rurociągów, magazynów i punktów podłączeniowych. Ponieważ niewidzialny i bezwonny gaz jest łatwopalny i wybuchowy, konieczne jest jego szybkie wykrywanie. Instytut Fraunhofer IPM w Freiburgu opracował systemy sensorowe i pomiarowe, które niezawodnie wykrywają nawet najmniejsze ilości wodoru. W ten sposób można szybko wykryć wycieki każdego rodzaju. Prace badawcze były częścią projektu głównego dotyczącego wodoru TransHyDE realizowanego przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań wspólnie z projektodawcą Jülich (PTJ). Partnerzy z nauki i przemysłu opracowują rozwiązania dla transportu i magazynowania tego gazu. Dr Carolin Pannek i zespół z Fraunhofer IPM kierowali podprojektem Bezpieczna Infrastruktura.

Ponieważ wodór jest wykorzystywany w różnych scenariuszach i zastosowaniach, naukowcy z Fraunhofer opracowali trzy różne systemy sensorowe.

Sensory ultradźwiękowe z efektem fotoakustycznym

Światło może pobudzać gaz do drgań, co powoduje wytwarzanie fali dźwiękowej. Ten efekt fotoakustyczny wykorzystują naukowcy w swoim sensorze ultradźwiękowym. Źródło światła emituje wiązkę do urządzenia, wywołując rezonansową falę dźwiękową w gazie o częstotliwości ultradźwiękowej. Gdy przez membranę do urządzenia dostanie się wodór, dochodzi do przesunięcia rezonansowego, czyli zmiany tonu. Zmieniony ton jest rejestrowany przez mikrofony MEMS (mikroelektromechaniczne systemy). W ten sposób można wykryć na przykład wycieki wodoru z zbiorników lub rurociągów. „Sensor mógłby służyć do sprawdzania pojemników, rurociągów lub elementów połączeniowych. Można też rozważyć rozmieszczenie kilku urządzeń podobnie jak czujników dymu w pomieszczeniu i połączenie ich w sieć sensorową”, wyjaśnia Pannek.

Ale sensor ultradźwiękowy potrafi więcej. Działa tak precyzyjnie, że wykrywa nawet obecność cząsteczek innych substancji w wodoru, czyli minimalne zanieczyszczenia. Panele paliwowe, które na przykład w ciężarówkach generują prąd, potrzebują wysokiej czystości wodoru. Najdrobniejsze zanieczyszczenia mogą uszkodzić wrażliwe membrany. Tu sensor sprawdza, czy wodór jest naprawdę czysty.

Spektrometr laserowy

Alternatywą dla kosztownej magazynowania wodoru jako gazu w wysokociśnieniowych zbiornikach lub w postaci cieczy w kriotankach w temperaturze minus 253°C jest użycie amoniaku (NH3) jako nośnika. Magazynowanie i transport są wtedy znacznie prostsze. Jednak ze względu na ekstremalną toksyczność amoniaku, wycieki muszą być szybko i niezawodnie wykrywane. W tym celu Fraunhofer IPM opracował spektrometr laserowy do zdalnego wykrywania amoniaku. Absorbuje on długości fal amoniaku, reaguje natychmiast i wyświetla wynik na ekranie. „Specjaliści mogą trzymać to kompaktowe urządzenie w ręku i sprawdzać rurociągi lub zbiorniki z bezpiecznej odległości do 50 metrów. Montowane na robotach lub dronach, sprawdzają instalacje przemysłowe lub przemieszczają się nad rurociągami”, mówi kierowniczka projektu Fraunhofer Pannek.

Spektroskopia Ramana

Trzecim systemem pomiarowym jest rozwinięcie spektroskopii Ramana. Przesunięcie Ramana – nazwane na cześć indyjskiego fizyka – powstaje na skutek oddziaływania światła z materią. Światło odbite od materii ma inną długość fali niż światło padające. W ten sposób każda materia otrzymuje swój spektroskopowy odcisk palca.

Fraunhofer IPM ma wieloletnie doświadczenie w projektowaniu i budowie systemów Ramana. Na potrzeby projektu TransHyDE naukowcy opracowali sensor Ramana oparty na filtrach, który selektywnie wykrywa wodór w skomplikowanych mediach. Urządzenie działa z tanimi komponentami, takimi jak niedroga kamera CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), jest przenośne i może służyć jako elastyczna stacja kontrolna do ilościowego oznaczania wodoru. System jest wykorzystywany na przykład w energetyce przy produkcji wodoru.

Elastyczność i doradztwo w projektach związanych z wodorem

Wszystkie systemy sensorowe są tak zaprojektowane, aby można je było dostosować do bardzo różnych scenariuszy. W razie potrzeby eksperci z Fraunhofer doradzają klientom przemysłowym, dostawcom energii lub operatorom projektów związanych z wodorem w kwestiach bezpieczeństwa. Ekspertka Fraunhofer Pannek jest przekonana: „Można rozpocząć rozwój gospodarki wodorem”.