Détection de l'hydrogène à l'aide de capteurs à fibres optiques
Potentiel pour une large gamme d'applications
L'hydrogène joue un rôle central dans la politique énergétique et climatique de l'Allemagne. Par rapport à d'autres sources d'énergie gazeuses ou liquides, des exigences particulières en matière de sécurité doivent être prises en compte pour les applications utilisant de l'hydrogène. En effet, outre le risque d'incendie, un mélange air-hydrogène explosif peut, dans certaines conditions, se former à la suite de fuites dans les réservoirs ou les tuyauteries. Afin d'accroître encore les niveaux de sécurité dans le domaine de l'hydrogène, les chercheurs de l'Institut Fraunhofer des télécommunications et de l'Institut Heinrich-Hertz (HHI) travaillent sur des capteurs à fibres optiques capables de détecter l'hydrogène et supérieurs aux capteurs classiques à bien des égards.
Si la concentration d'hydrogène dans l'air dépasse un seuil de quatre pour cent, qui peut être atteint rapidement si la pression est suffisante dans un réservoir d'hydrogène, une seule étincelle suffit à déclencher une explosion.
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Pour atteindre les objectifs climatiques qui ont été fixés et empêcher l'aggravation du réchauffement de la planète, tous les pays doivent réduire le plus rapidement possible la consommation de combustibles fossiles dans leurs budgets de mix énergétique. Les technologies de l'hydrogène font l'objet d'une attention croissante en tant qu'alternative durable, notamment dans les secteurs de la production industrielle et de la mobilité. Partout où l'hydrogène est utilisé, stocké, transporté et transféré, des précautions de sécurité appropriées doivent être prises en compte. Même si l'hydrogène n'est pas toxique, pèse moins que l'air et s'élève donc au sommet, des situations dangereuses peuvent se produire : En effet, si la concentration d'hydrogène dans l'air dépasse un seuil de quatre pour cent, ce qui peut arriver rapidement si la pression est suffisante dans un réservoir d'hydrogène ou si une pièce n'est pas correctement ventilée, une petite source d'inflammation, une simple étincelle, suffit à déclencher une explosion.
Petit, facile à intégrer et sans risque inhérent pour la sécurité
Une approche anticipative est nécessaire pour éviter cela, et le Dr Günter Flachenecker, chercheur principal au Fraunhofer HHI, sait comment s'y prendre. Au département de laboratoire de la branche Fiber Optical Sensor Systems du Fraunhofer HHI à Goslar, le physicien et son équipe recherchent de nouvelles approches technologiques pour détecter l'hydrogène à l'aide de capteurs en fibre de verre : "Les capteurs de sécurité conventionnels disponibles dans le commerce pour détecter l'hydrogène, qui sont généralement des capteurs catalytiques à tonalité thermique ou des cellules électrochimiques, nécessitent une alimentation électrique. Dans le pire des cas, ces deux variantes pourraient agir comme une source d'inflammation et déclencher l'explosion qu'elles sont censées empêcher, si le dispositif ou les lignes d'alimentation électrique présentent un défaut", explique M. Flachenecker. "Nos capteurs à fibre optique ne présentent principalement pas ce risque. En même temps, ils ne nécessitent pas de câblage complexe, sont petits et peuvent être facilement intégrés dans une grande variété de structures dans l'usine ou le véhicule à surveiller."
Les fibres optiques sont pratiquement prédestinées aux applications sensorielles dans un environnement lié à la sécurité, car elles sont robustes et n'ont qu'un petit diamètre d'environ un quart de millimètre. Pour qu'une fibre optique devienne un capteur d'hydrogène, elle doit être modifiée à plusieurs endroits. Pour ce faire, un laser est tout d'abord utilisé pour imprimer certaines structures dans le cœur de la fibre optique, créant ce que l'on appelle un réseau de Bragg de fibre - une modulation périodique de l'indice de réfraction qui garantit la réflexion de la lumière à une certaine longueur d'onde.
Un revêtement fonctionnel spécial est ensuite appliqué autour de la partie sensorielle de la fibre de verre pour s'assurer que la fibre de verre réagit spécifiquement à l'hydrogène : "Nous travaillons avec des couches catalytiques, par exemple du palladium ou des alliages de palladium", explique M. Flachenecker. "Le palladium a la capacité d'absorber l'hydrogène, un peu comme une éponge. Dès que les deux substances se rencontrent, l'hydrogène se désintègre en ses fragments atomiques et les atomes d'hydrogène libérés pénètrent dans le cadre cristallin du palladium. Cela provoque un allongement de la fibre optique, qui peut être mesuré instantanément sous la forme d'une modification des signaux lumineux réfléchis par le réseau de Bragg intégré à la fibre. Dès que la concentration d'hydrogène dans l'air diminue à nouveau, l'hydrogène est libéré du palladium." Cela signifie que le revêtement n'est pas endommagé et que le capteur peut être réutilisé. M. Flachenecker poursuit en soulignant que le processus décrit ici ne fonctionne que parce que les atomes d'hydrogène sont très petits. D'autres substances ne peuvent pas pénétrer la couche de palladium de cette manière.
Un potentiel pour une large gamme d'applications
Ce n'est toutefois pas la seule méthode que les chercheurs ont testée. Par exemple, il est également possible de détecter l'hydrogène avec des fibres de verre dont les revêtements ont été gravés, ou avec une très fine couche de nanoparticules appliquée à la surface de la fibre de verre. "C'est un vaste terrain de jeu, et il y a beaucoup de choses que nous voulons essayer", dit M. Flachenecker. "Il est essentiel que nous trouvions des moyens de détecter l'hydrogène qui soient suffisamment rapides pour éviter les accidents et qui répondent de manière fiable dans la plage de sensibilité requise. À cet égard, nous faisons certainement de bons progrès à l'heure actuelle."
En pratique, par exemple, les nouveaux capteurs à fibre optique pourraient faire partie intégrante des véhicules à hydrogène et être utilisés pour surveiller les stations de ravitaillement en hydrogène, les ateliers de réparation automobile ou les électrolyseurs. Sur la base de cette technologie, il est possible de mettre facilement à l'échelle un réseau de capteurs plus vaste qui surveille l'infrastructure de l'hydrogène en de nombreux points simultanément. L'électronique pour l'enregistrement des données de mesure, par exemple un spectromètre pour l'évaluation optique des capteurs à fibre optique, pourrait être installée dans un endroit sûr à n'importe quelle distance des capteurs. Si une certaine concentration d'hydrogène est dépassée et que le capteur le détecte, le système de gestion des alarmes de l'application concernée est déclenché et des mesures spécifiques, telles qu'un signal d'alerte acoustique, la fermeture de vannes ou l'ouverture de fenêtres, peuvent être prises en quelques secondes.
Le projet de recherche en cours dirigé par Günter Flachenecker est financé par le ministère fédéral allemand de l'économie et de l'action pour le climat et est réalisé en coopération avec une société locale de protection contre les incendies. Il a débuté il y a deux ans et s'achèvera cet été avec la fin d'un essai sur le terrain, au cours duquel des capteurs à fibre optique sont installés dans des camions. Un projet de suivi est prévu, dans le cadre duquel les nouveaux capteurs seront testés de manière encore plus détaillée et d'autres mesures préparatoires seront prises en vue de la certification et de la commercialisation. L'objectif est clair : pouvoir travailler avec l'hydrogène de manière encore plus sûre, sans provoquer d'accident.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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