Sensori per l'uso sicuro dell'idrogeno
"Il segnale di partenza per l'espansione dell'economia dell'idrogeno può essere dato"
I ricercatori del Fraunhofer hanno sviluppato sistemi di sensori e dispositivi di misurazione che rilevano le perdite nelle tubature o nei serbatoi di idrogeno. Questi possono essere utilizzati anche per monitorare continuamente i trasporti di idrogeno o gli impianti dell'industria chimica. I ricercatori stanno utilizzando diverse tecnologie di sensori per poter fornire tecnologie di sicurezza per il maggior numero possibile di scenari della futura economia dell'idrogeno.
La sicurezza delle condutture, degli impianti di stoccaggio e dei punti di connessione è di fondamentale importanza per lo sviluppo dell'infrastruttura dell'idrogeno. Questo perché il gas invisibile e inodore è altamente infiammabile ed esplosivo. L'Istituto Fraunhofer per le tecniche di misurazione fisica IPM di Friburgo ha sviluppato sensori e sistemi di misurazione che rilevano in modo affidabile anche le più piccole quantità di idrogeno. In questo modo è possibile individuare rapidamente perdite di ogni tipo.
Il lavoro di ricerca faceva parte del progetto TransHyDE per l'idrogeno del Ministero Federale dell'Istruzione e della Ricerca insieme alla Project Management Organisation Jülich (PTJ). Qui, i partner del mondo scientifico e industriale stanno sviluppando soluzioni per il trasporto e lo stoccaggio del gas. La dottoressa Carolin Pannek e il team del Fraunhofer IPM hanno guidato il sottoprogetto Infrastruttura sicura.
Poiché l'idrogeno viene utilizzato in scenari e applicazioni molto diversi, i ricercatori del Fraunhofer hanno sviluppato tre diversi sistemi di sensori.
Sensore a ultrasuoni con effetto fotoacustico
La luce può far vibrare il gas e quindi generare un'onda sonora. I ricercatori sfruttano questo effetto fotoacustico per il loro sensore a ultrasuoni. Una sorgente di luce irradia il dispositivo e genera un'onda sonora risonante nel gas con una frequenza nella gamma degli ultrasuoni. Quando l'idrogeno entra nell'alloggiamento attraverso una membrana, si verifica uno spostamento della risonanza, ossia una variazione del suono. Il suono alterato viene registrato dai microfoni MEMS (MEMS, sistemi microelettromeccanici). In questo modo è possibile rilevare, ad esempio, la fuoriuscita di idrogeno da serbatoi o tubature. "Il sensore potrebbe essere utilizzato per controllare contenitori, tubi o connettori. Si potrebbe anche distribuire diversi dispositivi in una stanza in modo simile ai rilevatori di fumo e collegarli tra loro per formare una rete di sensori", spiega Pannek.
Ma il sensore a ultrasuoni può fare ancora di più. Funziona in modo così preciso da registrare anche la presenza di molecole di altre sostanze nell'idrogeno, cioè se è minimamente contaminato. Le celle a combustibile che generano elettricità nei camion, ad esempio, richiedono idrogeno di elevata purezza. Le più piccole impurità potrebbero danneggiare le delicate membrane. È qui che il sensore controlla se l'idrogeno è davvero puro.
Spettrometro laser
Un'alternativa al costoso stoccaggio dell'idrogeno come gas in contenitori ad alta pressione o come liquido a meno 253 °C in serbatoi criogenici è l'uso dell'ammoniaca (NH3) come matrice di trasporto. Lo stoccaggio e il trasporto sono quindi molto più semplici. Tuttavia, poiché l'ammoniaca è estremamente tossica, le perdite devono essere rilevate in modo rapido e affidabile. Il Fraunhofer IPM ha sviluppato uno spettrometro laser per il rilevamento a distanza dell'ammoniaca. Assorbe la lunghezza d'onda dell'ammoniaca, reagisce immediatamente e mostra il risultato su un display. "Gli specialisti possono tenere in mano il dispositivo compatto e ispezionare tubi o serbatoi da una distanza di sicurezza fino a 50 metri. Montato su robot o droni, ispeziona gli impianti industriali o sorvola le condutture", spiega Pannek, responsabile del progetto Fraunhofer.
Spettroscopia Raman
Il terzo sistema di misurazione è un ulteriore sviluppo della spettroscopia Raman. Lo spostamento Raman - che prende il nome da un fisico indiano - è causato dall'interazione tra luce e materia. La luce riflessa dalla materia ha una lunghezza d'onda diversa da quella della luce incidente. Ciò conferisce a ogni materiale un'impronta digitale spettroscopica.
Il Fraunhofer IPM ha molti anni di esperienza nella progettazione e costruzione di sistemi Raman. Per il progetto TransHyDE, i ricercatori hanno sviluppato un sensore Raman basato su filtri che riconosce selettivamente l'idrogeno in mezzi complessi. Il dispositivo funziona con componenti a basso costo, come una fotocamera CMOS (semiconduttore complementare a ossidi metallici), è mobile e può quindi servire come stazione di prova flessibile per quantificare l'idrogeno. Il sistema viene utilizzato, ad esempio, nell'industria energetica per la produzione di idrogeno.
Uso flessibile, consulenza per progetti sull'idrogeno
Tutti i sistemi di sensori sono progettati per essere così flessibili da poter essere personalizzati per scenari molto diversi. Se necessario, gli esperti Fraunhofer possono fornire consulenza ai clienti industriali, ai fornitori di energia o agli operatori di progetti sull'idrogeno su questioni relative alla sicurezza d'uso. L'esperto del Fraunhofer Pannek è convinto: "È possibile dare il segnale di partenza per l'espansione dell'economia dell'idrogeno".
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