Sensores para a utilização segura do hidrogénio
"O sinal de partida para a expansão da economia do hidrogénio pode ser dado"
Os investigadores do Fraunhofer desenvolveram sistemas de sensores e dispositivos de medição que detectam fugas em tubos ou tanques de hidrogénio. Isto também pode ser utilizado para monitorizar continuamente os transportes de hidrogénio ou as instalações da indústria química. Os investigadores estão a utilizar várias tecnologias de sensores para poderem fornecer tecnologia de segurança para o maior número possível de cenários da futura economia do hidrogénio.
A segurança das condutas, das instalações de armazenamento e dos pontos de ligação é de importância crucial para o desenvolvimento da infraestrutura do hidrogénio. Isto porque o gás invisível e inodoro é altamente inflamável e explosivo. O Instituto Fraunhofer de Técnicas de Medição Física IPM, em Freiburg, desenvolveu sistemas de sensores e de medição que detectam de forma fiável até as mais pequenas quantidades de hidrogénio. As fugas de todo o tipo podem assim ser detectadas rapidamente.
O trabalho de investigação fez parte do projeto líder de hidrogénio TransHyDE do Ministério Federal da Educação e Investigação, juntamente com a Organização de Gestão de Projectos de Jülich (PTJ). Aqui, parceiros da ciência e da indústria estão a desenvolver soluções para o transporte e armazenamento do gás. A Dra. Carolin Pannek e a equipa do Fraunhofer IPM lideraram o subprojecto "Infraestrutura Segura".
Como o hidrogénio é utilizado em cenários e aplicações muito diferentes, os investigadores do Fraunhofer desenvolveram três sistemas de sensores diferentes.
Sensor ultrassónico com efeito fotoacústico
A luz pode excitar o gás a vibrar e, assim, gerar uma onda sonora. Os investigadores utilizam este efeito fotoacústico para o seu sensor ultrassónico. Uma fonte de luz incide no dispositivo e gera uma onda sonora ressonante no gás com uma frequência na gama dos ultra-sons. Quando o hidrogénio entra no invólucro através de uma membrana, há uma mudança de ressonância, ou seja, uma alteração no som. O som alterado é registado pelos microfones MEMS (MEMS, sistemas microelectromecânicos). Desta forma, é possível detetar, por exemplo, a fuga de hidrogénio de reservatórios ou tubagens. "O sensor pode ser utilizado para verificar contentores, tubos ou conectores. Também seria concebível distribuir vários dispositivos numa sala, de forma semelhante aos detectores de fumo, e ligá-los entre si para formar uma rede de sensores", explica Pannek.
Mas o sensor ultrassónico pode fazer ainda mais. Funciona com tanta precisão que até regista se existem moléculas de outras substâncias no hidrogénio, ou seja, se este está minimamente contaminado. As células de combustível que geram eletricidade em camiões, por exemplo, requerem hidrogénio de alta pureza. As mais pequenas impurezas podem danificar as membranas sensíveis. É aqui que o sensor verifica se o hidrogénio é realmente puro.
Espectrómetro laser
Uma alternativa ao dispendioso armazenamento de hidrogénio como gás em contentores de alta pressão ou como líquido a 253 °C negativos em tanques criogénicos é a utilização de amoníaco (NH3) como matriz de transporte. O armazenamento e o transporte são assim muito mais fáceis. No entanto, como o amoníaco é extremamente tóxico, as fugas devem ser detectadas rapidamente e de forma fiável. O Fraunhofer IPM desenvolveu um espetrómetro laser para a deteção remota de amoníaco. Este absorve o comprimento de onda do amoníaco, reage imediatamente e mostra o resultado num visor. "Os especialistas podem segurar o dispositivo compacto na mão e inspecionar tubagens ou tanques a uma distância segura de até 50 metros. Montado em robôs ou drones, inspecciona instalações industriais ou sobrevoa condutas", diz Pannek, gestor de projeto da Fraunhofer.
Espectroscopia Raman
O terceiro sistema de medição é um desenvolvimento da espetroscopia Raman. O desvio Raman - nome de um físico indiano - é causado pela interação entre a luz e a matéria. A luz reflectida pela matéria tem um comprimento de onda diferente do da luz incidente. Isto dá a cada material uma impressão digital espectroscópica.
O Fraunhofer IPM tem muitos anos de experiência na conceção e construção de sistemas Raman. Para o projeto TransHyDE, os investigadores desenvolveram um sensor Raman baseado em filtros que reconhece seletivamente o hidrogénio em meios complexos. O dispositivo funciona com componentes de baixo custo, como uma câmara CMOS (complementary metal oxide semiconductor) barata, é móvel e pode, portanto, servir como uma estação de teste flexível para quantificar o hidrogénio. O sistema é utilizado, por exemplo, na indústria energética para a produção de hidrogénio.
Utilização flexível, consultoria para projectos de hidrogénio
Todos os sistemas de sensores foram concebidos para serem tão flexíveis que podem ser adaptados a cenários muito diferentes. Se necessário, os especialistas da Fraunhofer podem aconselhar clientes industriais, fornecedores de energia ou operadores de projectos de hidrogénio sobre questões relacionadas com a utilização segura. O especialista da Fraunhofer, Pannek, está convencido: "O sinal de partida para a expansão da economia do hidrogénio pode ser dado".
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