Исследователи Fraunhofer разработали сенсорные системы и измерительное оборудование, которые обнаруживают утечки в водородных линиях и резервуарах. Приложения для новой технологии включают непрерывный мониторинг поставок водорода и объектов в химической промышленности. Исследователи используют несколько сенсорных технологий для обеспечения безопасности оборудования, охватывающего как можно больше сценариев будущей водородной экономики.
Когда речь идет о строительстве водородной инфраструктуры, безопасность трубопроводов, резервуаров и соединителей имеет решающее значение, поскольку невидимый, не имеющий запаха газ легко воспламеняется и взрывоопасен. Институт физических измерительных технологий Фраунгофера IPM во Фрайбурге разработал сенсорные и измерительные системы, которые надежно обнаруживают даже самое незначительное количество водорода. Это позволяет быстро и легко обнаруживать утечки всех видов.
Исследовательская работа была частью флагманского проекта по водороду TransHyDE, инициированного Федеральным министерством образования и исследований Германии (BMBF) и организацией по управлению проектами Projektträger Jülich (PtJ). Партнеры из исследовательского сектора и промышленности работают вместе в проекте по разработке решений для транспортировки и хранения газообразного водорода. Доктор Каролин Паннек и команда Fraunhofer IPM отвечали за подпроект по безопасной инфраструктуре.
Водород используется в самых разных сценариях и приложениях, поэтому исследователи Фраунгофера разработали три различные сенсорные системы.
Ультразвуковой датчик с фотоакустическим эффектом
Свет может заставить газ вибрировать, тем самым генерируя звуковые волны. Исследователи используют этот фотоакустический эффект для своего ультразвукового датчика. В этой технологии свет направляется в устройство из источника света, генерируя резонансные звуковые волны в газе на частоте в ультразвуковом диапазоне. Когда водород попадает в контейнер через мембрану, происходит сдвиг резонанса, который изменяет тон. Микрофоны MEMS (микроэлектромеханические системы) регистрируют изменение тона.
Этот метод можно использовать, например, для обнаружения утечки водорода из резервуаров или трубопроводов. «Этот датчик можно использовать для проверки контейнеров, трубопроводов или соединителей. Также можно будет разместить несколько устройств по всему помещению, например, детекторы дыма , и объединить их в сенсорную сеть», — объясняет Паннек, менеджер проекта в Fraunhofer.
Но ультразвуковой датчик может сделать даже больше. Он настолько точен и аккуратен, что даже регистрирует присутствие молекул других веществ в водороде как минимальные уровни загрязнения. Топливные элементы, такие как те, которые используются для выработки электроэнергии в грузовиках, требуют водорода высокой чистоты. Малейшее загрязнение может повредить чувствительные мембраны. Датчик может использоваться в этих приложениях для проверки того, действительно ли водород чистый.
Лазерный спектрометр
Одной из альтернатив трудоемкому хранению водорода в баллонах высокого давления в газообразной форме или при -253°C в криорезервуарах в жидкой форме является использование аммиака (NH3 ) в качестве матрицы-носителя. Этот метод значительно упрощает как хранение, так и транспортировку. Но поскольку аммиак очень токсичен, быстрое и надежное обнаружение утечек имеет жизненно важное значение.
Fraunhofer IPM разработал лазерный спектрометр для дистанционного обнаружения аммиака. Он поглощает длину волны аммиака, поэтому реагирует немедленно. Затем система выводит результат на дисплей. «Специалисты могут держать наше компактное устройство в руке, чтобы проверять трубопроводы или резервуары с безопасного расстояния до 50 метров. Установленное на роботе или беспилотнике, его можно использовать для проверки промышленных объектов или полета над трубопроводами», — говорит Паннек.
Рамановская спектроскопия
Третья система измерения основана на принципе Рамановской спектроскопии. Рамановское рассеяние, названное в честь ученого К. В. Рамана, возникает в результате взаимодействия света и вещества. Свет, отраженный от вещества, имеет другую длину волны, чем свет, испускаемый источником. Это означает, что каждый вид вещества имеет свой собственный спектроскопический «отпечаток пальца».
Fraunhofer IPM имеет многолетний опыт в проектировании и настройке систем Рамана. Для проекта TransHyDE исследователи разработали фильтрующий датчик Рамана, который избирательно обнаруживает водород в сложных средах. Устройство работает с недорогими компонентами, включая недорогую КМОП-камеру, плюс оно портативное, поэтому его можно использовать в качестве мобильной испытательной станции для количественного определения водорода. Система используется в таких областях, как производство водорода в энергетическом секторе.
Все сенсорные системы разработаны так, чтобы быть универсальными, чтобы их можно было адаптировать для широкого спектра различных сценариев. Эксперты Fraunhofer подключаются по мере необходимости, чтобы консультировать промышленных клиентов, поставщиков энергии и операторов водородных проектов по всем видам вопросов, связанных с безопасным использованием. Паннек твердо верит в будущее водорода: «Расширение водородной экономики может начаться уже сейчас».
