Sensores para un uso seguro del hidrógeno
"La expansión de la economía del hidrógeno puede empezar ya"
Investigadores del Instituto Fraunhofer han desarrollado sistemas de sensores y equipos de medición que detectan fugas en conductos y depósitos de hidrógeno. Las aplicaciones de la nueva tecnología incluyen la vigilancia continua de los envíos de hidrógeno y de las instalaciones de la industria química. Los investigadores utilizan múltiples tecnologías de sensores para proporcionar equipos de seguridad que cubran el mayor número posible de escenarios de la futura economía del hidrógeno.
A la hora de construir infraestructuras de hidrógeno, la seguridad de las tuberías, depósitos y conectores es crucial, ya que el gas, invisible e inodoro, es altamente inflamable y explosivo. El Instituto Fraunhofer de Técnicas de Medición Física IPM de Friburgo ha desarrollado sensores y sistemas de medición que detectan con fiabilidad hasta la más mínima cantidad de hidrógeno. Esto permite detectar rápida y fácilmente fugas de todo tipo.
El trabajo de investigación se enmarca en el proyecto emblemático sobre hidrógeno TransHyDE, puesto en marcha por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF) y la organización de gestión de proyectos Projektträger Jülich (PtJ). Socios del sector de la investigación y la industria colaboran en el proyecto para desarrollar soluciones de transporte y almacenamiento de hidrógeno gaseoso. La Dra. Carolin Pannek y el equipo de Fraunhofer IPM se encargaron del subproyecto sobre infraestructuras seguras.
El hidrógeno se utiliza en una amplia gama de escenarios y aplicaciones diferentes, por lo que los investigadores del Fraunhofer desarrollaron tres sistemas de sensores diferentes.
Sensor ultrasónico con efecto fotoacústico
La luz puede hacer vibrar un gas, generando así ondas sonoras. Los investigadores utilizan este efecto fotoacústico para su sensor ultrasónico. En esta tecnología, la luz se irradia al dispositivo desde una fuente luminosa, generando ondas sonoras resonantes en el gas a una frecuencia en el rango de los ultrasonidos. Cuando el hidrógeno entra en el recipiente a través de una membrana, se produce un cambio en la resonancia, que modifica el tono. Los micrófonos MEMS (sistemas microelectromecánicos) registran el cambio de tono. Este método puede utilizarse para detectar fugas de hidrógeno en depósitos o tuberías, por ejemplo. "Este sensor podría utilizarse para comprobar contenedores, tuberías o conectores. También sería posible colocar varios dispositivos alrededor de una habitación, como detectores de humo, y combinarlos en una red de sensores", explica Pannek, director del proyecto en Fraunhofer.
Pero el sensor ultrasónico puede hacer aún más. Es tan exacto y preciso que incluso registra la presencia de moléculas de otras sustancias en el hidrógeno como niveles mínimos de contaminación. Las pilas de combustible, como las que se utilizan para generar electricidad en los camiones, requieren hidrógeno de gran pureza. La más mínima contaminación podría dañar las sensibles membranas. El sensor puede utilizarse en estas aplicaciones para comprobar si el hidrógeno es realmente puro.
Espectrómetro láser
Una alternativa al laborioso almacenamiento de hidrógeno en tanques de alta presión en forma gaseosa o a 253 grados Celsius negativos en criotanques en forma líquida es el uso de amoníaco (NH3) como matriz portadora. Este método simplifica considerablemente tanto el almacenamiento como el transporte. Pero como el amoníaco es muy tóxico, es vital una detección de fugas rápida y fiable. Fraunhofer IPM ha desarrollado un espectrómetro láser para la detección remota de amoníaco. Absorbe la longitud de onda del amoníaco, por lo que reacciona inmediatamente. A continuación, el sistema muestra el resultado en una pantalla. "Los especialistas pueden sostener nuestro dispositivo compacto en la mano para comprobar tuberías o depósitos desde una distancia segura de hasta 50 metros. Montado en un robot o un dron, puede utilizarse para inspeccionar instalaciones industriales o sobrevolar tuberías", explica Pannek.
Espectroscopia Raman
El tercer sistema de medición se basa en el principio de la espectroscopia Raman. El efecto Raman, que debe su nombre al científico C. V. Raman, se produce por la interacción entre la luz y la materia. La luz reflejada en la materia tiene una longitud de onda diferente de la luz emitida en la fuente. Esto significa que cada tipo de materia tiene su propia "huella dactilar" espectroscópica.
Fraunhofer IPM cuenta con años de experiencia en el diseño y configuración de sistemas Raman. Para el proyecto TransHyDE, los investigadores desarrollaron un sensor Raman basado en filtros que detecta selectivamente el hidrógeno en medios complejos. El dispositivo funciona con componentes de bajo coste, incluida una cámara CMOS económica, y además es portátil, por lo que puede utilizarse como estación de pruebas móvil para cuantificar el hidrógeno. El sistema se utiliza en aplicaciones como la producción de hidrógeno en el sector energético.
Sistemas versátiles, asesoramiento en proyectos de hidrógeno
Todos los sistemas de sensores están diseñados para ser versátiles, de modo que puedan adaptarse a una amplia gama de escenarios diferentes. Los expertos de Fraunhofer intervienen cuando es necesario para asesorar a clientes industriales, proveedores de energía y operadores de proyectos de hidrógeno sobre todo tipo de cuestiones relacionadas con el uso seguro. Pannek cree firmemente en el futuro del hidrógeno: "La expansión de la economía del hidrógeno puede empezar ahora".
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