Perché i sensori di conducibilità termica sono buoni rilevatori di perdite di idrogeno

Dagli autocarri per impieghi gravosi agli autobus e alle automobili, passando per gli aerei e le navi, l'energia generata dall'idrogeno sta guadagnando popolarità nel settore dei trasporti per vari motivi, come le emissioni zero, il rifornimento rapido, la lunga autonomia e l'alta efficienza. Rispetto ai gas serra emessi dai motori a combustione interna convenzionali basati su combustibili fossili, le celle a combustibile derivato dall'idrogeno producono solo vapore acqueo come emissioni di scarico. Sebbene i costi e le infrastrutture rimangano un ostacolo all'adozione, i progressi tecnologici stanno ulteriormente migliorando l'efficienza, mentre la crescente spinta alla decarbonizzazione continua ad attrarre interesse e investimenti nell'idrogeno come alternativa pulita ai combustibili fossili.

Con l'adozione diffusa di mezzi di trasporto alimentati a idrogeno, vi è un'enorme necessità di rilevare le perdite di idrogeno in questi sistemi. Le perdite sono comuni nei sistemi di alimentazione a idrogeno soprattutto perché le molecole di idrogeno sono estremamente piccole e hanno un'elevata diffusività, che consente loro di fuoriuscire attraverso i materiali e le guarnizioni. Inoltre, l'idrogeno può causare infragilimento da idrogeno, un processo per il quale il gas penetra nei materiali, come ad esempio l'acciaio, e li indebolisce nel corso del tempo, creando ulteriori opportunità di perdite. L'idrogeno è anche altamente infiammabile ed è un gas incolore, inodore e insapore che può creare rapidamente situazioni pericolose e rischiose. È pertanto essenziale rilevare istantaneamente le perdite di idrogeno.

Sebbene esistano numerosi metodi per rilevare le perdite di idrogeno, come i sensori elettrochimici e quelli a microsfere catalitiche, il metodo più efficace e accurato è quello dei sensori di rilevamento della conducibilità termica (TCD). Questi funzionano misurando con precisione le proprietà termiche dell'idrogeno quando passa attraverso il sensore, confrontandole con quelle dell'aria.

Caratteristiche principali dei sensori HLD

Le caratteristiche principali che rendono i sensori TCD interessanti per il rilevamento di perdite di gas, in particolare i sensori di perdite di idrogeno (HLD), sono la stabilità in condizioni variabili come urti e vibrazioni, i tempi di risposta rapidi inferiori a 2 secondi, nonché la precisione e la sensibilità elevate. Il sensore HLD-111-111-001 di Honeywell Sensing & Productivity Solutions (Figura 1) implementa algoritmi di compensazione avanzati per rilevare le perdite di idrogeno di piccola entità e fornire soluzioni accurate che non richiedano l'intervento manuale per 10 anni.

Figura 1: Il sensore HLD-111-111-001 di Honeywell utilizza il rilevamento della conducibilità termica per monitorare in modo affidabile e preciso le perdite di idrogeno. (Immagine per gentile concessione di Honeywell Sensing & Productivity Solutions)

Inoltre, i sensori HLD basati su TCD sono meno suscettibili alla contaminazione da sostanze chimiche che potrebbero interferire con altre tecnologie dei sensori. A differenza dei sensori chimici che si degradano con il tempo o dei sensori catalitici che sono suscettibili di avvelenamento da parte di composti come lo zolfo, i sensori HLD non utilizzano materiali reattivi, il che assicura una durata di vita molto più lunga e una maggiore affidabilità.

I sensori TCD hanno inoltre un tempo di avvio inferiore a un secondo e un intervallo di temperatura di funzionamento da -40 a +85 °C.

I principali vantaggi dei sensori TCD come rilevatori di perdite di idrogeno

L'utilizzo di sensori di rilevamento della conducibilità termica per il monitoraggio ai fini del rilevamento di eventuali perdite di idrogeno presenta diversi vantaggi. Oltre a garantire un alto grado di precisione, offrono una lunga vita operativa. I sensori HLD sono stati sviluppati per funzionare fino a 10 anni senza interventi manuali o calibrazioni, riducendo i costi di manutenzione e i tempi di fermo. A differenza di altri sensori di gas, i sensori HLD basati sulla conducibilità termica non richiedono ossigeno per assicurare un rilevamento efficiente e stabile. I sensori HLD possono funzionare in un'atmosfera inerte o con carenza di ossigeno, dove altri tipi di sensori, come ad esempio le microsfere catalitiche, fallirebbero.

I sensori HLD hanno anche tempi di risposta molto rapidi, una caratteristica fondamentale per la sicurezza in applicazioni quali i sistemi automotive o a celle a combustibile. La sensibilità e la precisione elevate consentono a questi sensori di rilevare perdite di idrogeno molto piccole prima che possano rappresentare un rischio per la sicurezza. Il rapido rilevamento delle perdite consente di intervenire rapidamente con azioni correttive, evitando l'aggravarsi di una situazione di pericolo. Inoltre, sono affidabili e durevoli per le condizioni industriali più difficili e supportano le normative del settore e gli standard di sicurezza relativi all'idrogeno.

Infine, grazie alla costruzione più semplice, hanno un costo inferiore e possono essere fabbricati utilizzando elementi sensibili a stato solido ripetibili in grandi volumi, il che li rende un'opzione economica per l'implementazione diffusa.

Applicazioni tipiche dei sensori HLD

Le applicazioni tipiche dei sensori TCD sono i veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV), le stazioni di rifornimento di idrogeno, i generatori di idrogeno, le applicazioni industriali quali lavorazioni chimiche, raffinazione dei metalli, fabbricazione di semiconduttori, stoccaggio e distribuzione dell'idrogeno e applicazioni marine.

Come gli altri veicoli elettrici, i FCEV utilizzano l'elettricità per alimentare i motori elettrici, che generano utilizzando una cella a combustibile alimentata a idrogeno. Di conseguenza, le perdite di idrogeno nel sistema di alimentazione possono rappresentare un pericolo per la sicurezza e ridurre l'efficienza del veicolo. Monitorando continuamente i serbatoi di idrogeno, le condutture e i gruppi di celle a combustibile dell'FCEV, i sensori HLD rilevano le perdite per prevenire situazioni pericolose e mantenere l'efficienza del combustibile derivato dall'idrogeno (Figura 2).

Figura 2: I sensori HLD basati su TCD utilizzati nei veicoli elettrici alimentati a celle a combustibile prevengono situazioni pericolose come le perdite e mantengono l'efficienza del combustibile derivato dall'idrogeno. (Immagine per gentile concessione di Honeywell Sensing & Productivity Solutions)

Allo stesso modo, i veicoli elettrici alimentati a idrogeno dipendono da stazioni di rifornimento e serbatoi di stoccaggio ad alta pressione in cui le perdite possono presentare rischi significativi per la sicurezza. I sensori TCD assicurano che, monitorando costantemente l'infrastruttura di rifornimento per individuare tempestivamente le eventuali perdite, i produttori di veicoli elettrici possano ridurre i rischi di accensione. Allo stesso tempo, la collocazione di questi sensori negli impianti di stoccaggio e nei distributori di idrogeno migliora l'efficienza operativa e la sicurezza, riducendo al minimo i tempi di inattività e aumentando la fiducia dei consumatori nelle infrastrutture di rifornimento di idrogeno.

Allo stesso modo, i generatori di idrogeno sono essenziali per la produzione di idrogeno in loco in applicazioni industriali, medicali ed energetiche. Per garantire la sicurezza degli utenti in prossimità di questi generatori, i sensori HLD vengono posizionati in punti chiave per rilevare perdite minime e prevenire i rischi quali accumulo di gas, incendio o esplosione (Figura 3).

Figura 3: I generatori di idrogeno utilizzano i sensori HLD per garantire la sicurezza degli utenti. (Immagine per gentile concessione di Honeywell Sensing & Productivity Solutions)

Anche altri settori, come la lavorazione chimica, la raffinazione dei metalli, la fabbricazione di semiconduttori e la logistica di magazzino, stanno sfruttando i vantaggi dell'energia a idrogeno. Ad esempio, i carrelli elevatori a celle a combustibile derivato dall'idrogeno sono sempre più utilizzati nei magazzini grazie alle capacità di rifornimento rapido e alle emissioni zero. La sicurezza sul posto di lavoro è garantita dal posizionamento di sensori HLD in punti chiave e dal monitoraggio in tempo reale per il rilevamento di eventuali perdite intorno ai carrelli elevatori e alle stazioni di rifornimento (Figura 4). Utilizzando i sensori HLD, gli operatori di magazzino garantiscono un funzionamento sicuro dei carrelli elevatori alimentati a idrogeno, mantenendo al contempo l'efficienza operativa e prevenendo costosi tempi di fermo.

Figura 4: I sensori HLD garantiscono il funzionamento sicuro dei carrelli elevatori alimentati a idrogeno. (Immagine per gentile concessione di Honeywell Sensing & Productivity Solutions)

Una soluzione sensibile, stabile e affidabile

La serie di sensori HLD di Honeywell Sensing & Productivity Solutions impiega tecniche di rilevamento della conducibilità termica per offrire sensibilità, stabilità e affidabilità elevate per molte applicazioni in vari settori, quali quello automotive, dei trasporti, della sicurezza industriale e dell'energia residenziale. Questi sensori incorporano un algoritmo proprietario per la compensazione di fattori quali la temperatura, la pressione e l'umidità, garantendo letture accurate in un'ampia gamma di condizioni operative. Di conseguenza, sono in grado di rilevare perdite fino a 50 parti per milione (ppm) con una precisione di ±10%, e di farlo in meno di due secondi. Grazie alle loro proprietà uniche, i sensori HLD impediscono anche false letture dovute alla presenza di altri gas ambientali, come il monossido di carbonio o gli idrocarburi.

I sensori HLD possono essere personalizzati per soddisfare le esigenze applicative, ad esempio per essere leggeri e avere una uscita ausiliaria. Le soluzioni possono essere personalizzate in base alle specifiche esatte per migliorare il time-to-market, ridurre il costo totale del sistema e aumentare l'affidabilità. I sensori HLD sono disponibili sia in un robusto alloggiamento in policarbonato che ne assicura la protezione e la facilità d'uso, con una classificazione antincendio UL94V0 e un grado di protezione dalle infiltrazioni IP67, sia in una versione senza alloggiamento (solo PCB) per assicurare un'integrazione personalizzata.

Conclusione

L'idrogeno sta guadagnando popolarità in molti settori come promettente alternativa energetica pulita per raggiungere gli obiettivi di energia sostenibile, grazie alle potenzialità che offre in termini di riduzione delle emissioni di gas serra e della dipendenza dai combustibili fossili. Honeywell Sensing & Productivity Solutions supporta questa transizione con la sua serie di sensori HLD di alta precisione e alta affidabilità per ridurre i problemi di sicurezza e aumentare la fiducia dei clienti nelle celle a combustibile derivato dall'idrogeno.