Om de gestelde klimaatdoelstellingen te halen en de opwarming van de aarde te beteugelen, moeten alle landen het aandeel van fossiele brandstoffen zo snel mogelijk tot een minimum beperken. Waterstoftechnologieën worden steeds meer gebruikt als een duurzaam alternatief – vooral in de productie- en mobiliteitssectoren. Overal waar waterstof wordt gebruikt, opgeslagen, vervoerd en overgebracht, moeten passende veiligheidsmaatregelen worden genomen. Maar er zijn ook bij waterstof wel veiligheidsrisico’s.
Als de waterstofconcentratie in de lucht een drempelwaarde van vier procent overschrijdt is een kleine ontstekingsbron, een enkele vonk, voldoende om een explosie te veroorzaken, aldus Fraunhofer Gesellschaft in een persbericht. Zo’n situatie kan snel ontstaan bij overdruk in een waterstoftank of als een ruimte niet voldoende wordt geventileerd. Dat moet worden voorkomen. Dr. Günter Flachenecker, Senior Scientist bij Fraunhofer HHI, weet hoe.
Veiligheidsrisico
Bij de afdeling Fiber Optic Sensor Systems van Fraunhofer HHI in Goslar onderzoekt de natuurkundige met zijn team manieren om waterstof te detecteren met behulp van sensoren die van glasvezels zijn gemaakt.
“Conventionele veiligheidssensoren die momenteel in de handel verkrijgbaar zijn voor het detecteren van waterstof – dit zijn meestal katalytische warmtetoonsensoren of elektrochemische cellen – vereisen een elektrische voeding. Beide varianten kunnen dus in het ergste geval als ontstekingsbron de explosie veroorzaken die zij zelf moesten voorkomen, als het apparaat of de elektrische toevoerleidingen een defect vertonen,” legt Flachenecker uit.
“Met onze glasvezelsensoren bestaat dat gevaar niet. Tegelijkertijd hoeven ze niet ingewikkeld te worden bekabeld, zijn ze klein en kunnen ze gemakkelijk worden geïntegreerd in allerlei structuren in het systeem of voertuig dat moet worden bewaakt.”
Door hun kleine diameter van ongeveer een kwart millimeter en hun robuustheid zijn optische vezels vrijwel voorbestemd voor zintuiglijke toepassingen in een veiligheidsrelevante omgeving. Om van een glasvezel een waterstofsensor te maken, moet deze op verschillende punten worden gewijzigd. Daartoe worden eerst met een laser bepaalde structuren in de glasvezelkern ingeprent, waardoor een zogenaamde vezel-Bragg-grating ontstaat – een periodieke modulatie van de brekingsindex die ervoor zorgt dat het licht op een bepaalde golflengte wordt weerkaatst.
Coating
Het feit dat de glasvezel nu specifiek op waterstof reageert, wordt bereikt door een specifieke functionele coating rond de glasvezelschede aan te brengen. “Wij werken met katalytische lagen, bijvoorbeeld palladium of palladiumlegeringen,” zegt Flachenecker.
“Palladium heeft de eigenschap dat het waterstof absorbeert, net als een spons. Zodra de twee stoffen elkaar ontmoeten, valt de waterstof uiteen in atoomfragmenten en dringen de vrijgekomen waterstofatomen het kristalraamwerk van het palladium binnen. Dit leidt tot een rek in de glasvezel, die onmiddellijk kan worden gemeten als een verandering in de teruggekoppelde lichtpulsen via de ingebouwde Bragg-grating van de vezel. Zodra de waterstofconcentratie in de lucht daarna weer daalt, lost de waterstof ook weer op uit het palladium.”
Dit betekent dat de coating niet wordt beschadigd en de sensor kan worden hergebruikt. Tegelijkertijd werkt het beschreven proces alleen omdat waterstofatomen zeer klein zijn, benadrukt Flachenecker. Andere stoffen kunnen op deze manier niet in de palladiumlaag doordringen.
Toepassingsmogelijkheden
Maar dit is niet de enige methode die door de onderzoekers is getest. Waterstofdetectie is ook mogelijk met glasvezels waarvan de bekleding is weg geëtst, of met een zeer dun laagje nanodeeltjes dat op de glasvezelbekleding is aangebracht.
“Dit is een groot speelterrein en er zijn nog veel dingen die we willen uitproberen,” zegt Flachenecker. “Het belangrijkste voor ons is manieren te vinden om waterstof te detecteren die snel genoeg zijn om ongelukken te voorkomen en die betrouwbaar reageren binnen het vereiste gevoeligheidsbereik. En in dat opzicht zijn we momenteel op een zeer goede weg.”
In de praktijk zouden de nieuwe glasvezelsensoren bijvoorbeeld een integrerend deel kunnen gaan uitmaken van waterstofvoertuigen en kunnen worden gebruikt voor de bewaking van waterstoftankstations, autoreparatiewerkplaatsen of elektrolysers. Het zou ook gemakkelijk zijn een groter sensornetwerk op te zetten dat een waterstofinfrastructuur op veel punten tegelijk bewaakt. De elektronica voor de registratie van de meetgegevens, bij voorbeeld een spectrometer voor de optische evaluatie van de glasvezelsensoren, kan op een veilige plaats en op een willekeurige afstand worden geïnstalleerd.
Indien een bepaalde waterstofconcentratie wordt overschreden en de sensor wordt geactiveerd, wordt het op de specifieke toepassing aangesloten alarmbeheersysteem in werking gesteld en kunnen binnen enkele seconden specifieke maatregelen, bijvoorbeeld een akoestisch waarschuwingssignaal, het sluiten van kleppen of het openen van ramen, in werking worden gesteld.
Geselecteerd voor jou!
Innovation Origins is het Europese platform voor innovatienieuws. Naast de vele berichten van onze eigen redactie in 15 Europese landen, selecteren wij voor jou de belangrijkste persberichten van betrouwbare bronnen. Zo blijf je op de hoogte van alles wat er gebeurt in de wereld van innovatie. Ben jij of ken jij een organisatie die niet in onze lijst met geselecteerde bronnen mag ontbreken? Meld je dan bij onze redactie.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
