Détection d’hydrogène à l’aide de capteurs à fibre optique

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Crédit : Pixabay/CC0 Domaine public

L’hydrogène joue un rôle central dans la politique énergétique et climatique de l’Allemagne. Par rapport à d’autres sources d’énergie gazeuses ou liquides, des exigences de sécurité particulières doivent être prises en compte pour les applications avec de l’hydrogène, car en plus du risque d’incendie, dans certaines conditions, un mélange air-hydrogène explosif peut provenir de fuites dans des réservoirs ou des conduites. Pour augmenter encore les niveaux de sécurité lorsqu’ils traitent avec de l’hydrogène, des chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour les télécommunications, Institut Heinrich-Hertz, HHI travaillent sur des capteurs à base de fibre optique qui peuvent détecter l’hydrogène et sont supérieurs aux capteurs conventionnels à bien des égards.

Pour atteindre les objectifs climatiques fixés et prévenir l’aggravation du réchauffement climatique, tous les pays doivent réduire au plus vite la consommation d’énergies fossiles dans leur budget de mix énergétique. L’accent est de plus en plus mis sur les technologies de l’hydrogène en tant qu’alternative durable, en particulier dans les secteurs de la production industrielle et de la mobilité. Partout où l’hydrogène est utilisé, stocké, transporté et transféré, des précautions de sécurité appropriées doivent être prises. Même si l’hydrogène n’est pas toxique, pèse moins que l’air et monte donc vers le haut, des situations dangereuses peuvent survenir : En effet, si la concentration d’hydrogène dans l’air dépasse un seuil de quatre pour cent, ce qui peut arriver rapidement s’il y a une pression suffisante dans un réservoir d’hydrogène ou si une pièce n’est pas correctement ventilée, une petite source d’inflammation, une seule étincelle, suffit à déclencher une explosion.

Petit, facile à intégrer et sans risque de sécurité inhérent

Une approche anticipative est nécessaire pour éviter cela, et le Dr Günter Flachenecker, chercheur principal au Fraunhofer HHI, sait comment s’y prendre. Au département de laboratoire de la branche Fiber Optical Sensor Systems du Fraunhofer HHI à Goslar, le physicien et son équipe sont en faveur de nouvelles approches technologiques pour détecter l’hydrogène à l’aide de capteurs à fibre de verre : “Des capteurs de sécurité conventionnels disponibles dans le commerce pour détecter l’hydrogène, qui sont généralement des capteurs de chaleur catalytiques les capteurs de tonalité ou les cellules électrochimiques, nécessitent une alimentation électrique.Dans le pire des cas, les deux variantes pourraient agir comme une source d’inflammation et déclencher l’explosion qu’elles sont censées empêcher, si l’appareil ou les lignes d’alimentation électrique présentent un défaut “, explique Flachenecker. “Nos capteurs à fibre optique ne présentent généralement pas ce risque. En même temps, ils ne nécessitent pas de câblage complexe, sont petits et peuvent être facilement intégrés dans une grande variété de structures de l’usine ou du véhicule à surveiller.”

Les fibres optiques sont quasiment prédestinées aux applications sensorielles dans un environnement lié à la sécurité car elles sont robustes et n’ont qu’un petit diamètre d’environ un quart de millimètre. Pour qu’une fibre optique devienne un capteur d’hydrogène, elle doit être modifiée à plusieurs endroits. Pour ce faire, un laser est d’abord utilisé pour imprimer certaines structures dans le cœur de la fibre optique, créant ce que l’on appelle un réseau de Bragg à fibre, une modulation périodique de l’indice de réfraction qui garantit que la lumière est réfléchie à une certaine longueur d’onde.

Un revêtement fonctionnel spécial est ensuite appliqué autour de la partie sensorielle en fibre de verre pour garantir que la fibre de verre réagisse spécifiquement à l’hydrogène : “Nous travaillons avec des couches catalytiques, par exemple du palladium ou des alliages de palladium”, explique Flachenecker. “Le palladium a la capacité d’absorber l’hydrogène, un peu comme une éponge. Dès que les deux substances se rencontrent, l’hydrogène se désintègre en ses fragments atomiques et les atomes d’hydrogène qui sont libérés pénètrent dans la structure cristalline du palladium. Cela provoque un allongement dans le fibre optique, qui peut être mesurée instantanément en tant que modification des signaux lumineux réfléchis via le réseau de Bragg à fibre intégré. Dès que la concentration d’hydrogène dans l’air redescend, l’hydrogène est libéré du palladium. Cela signifie que le revêtement n’est pas endommagé et que le capteur peut être réutilisé. Flachenecker poursuit en soulignant que le processus décrit ici ne fonctionne que parce que les atomes d’hydrogène sont très petits. D’autres substances ne peuvent pas pénétrer la couche de palladium de cette manière.

Potentiel pour une large gamme d’applications

Ce n’est cependant pas la seule méthode que les chercheurs ont testée. Par exemple, il est également possible de détecter l’hydrogène avec des fibres de verre dont les gaines de fibre ont été gravées, ou avec une très fine couche de nanoparticules appliquée à la surface de la fibre de verre. “C’est un grand terrain de jeu, et il y a beaucoup de choses que nous voulons essayer”, a déclaré Flachenecker. “Il est essentiel que nous trouvions des moyens de détecter l’hydrogène suffisamment rapides pour prévenir les accidents et qui réagissent de manière fiable dans la plage de sensibilité requise. À cet égard, nous faisons certainement de bons progrès en ce moment.”

En pratique, par exemple, les nouveaux capteurs à fibre optique pourraient faire partie intégrante des véhicules à hydrogène et être utilisés pour surveiller les stations de ravitaillement en hydrogène, les ateliers de réparation automobile ou les électrolyseurs. Sur la base de cette technologie, un réseau de capteurs plus vaste peut être facilement mis à l’échelle pour surveiller l’infrastructure de l’hydrogène en plusieurs points simultanément. L’électronique d’enregistrement des données de mesure, par exemple un spectromètre pour l’évaluation optique des capteurs à fibre optique, pourrait être installée dans un endroit sûr à n’importe quelle distance des capteurs. Si une certaine concentration d’hydrogène est dépassée et que le capteur la détecte, le système de gestion des alarmes de l’application concernée se déclenche et des mesures spécifiques, telles qu’un signal d’avertissement acoustique, la fermeture de vannes ou l’ouverture de fenêtres, peuvent être déclenchées. en quelques secondes.

Le projet de recherche en cours dirigé par Günter Flachenecker est financé par le ministère fédéral allemand de l’Économie et de l’Action pour le climat et est mené en coopération avec une entreprise locale de protection contre les incendies. Il a commencé il y a deux ans et se terminera cet été lorsqu’un test de terrain en cours, dans lequel les capteurs à fibre optique sont installés dans des camions, prendra fin. Il existe des plans pour un projet de suivi qui verra les nouveaux capteurs testés de manière encore plus détaillée et d’autres étapes préparatoires seront prises en vue de la certification et de la commercialisation. L’objectif est clair : pouvoir travailler avec de l’hydrogène de manière encore plus sûre sans provoquer d’accidents.


Alarme hydrogène pour détection de fuite d’hydrogène à distance


Fourni par la société Fraunhofer

Citation: Détection d’hydrogène à l’aide de capteurs à fibre optique (1er avril 2022) récupéré le 1er avril 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-04-hydrogen-fiber-optic-sensors.html

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