Un sensor de hidrógeno clásico detecta y mide la concentración de gas hidrógeno en el entorno de la aplicación. Además, en la producción de hidrógeno y en las aplicaciones de H2 también se utilizan sensores para otras muchas variables medidas. Por lo tanto, el manejo sin problemas del hidrógeno requiere la interacción de diferentes sensores.
Las aplicaciones típicas se encuentran en todo el sector energético en la producción, almacenamiento, transporte y uso de H2. Se trata, en particular, de electrolizadores, sistemas de almacenamiento, estaciones de llenado de hidrógeno, plantas de síntesis y sistemas de pilas de combustible. Además, hay sistemas tradicionales de gas natural, como quemadores y motores de gas, que se están reconvirtiendo para funcionar con hidrógeno. En la industria, el hidrógeno se utiliza como materia prima para la producción de amoníaco, metanol y otros compuestos químicos.
Hidrógeno azul, gris, turquesa o verde: el color del hidrógeno no desempeña un papel central en la selección de la tecnología de medición adecuada. Al fin y al cabo, la designación del color no representa las propiedades del gas, sino el tipo de extracción. El hidrógeno verde, por ejemplo, es un gas neutro para el clima, ya que se produce al 100 % a partir de energías renovables mediante electrólisis. En cambio, con el hidrógeno gris, el hidrógeno del gas natural se transforma con vapor y el CO2 liberado en el proceso se libera a la atmósfera. El hidrógeno azul se produce del mismo modo que el gris, pero el CO2 resultante se almacena. El hidrógeno turquesa se produce mediante la descomposición térmica del metano.
El H2 es el elemento de menor densidad de la tabla periódica. El hidrógeno es 14 veces más ligero que el aire, tiene la mayor capacidad de difusión en comparación con otros gases y plantea exigencias especiales al material de los sensores y las juntas. Esto significa que no todos los sensores de las aplicaciones industriales son adecuados para el contacto directo con el hidrógeno. Además, el elevado poder calorífico y la alta inflamabilidad de este gas «ligero» requieren una atención especial en lo que respecta a la seguridad funcional y la protección contra explosiones. Para garantizar un funcionamiento seguro, deben evitarse a toda costa las fugas en los tanques de almacenamiento o durante el transporte.
Además de los sensores de hidrógeno para medir la concentración de hidrógeno, se utilizan principalmente sensores de presión, temperatura, humedad, caudal, nivel y conductividad. Los sensores digitales modernos ofrecen la opción de integrarse en una red de sensores inteligente a través de la comunicación PROFIBUS/PROFINET e IO-Link o de transmitir los datos de medición directamente a la nube a través de Single Pair Ethernet (SPE). De este modo, los datos de medición y proceso pueden registrarse y analizarse en tiempo real.
Los sensores de hidrógeno funcionan de diferentes maneras, dependiendo de la tecnología subyacente:
Estos sensores de H2 utilizan una célula electroquímica en la que una reacción entre el hidrógeno y un electrodo genera una señal eléctrica medible. Son muy adecuados para realizar mediciones precisas a bajas concentraciones.
Los sensores de gas semiconductores miden los cambios en las propiedades eléctricas de un material semiconductor causados por la presencia de hidrógeno. Son relativamente baratos y responden con rapidez, pero pueden verse afectados por otros gases.
Un sistema de medición óptica utiliza el principio de absorción o dispersión de la luz para detectar concentraciones de hidrógeno. Esta tecnología de sensores tiene un alto grado de precisión y suele ser robusta, pero puede resultar cara.
Estos sensores de hidrógeno miden los cambios en la conductividad térmica del aire causados por la presencia de hidrógeno. Son adecuados para medir altas concentraciones, pero son menos sensibles a bajas concentraciones.
La producción fiable de agua ultrapura a partir de agua potable, agua de pozo purificada o agua de mar es un requisito previo fundamental para la electrólisis del agua. Después de todo, primero deben eliminarse todos los minerales y sales mediante ósmosis inversa u otras técnicas para poder producir hidrógeno con la pureza requerida. Una medición comparativa de la conductividad antes y después de la ósmosis inversa garantiza el éxito del tratamiento del agua. Para ello se suelen utilizar dispositivos de medición multicanal que pueden medir, controlar, registrar y mostrar otras variables medidas además de la conductividad, como el caudal, el valor de pH, la resistencia del agua ultrapura o el contenido de peróxido de hidrógeno.
En las aplicaciones de hidrógeno más comunes, debe medirse la presión del hidrógeno gaseoso. En los electrolizadores y los sistemas de pilas de combustible predominan las bajas presiones. Aquí se utilizan principalmente los llamados sensores piezorresistivos. El hidrógeno se comprime a presiones muy altas, de hasta 700 bares, para su transporte y almacenamiento. Para medir la presión se utilizan sensores de alta presión con tecnología de capa fina.
Existen diferentes versiones de sensores de presión para todos los niveles de presión (por ejemplo, con o sin indicación local). Las homologaciones especiales garantizan la seguridad en el manejo del hidrógeno (por ejemplo, para protección contra explosiones [ATEX], seguridad funcional [SIL] o para uso en buques [DNV]).
Si los sensores de temperatura van a estar en contacto directo con H2, el material del sensor en contacto con el medio debe seleccionarse adecuadamente. Para garantizar una buena resistencia en el hidrógeno, el tubo del sensor suele ser de acero inoxidable AISI 316L (número de material 1.4404), un acero inoxidable austenítico al cromo-níquel-molibdeno. Para temperaturas especialmente elevadas, como las que se dan en las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) o en los electrolizadores (SOEL), también se utilizan termopares de vaina fabricados con el material 2.4816, una aleación no endurecible de níquel-cromo-hierro.
El transporte de hidrógeno se utiliza cada vez en más aplicaciones industriales. También hay esfuerzos y proyectos reales en los que el hidrógeno se mezcla en la red de gas natural existente. También hay planes para una red troncal europea de hidrógeno, una red de tuberías que transportará hidrógeno puro dentro de Europa. Por ello, los caudalímetros de hidrógeno son cada vez más importantes.
Las tecnologías más utilizadas para medir el caudal son el método de medición por ultrasonidos, la medición según el principio de Coriolis y el método de área variable. A continuación se puede calcular la cantidad exacta de gas, teniendo en cuenta las condiciones de presión y temperatura.
Para el almacenamiento intermedio y el transporte de hidrógeno líquido, derivados del hidrógeno líquido o portadores orgánicos de hidrógeno líquido (LOHC), se requieren depósitos especiales con una sofisticada tecnología de sensores para la medición del nivel y una supervisión fiable. La elección de un dispositivo de medición adecuado depende del ámbito de aplicación correspondiente. Si sólo es necesario detectar o evitar el funcionamiento en seco o el sobrellenado, suele bastar con interruptores de límite. Si es necesario medir el nivel exacto de llenado del depósito de hidrógeno, pueden utilizarse, por ejemplo, sensores hidrostáticos de nivel de llenado o un interruptor de flotador.
La prueba HGV 3.1 es un procedimiento de ensayo normalizado conforme a la norma CSA ANSI HGV 3.1, desarrollada específicamente para los sistemas de repostaje de hidrógeno. Lo llevan a cabo laboratorios de ensayo independientes y especifica los requisitos de seguridad, fiabilidad y rendimiento de los componentes en aplicaciones de hidrógeno, como las que se encuentran en estaciones de servicio, electrolizadores y sistemas de almacenamiento. Las propiedades sometidas a prueba incluyen, entre otras, el índice de fugas, la resistencia hidrostática, la resistencia a las vibraciones, el agrietamiento por corrosión bajo tensión y el aislamiento eléctrico. Los productos que superan la prueba se consideran seguros para su uso en aplicaciones exigentes con hidrógeno.
Todos los sensores utilizados en soluciones de hidrógeno deben calibrarse periódicamente para cumplir los elevados requisitos de las infraestructuras de H2 y garantizar mediciones precisas. Al fin y al cabo, la deriva debida al envejecimiento puede provocar cambios en la sensibilidad y la precisión. La frecuencia de calibración depende de varios factores, como el tipo de sensor, las condiciones de funcionamiento y los requisitos específicos de la aplicación. En aplicaciones críticas para la seguridad, como en la industria química o cuando se utiliza hidrógeno como combustible, es especialmente importante una calibración periódica y cuidadosa.
En función de los requisitos individuales, en las aplicaciones de hidrógeno se suelen utilizar varios tipos de sensores diferentes. Cuanto mejor coordinados estén, mayor será la eficiencia del proceso. También son posibles la automatización y la evaluación de los datos del proceso a través de modernas soluciones en la nube. Para satisfacer la complejidad de todos los requisitos, puede ser útil recurrir a un fabricante de sensores con experiencia.