En typisk vätgassensor detekterar och mäter koncentrationen av vätgas i applikationsmiljön. Dessutom används sensorer för många andra mätvariabler vid produktion av vätgas och i H2-applikationer. En smidig hantering av vätgas kräver därför att olika sensorer samverkar.
Typiska tillämpningar kan förekomma inom hela energisektorn för produktion, lagring, transport och användning av H2. Det handlar framför allt om elektrolysörer, lagringssystem, vätgastankstationer, syntesanläggningar och bränslecellssystem. Dessutom finns det traditionella naturgassystem som gasbrännare och gasmotorer som håller på att konverteras för att drivas med vätgas. Inom industrin används vätgas som råmaterial för framställning av ammoniak, metanol och andra kemiska föreningar.
Blå, grå, turkos eller grön vätgas: Färgen på vätgas spelar ingen central roll vid valet av lämplig mätteknik. Färgbeteckningen står trots allt inte för gasens egenskaper, utan för typen av utvinning. Grön vätgas är till exempel en klimatneutral gas, eftersom den till 100 % framställs av förnybara energikällor med hjälp av elektrolys. Grå vätgas framställs däremot genom att vätgasen i naturgasen ångreformeras och den koldioxid som frigörs i processen släpps ut i atmosfären. Blå vätgas produceras på samma sätt som grå vätgas, men den koldioxid som bildas lagras. Turkos vätgas produceras genom termisk nedbrytning av metan.
H2 är det grundämne som har lägst densitet i det periodiska systemet. Vätgas är 14 gånger lättare än luft, har den högsta diffusionskapaciteten jämfört med andra gaser och ställer särskilda krav på materialet för sensorer och tätningar. Detta innebär att inte alla sensorer i industriella tillämpningar är lämpliga för direktkontakt med vätgas. Dessutom kräver det höga värmevärdet och den höga brännbarheten hos denna "lätta" gas särskild uppmärksamhet när det gäller funktionssäkerhet och explosionsskydd. För att garantera en säker drift måste läckage vid lagringstankar eller under transport därför undvikas till varje pris.
Förutom vätgassensorer för mätning av vätgaskoncentrationen används främst sensorer för tryck, temperatur, fuktighet, flöde, nivå och konduktivitet. Moderna digitala sensorer kan integreras i ett intelligent sensornätverk via PROFIBUS/PROFINET-kommunikation och IO-Link eller överföra mätdata direkt till molnet via Single Pair Ethernet (SPE). På så sätt kan mät- och processdata registreras och analyseras i realtid.
Vätgassensorer fungerar på olika sätt, beroende på den grundläggande tekniken:
H2-sensorerna använder en elektrokemisk cell där en reaktion mellan väte och en elektrod genererar en mätbar elektrisk signal. De är väl lämpade för exakta mätningar vid låga koncentrationer.
Halvledargassensorer mäter de förändringar i de elektriska egenskaperna hos ett halvledarmaterial som orsakas av närvaron av vätgas. De är förhållandevis billiga och reagerar snabbt, men kan påverkas av andra gaser.
Ett optiskt mätsystem använder principen för ljusabsorption eller ljusspridning för att detektera vätgaskoncentrationer. Sensortekniken har en hög noggrannhet och är ofta robust, men kan vara dyr.
Dessa vätgassensorer mäter de förändringar i luftens värmeledningsförmåga som orsakas av närvaron av väte. De är väl lämpade för att mäta höga koncentrationer, men är mindre känsliga vid låga koncentrationer.
Tillförlitlig produktion av ultrarent vatten från dricksvatten, renat brunnsvatten eller havsvatten är en grundläggande förutsättning för elektrolys av vatten. Alla mineraler och salter måste ju först avlägsnas genom omvänd osmos eller andra tekniker för att man ska kunna producera vätgas med den renhet som krävs. En jämförande konduktivitetsmätning före och efter omvänd osmos säkerställer att vattenbehandlingen har lyckats. För detta används ofta flerkanaliga mätinstrument som förutom konduktiviteten även kan mäta, styra, registrera och visa andra mätvariabler, t.ex. flödeshastighet, pH-värde, ultrarent vattens motståndskraft eller väteperoxidhalt.
De vanligaste vätgasapplikationerna kräver att trycket hos gasformigt väte mäts. Låga tryck råder i elektrolysörer och bränslecellssystem. Här används främst så kallade piezoresistiva sensorer. För transport och lagring komprimeras vätgas till mycket höga tryck på upp till 700 bar. För tryckmätning används då högtryckssensorer med tunnfilmsteknik.
För alla trycknivåer finns olika varianter av trycksensorer (t.ex. med eller utan lokal display). Särskilda godkännanden garanterar säkerheten vid hantering av vätgas (t.ex. för explosionsskydd [ATEX], funktionssäkerhet [SIL] eller för användning på fartyg [DNV]).
Om temperaturgivare ska vara i direkt kontakt med H2, måste givarmaterialet som kommer i kontakt med vätgasen väljas på lämpligt sätt. För att säkerställa god beständighet i vätgas är givarröret normalt tillverkat av rostfritt stål AISI 316L (materialnummer 1.4404), ett rostfritt, austenitiskt krom-nickel-molybdenstål. För särskilt höga temperaturer, t.ex. de som förekommer i fastoxidbränsleceller (SOFC) eller elektrolysörer (SOEL), används även manteltermoelement av materialet 2.4816, en icke-härdbar nickel-krom-järnlegering.
Överföring av vätgas används i allt fler industriella tillämpningar. Det finns också försök och verkliga projekt där vätgas blandas i det befintliga naturgasnätet. Det finns också planer på ett europeiskt vätgasnät, ett rörledningsnät som ska transportera ren vätgas inom Europa. Som ett resultat av detta blir flödesmätare för vätgas allt viktigare.
De tekniker som oftast används för flödesmätning är ultraljudsmätning, mätning enligt Coriolis-principen och metoden med variabel area. Den exakta gasmängden kan sedan beräknas med hjälp av tryck- och temperaturförhållanden.
För lagring och transport av flytande väte, flytande vätederivat eller flytande organiska vätebärare (LOHC) krävs specialtankar med avancerad sensorteknik för nivåmätning och tillförlitlig övervakning. Valet av lämplig mätanordning beror på det aktuella användningsområdet. Om det endast är nödvändigt att upptäcka eller förhindra torrkörning eller överfyllning räcker det vanligtvis med gränslägesbrytare. Om vätgastankens exakta fyllnadsnivå behöver mätas kan t.ex. hydrostatiska fyllnadsnivåsensorer eller en flottörställare användas.
HGV 3.1-testet är ett standardiserat testförfarande enligt standarden CSA ANSI HGV 3.1, som har utvecklats speciellt för vätgasfyllningssystem. Det utförs av oberoende testlaboratorier och fastställer kraven för säkerhet, tillförlitlighet och prestanda för komponenter i vätgasanvändningar, t.ex. i tankstationer, elektrolysörer och lagringssystem. De egenskaper som testas inkluderar läckagehastighet, hydrostatisk hållfasthet, vibrationsbeständighet, spänningskorrosion och elektrisk isolering. Produkter som klarar testet anses vara säkra för användning i krävande vätgasapplikationer.
Samtliga sensorer som används i vätgaslösningar bör kalibreras regelbundet för att uppfylla de höga kraven i H2-infrastrukturer och för att säkerställa exakta mätningar. Drift på grund av åldrande kan trots allt leda till förändringar i känslighet och noggrannhet. Kalibreringsfrekvensen beror på olika faktorer, t.ex. sensortyp, driftsförhållanden och de specifika kraven för tillämpningen. I applikationer som är av avgörande betydelse för säkerheten, t.ex. inom den kemiska industrin eller vid användning av vätgas som bränsle, är regelbunden och noggrann kalibrering särskilt viktig.
Beroende på de individuella kraven används i allmänhet flera olika sensortyper i vätgasapplikationer. Ju bättre dessa är samordnade, desto bättre blir processeffektiviteten. Automatisering och utvärdering av processdata via moderna molnlösningar är också möjligt. För att kunna uppfylla alla komplexa krav kan det vara bra att vända sig till en erfaren sensortillverkare.