Klasik bir hidrojen sensörü, uygulama ortamındaki hidrojen gazı konsantrasyonunu tespit eder ve ölçer. Ayrıca, hidrojen üretimi ve H2 uygulamalarında çok sayıda başka ölçüm değişkeni için de sensörler kullanılır. Hidrojenin güvenli ve sorunsuz kullanımı, farklı sensörlerin etkileşimini gerektirir.
Hidrojen sensörlerinin tipik uygulamaları, enerji sektörünün tamamında; H2 üretimi, depolanması, taşınması ve kullanımı alanlarında bulunur. Bunlar özellikle elektrolizörler, depolama sistemleri, hidrojen dolum istasyonları, sentez tesisleri ve yakıt hücresi sistemlerini içerir. Ayrıca, hidrojenle çalışacak şekilde dönüştürülmekte olan gaz brülörleri ve gaz motorları gibi geleneksel doğal gaz sistemleri de mevcuttur. Sanayide ise hidrojen, amonyak, metanol ve diğer kimyasal bileşiklerin üretiminde hammadde olarak kullanılır.
Mavi, gri, turkuaz veya yeşil hidrojen fark etmeksizin, hidrojenin rengi uygun ölçüm teknolojisinin seçiminde merkezi bir rol oynamaz. Çünkü renk tanımı gazın özelliklerini değil, elde edilme yöntemini ifade eder. Örneğin, yeşil hidrojen %100 yenilenebilir enerji kullanılarak elektroliz yoluyla üretilen iklim nötr bir gazdır. Gri hidrojen ise doğal gazdaki hidrojenin buhar reformasyonu ile elde edilir ve bu süreçte açığa çıkan CO2 atmosfere salınır. Mavi hidrojen, gri hidrojenle aynı şekilde üretilir, ancak ortaya çıkan CO2 depolanır. Turkuaz hidrojen ise metanın termal ayrışmasıyla üretilir.
Hidrojen, periyodik tabloda en düşük yoğunluğa sahip elementtir. Havadakinden 14 kat daha hafiftir, diğer gazlara kıyasla en yüksek difüzyon kapasitesine sahiptir ve bu durum sensör ve conta malzemeleri için özel gereksinimler doğurur. Bu nedenle, endüstriyel uygulamalarda her sensör doğrudan hidrojenle temas için uygun değildir. Ayrıca, bu “hafif” gazın yüksek kalorifik değeri ve yüksek yanıcılığı, fonksiyonel güvenlik ve patlama koruması açısından özel dikkat gerektirir. Güvenli işletme sağlamak için depolama tanklarındaki veya taşımadaki kaçakların her koşulda önlenmesi zorunludur.
Hidrojen konsantrasyonunu ölçen hidrojen sensörlerine ek olarak, basınç, sıcaklık, nem, debi, seviye ve iletkenlik sensörleri de yaygın olarak kullanılır. Modern dijital sensörler, PROFIBUS/PROFINET iletişimi ve IO-Link üzerinden akıllı sensör ağına entegre olabilme ya da ölçüm verilerini Single Pair Ethernet (SPE) aracılığıyla doğrudan buluta iletebilme seçenekleri sunar. Böylece ölçüm ve proses verileri gerçek zamanlı olarak kaydedilip analiz edilebilir.
Hidrojen sensörleri, kullanılan temel teknolojiye bağlı olarak farklı çalışma prensiplerine sahiptir:
Bu H2 sensörleri, hidrojen ile elektrot arasında gerçekleşen reaksiyon sonucu oluşan ölçülebilir elektrik sinyalini kullanan elektrokimyasal hücrelere dayanır. Düşük konsantrasyonlarda hassas ölçümler için uygundur.
Yarı iletken malzemenin elektriksel özelliklerindeki hidrojen varlığı nedeniyle meydana gelen değişiklikleri ölçerler. Görece uygun maliyetlidirler ve hızlı tepki verirler; ancak diğer gazlardan etkilenebilirler.
Işık emilimi veya saçılması prensibini kullanarak hidrojen konsantrasyonlarını tespit eden optik ölçüm sistemleridir. Yüksek doğruluk ve dayanıklılığa sahiptirler, ancak maliyetleri yüksek olabilir.
Hidrojenin varlığından dolayı havanın termal iletkenliğinde oluşan değişiklikleri ölçerler. Yüksek konsantrasyonların ölçümü için uygundur; ancak düşük konsantrasyonlarda hassasiyetleri düşüktür.
İçme suyu, arıtılmış kuyu suyu veya deniz suyundan ultra saf suyun güvenilir şekilde üretilmesi, suyun elektrolizi için temel bir ön koşuldur. Çünkü hidrojen üretiminde gereken saflıkta su elde edebilmek için tüm mineraller ve tuzlar önce ters ozmoz veya benzeri tekniklerle giderilmelidir. Ters ozmoz öncesi ve sonrası yapılan karşılaştırmalı iletkenlik ölçümü, su arıtma işleminin başarısını garanti eder. Bu süreçte genellikle, iletkenliğin yanı sıra debi, pH değeri, ultra saf suyun direnci veya hidrojen peroksit içeriği gibi diğer ölçüm parametrelerini de ölçebilen, kontrol edebilen, kaydedebilen ve gösterebilen çok kanallı ölçüm cihazları kullanılır.
En yaygın hidrojen uygulamalarında, gaz halindeki hidrojenin basıncı ölçülmelidir. Elektrolizörler ve yakıt hücresi sistemlerinde düşük basınçlar hakimdir. Bu alanda çoğunlukla piezorezistif sensörler kullanılır. Hidrojen, taşımacılık ve depolama amacıyla 700 bara kadar çok yüksek basınçlarda sıkıştırılır. Basınç ölçümü için ise ince film teknolojisi kullanan yüksek basınç sensörleri tercih edilir.
Tüm basınç seviyeleri için farklı versiyonlarda basınç sensörleri mevcuttur (örneğin yerel göstergesi olan veya olmayan modeller). Özel onaylar, hidrojenle çalışmada güvenliği garanti eder; bunlar arasında patlama koruması (ATEX), fonksiyonel güvenlik (SIL) ve gemilerde kullanım için (DNV) sertifikalar yer alır.
Sıcaklık sensörlerinin doğrudan H2 ile temas halinde olması gerekiyorsa, ortamla temas eden sensör malzemesi uygun şekilde seçilmelidir. Hidrojene karşı iyi direnç sağlamak için, sensör tüpü genellikle paslanmaz, ostenitik krom-nikel-molibden çelik olan AISI 316L (malzeme numarası 1.4404) paslanmaz çelikten yapılır. Özellikle katı oksit yakıt hücreleri (SOFC) veya elektrolizörler (SOEL) gibi yüksek sıcaklıkların görüldüğü durumlarda, sertleştirilemeyen nikel-krom-demir alaşımı olan 2.4816 malzemeden yapılmış kılıflı termokupllar da kullanılır.
Hidrojen iletimi giderek daha fazla endüstriyel uygulamada kullanılmaktadır. Mevcut doğal gaz ağına hidrojen karıştırılması için projeler ve çalışmalar da mevcuttur. Avrupa içinde saf hidrojen taşıyacak bir boru hattı ağı olan Avrupa hidrojen omurgası planları da vardır. Bu gelişmelerle birlikte hidrojen debimetreleri giderek daha önemli hale gelmektedir.
Akış ölçümünde en yaygın kullanılan teknolojiler ultrasonik ölçüm yöntemi, Coriolis prensibine göre ölçüm ve değişken alan (variable area) yöntemidir. Basınç ve sıcaklık koşulları da göz önüne alınarak gazın tam miktarı hesaplanabilir.
Sıvı hidrojenin, sıvı hidrojen türevlerinin veya sıvı organik hidrojen taşıyıcılarının (LOHC) ara depolanması ve taşınması için, seviye ölçümü ve güvenilir izleme amacıyla gelişmiş sensör teknolojisine sahip özel tanklar gereklidir. Uygun ölçüm cihazının seçimi, ilgili uygulama alanına bağlıdır. Sadece kuru çalışma veya taşmayı önlemek gerekiyorsa, genellikle sınır şalterleri yeterlidir. Hidrojen tankının tam dolum seviyesi ölçülmek isteniyorsa, örneğin hidrostatik seviye sensörleri veya şamandıralı şalterler kullanılabilir.
HGV 3.1 testi, özellikle hidrojen dolum sistemleri için geliştirilen CSA ANSI HGV 3.1 standardına göre standartlaştırılmış bir test prosedürüdür. Bağımsız test laboratuvarları tarafından gerçekleştirilir ve dolum istasyonları, elektrolizörler ve depolama sistemleri gibi hidrojen uygulamalarındaki bileşenlerin güvenlik, güvenilirlik ve performans gereksinimlerini belirler. Test edilen özellikler arasında sızıntı oranı, hidrostatik dayanım, titreşim direnci, gerilim korozyon çatlaması ve elektriksel izolasyon yer alır. Testi başarıyla geçen ürünler, zorlu hidrojen uygulamalarında güvenle kullanılabilir olarak kabul edilir.
Hidrojen çözümlerinde kullanılan tüm sensörlerin, H2 altyapılarındaki yüksek gereksinimleri karşılamak ve hassas ölçümler sağlamak için düzenli olarak kalibre edilmesi gerekir. Çünkü zamanla yaşlanmaya bağlı sapmalar, sensörün hassasiyetinde ve doğruluğunda değişikliklere yol açabilir. Kalibrasyon sıklığı; sensör türü, çalışma koşulları ve uygulamanın özel gereksinimleri gibi çeşitli faktörlere bağlıdır. Kimya endüstrisi gibi güvenlik kritik uygulamalarda veya hidrojenin yakıt olarak kullanıldığı durumlarda, düzenli ve titiz kalibrasyon özellikle önem taşır.
Bireysel gereksinimlere bağlı olarak, hidrojen uygulamalarında genellikle farklı sensör türleri bir arada kullanılır. Bu sensörlerin iyi koordine edilmesi, proses verimliliğini artırır. Modern bulut çözümleri aracılığıyla proses verilerinin otomasyonu ve değerlendirilmesi de mümkündür. Tüm gereksinimlerin karmaşıklığını karşılamak için deneyimli bir sensör üreticisine danışmak faydalı olabilir.