Waterstof, ook wel aangeduid als H₂, wordt beschouwd als een sleutelelement van de energietransitie. Opgewekt uit hernieuwbare energiebronnen, vormt het een CO₂-vrije brug tussen de energiesectoren elektriciteit, warmte en transport (sectorintegratie). Bovendien maakt waterstof de opslag van grote hoeveelheden energie gedurende meerdere maanden mogelijk, vergelijkbaar met aardgas zoals het vandaag de dag nog wordt gebruikt. Met waterstof als energiedrager kunnen de CO₂-emissies dus aanzienlijk worden verminderd. In het volgende artikel lees je meer over de toepassingsgebieden van waterstof en de uitdagingen voor de toegepaste sensoriek.
Een klassieke waterstofsensor detecteert en meet de concentratie van waterstofgas in de toepassingsomgeving. Daarnaast worden ook sensoren voor tal van andere gemeten variabelen gebruikt bij de productie van waterstof en in H2-toepassingen. Voor een vlotte omgang met waterstof is daarom de interactie van verschillende sensoren vereist.
Typische toepassingen zijn te vinden in de hele energiesector bij de productie, de opslag, het transport en het gebruik van H2. Dit zijn met name elektrolysers, opslagsystemen, waterstoftankstations, synthese-installaties en brandstofcelsystemen. Daarnaast zijn er traditionele aardgassystemen zoals gasbranders en gasmotoren die worden omgebouwd om op waterstof te werken. In de industrie wordt waterstof gebruikt als grondstof voor de productie van ammoniak, methanol en andere chemische verbindingen.
Blauwe, grijze, turquoise of groene waterstof: de kleur van waterstof speelt geen centrale rol bij de keuze van geschikte meettechnologie. De kleuraanduiding staat immers niet voor de eigenschappen van het gas, maar voor de manier waarop het wordt geproduceerd. Groene waterstof is bijvoorbeeld een klimaatneutraal gas, omdat het met elektrolyse 100% uit hernieuwbare energiebronnen wordt geproduceerd. Bij grijze waterstof daarentegen wordt de waterstof in het aardgas met stoom omgezet en komt de CO2 die daarbij vrijkomt vrij in de atmosfeer. Blauwe waterstof wordt op dezelfde manier geproduceerd als grijze waterstof, maar de resulterende CO2 wordt opgeslagen. Turquoise waterstof wordt geproduceerd door de thermische ontbinding van methaan.
H2 is het element met de laagste dichtheid in het periodiek systeem. Waterstof is 14 keer lichter dan lucht, heeft de hoogste diffusiecapaciteit vergeleken met andere gassen en stelt speciale eisen aan het materiaal voor sensoren en afdichtingen. Dit betekent dat niet elke sensor in industriële toepassingen geschikt is voor direct contact met waterstof. Bovendien vereisen de hoge calorische waarde en hoge ontvlambaarheid van dit "lichte" gas speciale aandacht met betrekking tot functionele veiligheid en explosiebescherming. Voor een veilige werking moeten lekken bij opslagtanks of tijdens transport daarom koste wat kost worden vermeden.
Naast waterstofsensoren voor het meten van de waterstofconcentratie, worden sensoren vooral gebruikt voor druk, temperatuur, vochtigheid, flow, niveau en geleidbaarheid. Moderne digitale sensoren bieden de mogelijkheid om te worden geïntegreerd in een intelligent sensornetwerk via PROFIBUS/PROFINET-communicatie en IO-Link of om de meetgegevens rechtstreeks naar de cloud te verzenden via Single Pair Ethernet (SPE). Op deze manier kunnen de meet- en procesgegevens in realtime worden geregistreerd en geanalyseerd.
Waterstofsensoren werken op verschillende manieren, afhankelijk van de onderliggende technologie:
Deze H2-sensoren maken gebruik van een elektrochemische cel waarin een reactie tussen waterstof en een elektrode een meetbaar elektrisch signaal genereert. Ze zijn zeer geschikt voor nauwkeurige metingen bij lage concentraties.
Halfgeleidergassensoren meten de veranderingen in de elektrische eigenschappen van een halfgeleidermateriaal veroorzaakt door de aanwezigheid van waterstof. Ze zijn relatief goedkoop en reageren snel, maar kunnen beïnvloed worden door andere gassen.
Een optisch meetsysteem maakt gebruik van het principe van lichtabsorptie of -verstrooiing om waterstofconcentraties te detecteren. De sensortechnologie heeft een hoge nauwkeurigheid en is vaak robuust, maar kan duur zijn.
Deze waterstofsensoren meten de veranderingen in de thermische geleidbaarheid van de lucht veroorzaakt door de aanwezigheid van waterstof. Ze zijn zeer geschikt om hoge concentraties te meten, maar zijn minder gevoelig bij lage concentraties.
De betrouwbare productie van ultrapuur water uit drinkwater, gezuiverd bronwater of zeewater is een fundamentele voorwaarde voor de elektrolyse van water. Alle mineralen en zouten moeten immers eerst worden verwijderd door omgekeerde osmose of andere technieken om waterstof van de vereiste zuiverheid te produceren. Een vergelijkende geleidbaarheidsmeting voor en na omgekeerde osmose garandeert het succes van de waterbehandeling. Hiervoor worden vaak meerkanaalsmeetapparaten gebruikt die naast geleidbaarheid ook andere gemeten variabelen kunnen meten, regelen, registreren en weergeven, zoals het debiet, de pH-waarde, de ultrapuurwaterweerstand of het waterstofperoxidegehalte.
In de meest voorkomende waterstoftoepassingen moet de druk van gasvormig waterstof worden gemeten. In elektrolysers en brandstofcelsystemen heersen lage drukken. Hier worden vooral zogenaamde piëzoresistieve sensoren gebruikt. Waterstof wordt gecomprimeerd tot zeer hoge drukken tot 700 bar voor transport en opslag. Hogedruksensoren op basis van dunne-filmtechnologie worden dan gebruikt voor drukmeting.
Er zijn verschillende versies van druksensoren beschikbaar voor alle drukniveaus, bijvoorbeeld met of zonder lokale weergave. Speciale goedkeuringen garanderen veiligheid bij de omgang met waterstof, bijvoorbeeld voor explosiebeveiliging (ATEX), functionele veiligheid (SIL) of voor gebruik op schepen (DNV).
Waterstofdruksensoren van JUMO
Als temperatuursensoren in direct contact komen met H2, moet het sensormateriaal dat in contact komt met het medium op de juiste manier worden gekozen. Om een goede bestendigheid tegen waterstof te garanderen, wordt de sensorbuis gewoonlijk gemaakt van roestvast staal AISI 316L (materiaalnummer 1.4404), een roestvast, austenitisch chroom-nikkel-molybdeenstaal. Voor bijzonder hoge temperaturen, zoals die voorkomen in brandstofcellen met vaste oxiden (SOFC) of elektrolytische cellen (SOEL), worden ook mantelthermokoppels gebruikt van het materiaal 2.4816, een niet-hardende nikkel-chroom-ijzerlegering.
JUMO temperatuursensoren voor waterstoftoepassingen
Het transport van waterstof wordt in steeds meer industriële toepassingen gebruikt. Er zijn ook pogingen en echte projecten waarbij waterstof wordt gemengd in het bestaande aardgasnetwerk. Er worden ook plannen gemaakt voor een Europese waterstofruggengraat, een pijpleidingnetwerk dat bedoeld is om pure waterstof binnen Europa te transporteren. Als gevolg hiervan worden waterstofstroommeters steeds belangrijker.
De meest gebruikte technologieën voor debietmeting zijn de ultrasone meetmethode, meting volgens het Coriolis-principe en de variabele oppervlaktemethode. De exacte hoeveelheid gas kan dan worden berekend, rekening houdend met druk- en temperatuuromstandigheden.
Voor de tussentijdse opslag en het transport van vloeibare waterstof, vloeibare waterstofderivaten of vloeibare organische waterstofdragers (LOHC) zijn speciale tanks met geavanceerde sensoren voor niveaumeting en betrouwbare controle vereist. De keuze van een geschikt meettoestel hangt af van het toepassingsgebied. Als het alleen nodig is om drooglopen of overvulling te detecteren of te voorkomen, zijn niveauschakelaars meestal voldoende. Als het exacte vulniveau van de waterstoftank moet worden gemeten, kunnen bijvoorbeeld hydrostatische niveausensoren of een vlotterschakelaar worden gebruikt.
Alle sensoren die in waterstofoplossingen worden gebruikt, moeten regelmatig worden gekalibreerd om te voldoen aan de hoge eisen in H2-infrastructuren en om nauwkeurige metingen te garanderen. Drift door veroudering kan immers leiden tot veranderingen in gevoeligheid en nauwkeurigheid. De frequentie van kalibratie hangt af van verschillende factoren, zoals het sensortype, de bedrijfsomstandigheden en de specifieke vereisten van de toepassing. In veiligheidskritische toepassingen, zoals in de chemische industrie of bij het gebruik van waterstof als brandstof, is regelmatige en zorgvuldige kalibratie bijzonder belangrijk.
Afhankelijk van de individuele vereisten worden in waterstoftoepassingen meestal verschillende sensortypes gebruikt. Hoe beter deze op elkaar zijn afgestemd, hoe beter de procesefficiëntie. Automatisering en evaluatie van de procesgegevens via moderne cloud-oplossingen zijn ook mogelijk. Om aan de complexiteit van alle vereisten te voldoen, kan het nuttig zijn om een beroep te doen op een ervaren sensorfabrikant.
