Por qué los sensores de conductividad térmica son buenos detectores de fugas de hidrógeno

Desde camiones pesados hasta autobuses y automóviles, pasando por aviones y barcos, la energía generada por hidrógeno está ganando popularidad en el transporte por varias razones, como las cero emisiones, el reabastecimiento rápido, la larga autonomía y la alta eficiencia. En comparación con los gases de efecto invernadero emitidos por los motores de combustión interna (MCI) convencionales basados en combustibles fósiles, las pilas de combustible de hidrógeno sólo producen vapor de agua como emisión de escape. Aunque el costo y la infraestructura siguen siendo obstáculos para su adopción, los avances tecnológicos están mejorando aún más la eficiencia, mientras que el creciente impulso hacia la descarbonización sigue atrayendo el interés y la inversión en el hidrógeno como alternativa limpia a los combustibles fósiles.

Con la adopción generalizada del transporte impulsado por hidrógeno, existe una enorme necesidad de detectar fugas de hidrógeno en estos sistemas. Las fugas son comunes en los sistemas de energía de hidrógeno principalmente porque las moléculas de hidrógeno son extremadamente pequeñas y tienen una alta difusividad, lo que les permite escapar a través de los materiales y las juntas. Además, el hidrógeno puede causar fragilización por hidrógeno, un proceso en el que se infiltra y debilita materiales como el acero con el paso del tiempo, creando más oportunidades de fugas. El hidrógeno también es altamente inflamable, y es un gas incoloro, inodoro e insípido que puede crear rápidamente una situación peligrosa y arriesgada. Debe detectarse instantáneamente cuando y donde se produzca una fuga.

Aunque existen numerosos métodos para detectar fugas de hidrógeno, como los sensores electroquímicos y los sensores de microesferas catalíticas, el método más eficaz y preciso son los sensores de detección de conductividad térmica (DCT). Funcionan midiendo con precisión las propiedades térmicas del hidrógeno a su paso por el sensor, comparándolo con las propiedades térmicas del aire.

Características notables de los sensores HLD

Entre las características clave que hacen que los sensores TCD resulten atractivos para la detección de fugas de gas, especialmente los sensores detectores de fugas de hidrógeno (HLD), se incluyen la estabilidad en condiciones variables como golpes y vibraciones, tiempos de respuesta rápidos de menos de 2 segundos, gran precisión y alta sensibilidad. El sensor HLD-111-111-001 de Honeywell Sensing & Productivity Solutions (figura 1) implementa algoritmos de compensación avanzados para detectar fugas de hidrógeno bajas y ofrecer soluciones precisas sin intervención manual durante 10 años.

Figura 1: El sensor HLD-111-111-001 de Honeywell utiliza la detección de conductividad térmica para controlar de forma fiable y precisa las fugas de hidrógeno. (Fuente de la imagen: Honeywell Sensing & Productivity Solutions)

Además, los sensores HLD basados en TCD son menos susceptibles a la contaminación por sustancias químicas que podrían interferir con otras tecnologías de sensores. A diferencia de los sensores químicos que se degradan con el tiempo o de los sensores catalíticos que son susceptibles de intoxicación por compuestos como el azufre, los sensores HLD no utilizan materiales reactivos, lo que se traduce en una vida útil mucho más larga y una mayor fiabilidad.

Los sensores TCD también tienen un tiempo de puesta en marcha inferior a un segundo y un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +85 °C (-40 °F a +185 °F).

Principales ventajas de los sensores TCD como detectores de fugas de hidrógeno

El uso de sensores de detección de conductividad térmica para controlar las fugas de hidrógeno presenta varias ventajas. Además de garantizar un alto grado de precisión, ofrecen una larga vida operativa. Los sensores HLD están desarrollados para funcionar hasta 10 años sin intervención manual ni calibrado, lo que reduce los costos de mantenimiento y los tiempos de inactividad. A diferencia de otros sensores de gas, los sensores de DAN basados en la conductividad térmica no necesitan oxígeno para proporcionar una detección eficaz y estable. Los sensores HLD pueden funcionar en una atmósfera inerte o con deficiencia de oxígeno donde otros tipos de sensores, como las perlas catalíticas, fallarían.

Los sensores HLD también tienen tiempos de respuesta muy rápidos, que son cruciales para la seguridad en aplicaciones como la automoción o los sistemas de pilas de combustible. Su alta sensibilidad y precisión permiten a estos sensores detectar fugas de hidrógeno muy pequeñas antes de que supongan un riesgo para la seguridad. La rápida detección de fugas permite tomar medidas correctivas rápidamente, evitando que se agrave una situación peligrosa. Además, son fiables y duraderas para las duras condiciones industriales, y cumplen las normas de seguridad del hidrógeno y las regulaciones de la industria.

Por último, debido a su construcción más sencilla, su costo es menor y pueden fabricarse utilizando elementos sensores de estado sólido repetibles y de gran volumen, lo que los convierte en una opción económica para su implantación generalizada.

Aplicaciones típicas de HLD

Entre las aplicaciones típicas de los sensores TCD se encuentran los vehículos eléctricos de pilas de combustible (FCEV), las estaciones de repostaje de hidrógeno, los generadores de hidrógeno, las aplicaciones industriales como el procesamiento químico, el refinado de metales y la fabricación de semiconductores, el almacenamiento y la distribución de hidrógeno y las aplicaciones marinas.

Al igual que otros vehículos eléctricos, los FCEV utilizan electricidad para propulsar los motores eléctricos, que generan mediante una pila de combustible alimentada por hidrógeno. En consecuencia, las fugas de hidrógeno en el sistema de combustible pueden suponer un peligro para la seguridad y reducir la eficiencia del vehículo. Al supervisar continuamente los depósitos de hidrógeno, las tuberías y las pilas de combustible del FCEV, los sensores HLD detectan fugas para evitar situaciones peligrosas y mantener la eficiencia del combustible de hidrógeno (figura 2).

Figura 2: Los sensores HLD basados en TCD implementados en vehículos eléctricos con pilas de combustible evitan situaciones peligrosas como fugas y mantienen la eficiencia del combustible de hidrógeno. (Fuente de la imagen: Honeywell Sensing & Productivity Solutions)

Asimismo, los vehículos eléctricos impulsados por hidrógeno dependen de tanques de almacenamiento de alta presión y de estaciones de repostaje, donde las fugas pueden presentar riesgos de seguridad significativos. Los TCD garantizan que, mediante la supervisión continua de la infraestructura de repostaje en busca de fugas, los fabricantes de VE puedan mitigar los riesgos de ignición. Al mismo tiempo, la colocación de estos sensores en los surtidores de hidrógeno y los sistemas de almacenamiento mejora la eficacia y la seguridad operativas, minimizando así los tiempos de inactividad y fomentando la confianza de los consumidores en la infraestructura de repostaje de hidrógeno.

Del mismo modo, los generadores de hidrógeno son esenciales para la producción en el lugar de hidrógeno en aplicaciones industriales, médicas y energéticas. Para la seguridad de los usuarios alrededor de estos generadores, los sensores HLD se colocan en lugares clave para detectar fugas mínimas y evitar peligros como la acumulación de gas, incendios o explosiones (figura 3).

Figura 3: Los generadores de hidrógeno utilizan sensores HLD para la seguridad del usuario. (Fuente de la imagen: Honeywell Sensing & Productivity Solutions)

Otras industrias, como las de procesamiento químico, refinado de metales, fabricación de semiconductores y logística de almacenes, también están aprovechando las ventajas de la energía del hidrógeno. Por ejemplo, las carretillas elevadoras con celdas de combustible de hidrógeno se utilizan cada vez más en los almacenes debido a su capacidad de repostaje rápido y sus cero emisiones. La seguridad en el lugar de trabajo se garantiza mediante la colocación de sensores de DAN en lugares clave y la supervisión en tiempo real de las fugas alrededor de las carretillas elevadoras y las estaciones de servicio (Figura 4). Mediante el uso de sensores HLD, los operarios de almacén están garantizando un funcionamiento seguro de las carretillas elevadoras impulsadas por hidrógeno, al tiempo que mantienen la eficacia operativa y evitan costosos tiempos de inactividad.

Figura 4: Los sensores HLD garantizan el funcionamiento seguro de las carretillas elevadoras impulsadas por hidrógeno. (Fuente de la imagen: Honeywell Sensing & Productivity Solutions)

Proporcionar una solución sensible, estable y fiable

La serie de sensores HLD de Honeywell Sensing & Productivity Solutions emplea técnicas de detección de conductividad térmica para ofrecer una alta sensibilidad, estabilidad y fiabilidad para muchas aplicaciones en múltiples sectores, como la automoción, el transporte, la seguridad industrial y la energía residencial. Estos sensores incorporan un algoritmo propio para compensar factores como la temperatura, la presión y la humedad, garantizando lecturas precisas en una amplia gama de condiciones de funcionamiento. Como resultado, pueden detectar fugas de hasta 50 partes por millón (ppm) con una precisión de ±10% y hacerlo en dos segundos. Debido a sus propiedades únicas, los sensores HLD también evitan las falsas lecturas debidas a la presencia de otros gases ambientales, como el monóxido de carbono o los hidrocarburos.

Los sensores HLD pueden personalizarse para satisfacer las necesidades de la aplicación, como ser ligeros y tener una salida auxiliar. Las soluciones pueden adaptarse a las especificaciones exactas para mejorar los plazos de comercialización, reducir los costos totales del sistema y aumentar la fiabilidad. Los sensores HLD también están disponibles tanto en una sólida carcasa de policarbonato para mayor protección y facilidad de uso, con una clasificación al fuego UL94V0 y un nivel de protección de entrada IP67, como en una versión sin carcasa (solo placa CI) para una integración personalizada.

Conclusión

El hidrógeno está ganando popularidad en muchas industrias como una prometedora alternativa de energía limpia para alcanzar objetivos energéticos sostenibles debido a su potencial para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y la dependencia de los combustibles fósiles. Honeywell Sensing & Productivity Solutions apoya esta transición a través de su serie de sensores HLD de gran precisión y fiabilidad para mitigar los problemas de seguridad y fomentar la confianza de los clientes en las pilas de combustible de hidrógeno.