Hidrojen uygulamaları için güvenilir ölçüm teknolojilerinin zorlukları ve çözümleri

Diğer gazlarla karşılaştırıldığında, hidrojenin kimyasal ve fiziksel özellikleri fevkalade farklılıklar gösterir. Hidrojen, evrendeki en hafif elementtir ve ayrıca difüzyon kapasitesi son derece yüksektir. Böylesine yüksek difüzyon kapasitesi nedeniyle, birçok malzemeye nüfuz edebilir, malzeme yorgunluğuna ve sensörlerde sızıntılara yol açabilir. Hidrojenin diğer bir özelliği de, oldukça yüksek bir reaktiflik göstermesidir: Patlayıcı karışımlar oluşturması için, en düşük miktarda oksijen dahi yeterli olur. Dolayısıyla basınç sensörlerinin ve seviye ölçüm cihazlarının yalnızca son derece hassas olmaları yetmez, sensörlerin aynı zamanda difüzyona ve gevrekliğe karşı da özel bir şekilde korunmaları gerekir.

Yalnızca bir proton ve bir elektrondan oluşan basit atomik yapısına karşın, hidrojenin kimyasal özellikleri oldukça karmaşıktır. Bilhassa kritik olan özellikleri şunlardır:

• Yüksek reaktivite: Hidrojen, oksijenle bir araya geldiğinde patlayıcı karışımlar oluşturur. Alev alma enerjisi metanınkinden 15 kat daha düşüktür.
• Difüzyon kapasitesi: Küçük moleküller metal maddelere nüfuz ederek sızıntılara yol açabilir. Örneğin, yağla dolu basınç sensörlerinde bu özellik doldurulmuş yağın şişmesine neden olabilir.
• Hidrojen gevrekliği: Hidrojen, metallerde tane sınırlarında toplanır ve bu, uzun vadede malzemenin zayıflamasına ve hâttâ aniden kırılmasına yol açabilir.

Hidrojen ölçüm teknolojisi üreticileri bu tür zorlukların üstesinden gelmek için, 316L paslanmaz çelik gibi spesifik malzemeler ve altın rodyum gibi yenilikçi kaplamalar kullanır.

Hidrojen, ya çok yüksek basınçlar altında ya da aşırı düşük sıcaklıklarda depolanır. Bu koşullar, kullanılacak ölçüm teknolojisine son derece yüksek talepler getirir. Hidrojen genellikle 400 - 700 bar arasında bir basınç altında, yüksek basınç tanklarında veya kompresör sistemlerinde depolanır. Burada oluşan zorluklar şunlardır:

• Sensörlerin, aşırı basınçlara, ölçüm hassaslıklarından ödün vermeden dayanıklılık göstermeleri gereklidir.
• Hidrojen gevrekliğinin neden olabileceği malzeme yorgunluğunun önlenmesi gerekir.
• Difüzyon uzun vadede basınç ölçüm hücrelerinin stabilitesine zarar verebilir.

VEGA bu uygulamalar için, 1000 bar’a kadar basınç ölçümleri yapabilen dayanıklı sensör VEGABAR 83’ü sunar. Sensörün yağsız metal ölçüm hücresi, hidrojen difüzyonundan kaynaklanan sapmayı önler ve altın rodyum kaplaması ek bir koruma sağlar.
 
Hidrojen, hacminin azaltılması için sıvılaştırılarak, sıvı halde depolanır. Bunun için gaz, -240 °C ilâ -253 °C arasındaki sıcaklıklara kadar soğutulur. Aşırı sıcaklıklar, ölçüm teknolojisinin çok farklı zorluklarla başa çıkmasını gerektirir:

• Sensörlerin, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda stabil bir şekilde çalışması gerekir.
• Sızdırmazlık malzemelerinin, aşırı düşük sıcaklıklarda hidrojenin gevrekleştirme özelliğine karşı dayanıklı olması beklenir.
• En küçük sıcaklık farkları bile buharlaşmaya yol açabileceğinden, ısı köprülerinden kaçınılması gerekir.

VEGA bunun için, dielektrik sabiti düşük seviye ölçümlerinde dahi, VEGAFLEX Serisinin güvenilir ölçümler sağlayan güdümlü radar sensörlerini kullanır.

VEGA, hidrojen uygulamalarının aşırı koşulları altında dahi güvenilir bir şekilde çalışan özel sensörler geliştirmiştir. Bu sensörlerin en önemli özelliklerden bazıları şunlardır:

• CERTEC® ölçüm hücreleri: Bu seramik ölçüm hücreleri, diyafram conta yağı gerektirmeden çalışır ve dolayısıyla difüzyon sorunları olmaz.
• Altın rodyum kaplamalı ölçüm hücreleri: Sensörün metal bileşenleri, hidrojen difüzyonunu azaltır ve malzeme yorgunluğunu önler.
• Sıcaklık ve basınç dengeleme sistemleri:: Dinamik proseslerde dahi hassas ölçüm değerleri sağlar.
• Difüzyon geçirmeyen sızdırmazlık sistemleri: Proses bağlantılarındaki hidrojen sızıntısını önler.

VEGABAR 83, yüksek basınçlı sistemlerde endüstriyel kullanım için idealdir; ölçüm hücresi seramikten olan VEGABAR 82 ise, elektrolizörlerde potasyum hidroksit çözeltisi gibi agresif malzemeler için özel olarak tasarlanmıştır.

Emniyetin, hidrojen ölçüm teknolojilerinde merkezi bir önemi vardır. Çünkü hidrojenin patlama aralığı çok geniştir. Oksijen veya havayla oluşturduğu karışımların hidrojen hacminin yüzde 4 ilâ 77 oranında olduğu karışımlarda patlayıcıdır. Ayrıca hidrojenin tutuşma enerjisi de son derece düşüktür. Tüm bu riskleri en aza indirmek için, çok aşamalı koruma konseptleri kullanılır:

1. Birincil patlama koruması: Bu konsept, patlayıcı karışımların önlenmesidir, örneğin, elektrolizörlerde hidrojenin ve oksijenin birbirinden emniyetli bir şekilde ayrıştırılması gibi.
2. İkincil patlama koruması: Bu konsept, düşük elektrik enerjili tutuşturma kaynaklarının kendinden emniyetli sensörler kullanılarak ortadan kaldırılmasını amaçlar.
3. Üçüncül patlama koruması: İlk iki önleme rağmen tutuşma oluşması halinde, hasarı sınırlamak için alınan önlemler.

VEGA sensörleri ATEX, IECEx ve SIL standartlarına göre sertifikalandırılmıştır ve potansiyel olarak patlayıcı alanlarda ve güvenlik fonksiyonlarında emniyetli kullanım sağlar.

Dijitalleşmenin proses güvenliğine sağladığı katkılar nelerdir?
Modern sensör teknolojileri, salt ölçümlere sağladığı faydaların yanısıra, işletim emniyetine de ek dijital fonksiyonlar sunarak katkıda bulunur. VEGA sensörlerinin sunduğu fonksiyonlar:

• Kendi kendine tanı koyma fonksiyonu: Anormal durumları erken aşamada tespit etmek için, sensör durumu sürekli izlenir.
• Verilerin dijital aktarımı: IO-Link ve HART protokolleri sayesinde Endüstri 4.0 sistemlerine sorunsuz entegrasyon.
• Bluetooth üzerinden uzaktan erişim: Sensörlerin bakımı ve parametrelendirilmesi güvenli bir mesafeden yapılabilir.

Ayrıca VEGA Inventory System darboğazları önlemek ve yapılacak ikmalleri zamanında planlamak için, ileriyi gören bir envanter takibi sağlar.

Endüstriyel proseslerin dijitalleşmesi ve bir ağ içinde çalışması, proses tesislerini siber saldırılara karşı gittikçe daha fazla saldırıya açık hale getirmektedir. Bu bağlamda, ölçüm cihazları da hackerler tarafından giderek daha fazla hedef alınmaktadır. Bu cihazların manipülasyonları yalnızca veri güvenliğini tehlikeye atmakla kalmaz, aynı zamanda işletim emniyetine de önemli ölçüde zarar verebilmektedir. Dolayısıyla, hem üretim kontrolünün hem de ölçüm sistemlerinin bütünlüğünün saldırılara karşı korunması için operasyonel teknolojinin (OT) etkin bir şekilde emniyet altına alınması çok önemlidir. VEGA bu tür zorluklara, VEGAPULS 6X gibi cihazlarında olduğu gibi, cihaza entegre edilmiş kapsamlı bir güvenlik konseptiyle cevap vermektedir. Bu radar sensör, IEC 62443-4-2 standardının gerekliliklerini yerine getirir ve çoklu seviye koruma (Defense-in-Depth = derinlemesine savunma) yaklaşımıyla veri manipülasyonu, casusluk ve hizmet engelleme (Denial of Service = DoS) saldırılarına karşı güvenilir bir koruma sağlar. En önemli güvenlik önlemleri şunlardır:

• Siber saldırılardan korunma için şifreli veri aktarımı
• Yetkisiz erişimi önlemek için kullanıcı kimlik doğrulama sistemi
• Yalnızca yetkili yazılım güncellemelerine izin veren yazılım bütünlük kontrolü
• Manipülasyon girişimlerini belgeleyen bir olay günlüğü

VEGA’nın güvenlik stratejisinin bir diğer kilit önlemi de, şirketin kendi Product Security Incident Response Team (PSIRT)’dir (“Ürün Güvenliği Olay Müdahale Ekibi”). Bu ekip güvenlik durumunu sürekli olarak takip eder, koruyucu güncellemeler geliştirir ve potansiyel tehditlere hızlı bir şekilde yanıt verir. VEGA; siber güvenlik, fonksiyonel güvenlik ve dijital koruma mekanizmalarının toplamını kullanarak, hidrojen tesislerinin günümüzün ağ içinde çalışan dünyasında güvende olmasını sağlar.

Hidrojen; yüksek basınç teknolojileri, kriyojenik teknolojiler ve patlama güvenliği konularında ölçüm teknolojilerine yüksek talepler yöneltmektedir. VEGA, sağlam ve dayanıklı basınç sensörleri, seviye ölçüm cihazları ve dijital çözümleriyle hidrojen prosesleri için verimli ve güvenilir bir temel sunar. VEGA; yenilikçi malzeme teknolojileri, gelişmiş dengeleme sistemleri ve dijital analiz araçlarıyla, hidrojen teknolojisinde yeni standartlar belirler. Gelecek vaat eden bu yeni enerji kaynağı, böylece emniyetle, yüksek hassasiyetle ve verimli bir şekilde optimum düzeyde kullanılabilmektedir.