Ultrasonic impact monitoring system for hydrogen pressure vessels

Due to climate change, the energy transition has become more and more urgent. A key element towards decarbonization is hydrogen, which can be used as a storage method and as a substitute for fossil fuels in high energy density sectors. In the transport sector hydrogen can be used in fuel cell electric vehicles, overcoming the issues of battery autonomy and charging time related to battery electric vehicles. In this context, hydrogen pressure vessels are of vital importance. They are usually carbon-fiber pressure vessels, since they have to withstand high pressures and be lightweight at the same time. These containers are expensive and their reliability and safety are of fundamental importance. This work deals with a preliminary analysis of an impact monitoring system for hydrogen pressure vessels, mainly focusing on damage diagnosis. A proper monitoring system is the first step toward a comprehensive knowledge of the state of health of a component. An accurate diagnostic unit allows to increase safety and to reduce maintenance costs, avoiding unnecessary substitution of still healthy components. Piezoelectric sensors have been chosen for a first analysis since they are a mature technology in structural health monitoring. After a review of the algorithms used for damage detection, localization and quantification, an impact test program has been carried out on specimens obtained from a pressure vessel. The behavior of the chosen sensor network, setting different acquisition parameters, has been analyzed, using as comparison meter literature statistical indicators that are used for damage diagnosis. Two different acquisition systems for piezoelectric sensors are then compared: the ScanGenie Mini developed by Acellent Technologies and a custom piezoelectric acquisition system made of several commercial components. Finally, a first evaluation of the diagnostic algorithms proposed in the literature has been carried out, providing a preliminary overview of their effectiveness on a complex structure such as carbon fiber pressure vessels. Drawbacks and advantages for future implementations of the diagnostic units have been highlighted, providing also some improvements of the algorithms analyzed.

A causa del cambiamento climatico la transizione del settore energetico è una strada obbligata e non più rimandabile. Un elemento chiave verso la decarbonizzazione è l’idrogeno, che può essere usato per immagazzinare energia e come sostituto dei combustibili fossili in settori ad alta intensità energetica, difficilmente decarbonizzabili altrimenti. Nel settore dei trasporti l’idrogeno può essere usato in veicoli elettrici a celle a combustibile, superando in questo modo i problemi di autonomia della batteria e degli elevati tempi di ricarica, relativi ai più diffusi veicoli elettrici a batteria. In questo contesto, i contenitori in pressione per l’idrogeno, di solito in fibra di carbonio, sono essenziali. Questi serbatoi sono molto costosi e la loro affidabilità e sicurezza è di primaria importanza. La tesi riguarda un’analisi preliminare di un sistema di monitoraggio per i danni da impatto su contenitori in pressione per l’idrogeno. Un’adeguata unità diagnostica è il primo passo verso la cognizione dello stato di salute del componente, permettendo così di aumentare la sicurezza e ridurre i costi di manutenzione, evitando l’inutile sostituzione di componenti non danneggiati. Per un primo esame sono stati utilizzati sensori piezoelettrici, in quanto sono una tecnologia collaudata nell’ambito del monitoraggio strutturale. A seguito di una verifica in letteratura degli algoritmi usati per identificazione, localizzazione e quantificazione del danno, si è proceduto con una serie di test di impatto su provini ottenuti da contenitori in pressione per l’idrogeno. Utilizzando i parametri caratteristici trovati in letteratura, come la cross-correlation, il comportamento della rete di sensori con diverse impostazioni è stata analizzato, comparando anche due diversi sistemi di acquisizione. Infine, si è proceduto con una prima analisi degli algoritmi di diagnostica del danno proposti nella letteratura scientifica, relativamente ai problemi di identificazione e localizzazione. Viene quindi data una panoramica iniziale della loro efficacia nei confronti di una struttura complessa come quella di cui sono fatti i contenitori in carbonio per l’idrogeno, sottolineando i problemi e i vantaggi per un futuro sviluppo del sistema di diagnostica e proponendo alcuni possibili miglioramenti degli algoritmi utilizzati.