Wasserstoff, oft auch als H2 bezeichnet, gilt als Schlüsselelement der Energiewende. Erzeugt aus erneuerbaren Energien, bildet er eine C02-freie Brücke zwischen den Energiesektoren Strom, Wärme und Transport (Sektorenkopplung). Außerdem ermöglicht Wasserstoff die Speicherung großer Energiemengen über mehrere Monate, ähnlich wie heute noch Erdgas. Mit Wasserstoff als Energieträger können die CO2-Emissionen also deutlich verringert werden. Im nachfolgenden Beitrag erfahren Sie mehr über die Anwendungsbereiche von Wasserstoff und die Herausforderungen für die eingesetzte Sensorik.
Ein klassischer Wasserstoff-Sensor detektiert und misst die Konzentration von Wasserstoffgas in der Anwendungsumgebung. Darüber hinaus werden bei der Herstellung von Wasserstoff und in H2-Applikationen auch Sensoren für zahlreiche andere Messgrößen eingesetzt. Für den reibungslosen Ablauf im Umgang mit Wasserstoff ist also ein Zusammenspiel unterschiedlicher Sensoren erforderlich.
Typische Anwendungen finden sich entlang des Energiesektors bei der Erzeugung, Speicherung und dem Transport, sowie der Verwendung von H2. Dazu zählen insbesondere Elektrolyseure, Speichersysteme, Wasserstofftankstellen, Syntheseanlagen und Brennstoffzellensysteme. Hinzu kommen traditionelle Erdgasanlagen wie Gasbrenner und Gasmotoren, die auf den Betrieb mit Wasserstoff umgestellt werden. In der Industrie dient Wasserstoff als Rohstoff für die Herstellung von Ammoniak, Methanol und anderen chemischen Verbindungen.
Ob blauer, grauer, türkiser oder grüner Wasserstoff: Für die Auswahl der passenden Messtechnik spielt die Wasserstofffarbe keine zentrale Rolle. Schließlich steht die Farbbezeichnung nicht für die Eigenschaften des Gases, sondern für die Art der Gewinnung. So zählt grüner Wasserstoff zu den klimaneutralen Gasen, da er mittels Elektrolyse zu 100 % aus erneuerbaren Energien erzeugt wird. Bei grauem Wasserstoff hingegen wird der Wasserstoff im Erdgas dampfreformiert, das dabei freiwerdende CO2 wird in die Atmosphäre abgegeben. Blauer Wasserstoff wird wie grauer Wasserstoff erzeugt, allerdings wird das entstehende CO2 gespeichert. Türkiser Wasserstoff entsteht durch die thermische Spaltung von Methan.
H2 ist das Element mit der niedrigsten Dichte im Periodensystem. Wasserstoff ist 14 x leichter als Luft, besitzt im Vergleich zu anderen Gasen das höchste Diffusionsvermögen und stellt besondere Ansprüche an das Material für Sensoren und Dichtungen. Dadurch ist nicht jeder Sensor in industriellen Anwendungen für den direkten Kontakt mit Wasserstoff geeignet. Zusätzlich erfordern der hohe Brennwert und die hohe Entzündlichkeit des „Leichtgewichts“ ein besonderes Augenmerk im Hinblick auf die funktionale Sicherheit und den Explosionsschutz. Für einen sicheren Betrieb sind daher Leckagen an Speichern oder während des Transports unbedingt zu vermeiden.
Neben Hydrogen-Sensoren zur Messung der Konzentration von Wasserstoff werden hauptsächlich Sensoren für Druck, Temperatur, Feuchte, Durchfluss, Füllstand und Leitfähigkeit eingesetzt. Dabei bieten moderne digitale Sensoren die Möglichkeit, über die PROFIBUS/PROFINET-Kommunikation und IO-Link in ein intelligentes Sensornetzwerk integriert zu werden oder mittels Single Pair Ethernet (SPE) die Messdaten direkt in die Cloud zu übertragen. Auf diese Weise können die Mess- und Prozessdaten in Echtzeit erfasst und analysiert werden.
Wasserstoff-Sensoren funktionieren auf verschiedene Arten, abhängig von der zugrundeliegenden Technologie:
Diese H2-Sensoren verwenden eine elektrochemische Zelle, in der eine Reaktion zwischen Wasserstoff und einer Elektrode ein messbares elektrisches Signal erzeugt. Sie eignen sich gut für präzise Messungen bei niedrigen Konzentrationen.
Halbleiter-Gassensoren messen die Änderungen in den elektrischen Eigenschaften eines Halbleitermaterials, die durch die Anwesenheit von Wasserstoff verursacht werden. Sie sind relativ kostengünstig und reagieren schnell, können aber durch andere Gase beeinflusst werden.
Ein optisches Messsystem nutzt das Prinzip der Lichtabsorption oder -streuung, um Wasserstoffkonzentrationen zu detektieren. Die Sensorik besitzt eine hohe Genauigkeit und ist oft robust, kann aber teuer sein.
Diese Wasserstoff-Sensoren messen die Änderungen in der thermischen Leitfähigkeit der Luft, die durch die Anwesenheit von Wasserstoff verursacht wird. Sie eignen sich gut zur Messung hoher Konzentrationen, sind aber bei geringen Konzentrationen weniger empfindlich.
Die zuverlässige Produktion von Reinstwasser aus Trinkwasser, gereinigtem Brunnenwasser oder Meerwasser ist eine grundlegende Voraussetzung für die Elektrolyse von Wasser. Schließlich müssen vorab alle Mineralstoffe und Salze durch Umkehrosmose oder andere Techniken entfernt werden, um Wasserstoff in der erforderlichen Reinheit produzieren zu können. Den Erfolg der Wasseraufbereitung stellt eine vergleichende Leitfähigkeitsmessung vor und nach der Umkehrosmose sicher. Dabei kommen häufig Mehrkanalmessgeräte zum Einsatz, die neben der Leitfähigkeit weitere Messgrößen messen, regeln, registrieren und anzeigen können, wie z. B. die Durchflussmenge, den pH-Wert, den Reinstwasser-Widerstand oder den Wasserstoffperoxid-Gehalt.
In den häufigsten Wasserstoff-Applikationen ist der Druck von gasförmigem Wasserstoff zu messen. In Elektrolyseuren und Brennstoffzellensystemen herrschen niedrige Drücke. Hier kommen überwiegend sogenannte piezoresistive Sensoren zum Einsatz. Für den Transport und die Speicherung wird Wasserstoff auf sehr hohe Drücke bis 700 bar verdichtet. Zur Druckmessung werden dann Hochdrucksensoren in Dünnfilmtechnik eingesetzt.
Für alle Druckstufen stehen unterschiedliche Ausführungen an Drucksensoren zur Verfügung, z. B. mit oder ohne Vor-Ort-Anzeige. Die Sicherheit im Umgang mit Wasserstoff garantieren besondere Zulassungen, wie z. B. für Explosionsschutz (ATEX), funktionale Sicherheit (SIL) oder für den Einsatz auf Schiffen (DNV).
Wasserstoff-Drucksensoren von JUMO
Sollten Temperatursensoren in direktem Kontakt mit H2 stehen, ist das medienberührende Fühlermaterial geeignet auszuwählen. Um eine gute Beständigkeit in Wasserstoff zu gewährleisten, wird das Fühlerrohr normalerweise aus dem Material Edelstahl AISI 316L (Werkstoffnummer 1.4404) gefertigt, einem nichtrostenden, austenitischen Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl. Für besonders hohe Temperaturen, wie sie z. B. in Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) oder Elektrolyseuren (SOEL) auftreten, werden auch Mantelthermoelemente aus dem Material 2.4816, einer nicht aushärtbaren Nickel-Chrom-Eisen-Legierung, verwendet.
JUMO-Temperaturfühler für Wasserstoffanwendungen
Die Durchleitung von Wasserstoff kommt in immer mehr industriellen Anwendungen zum Einsatz. Ebenso gibt es Bestrebungen und Realprojekte, in welchen Wasserstoff in das bereits bestehende Erdgasnetz beigemischt wird. In der Planung befindet sich auch ein europäisches Wasserstoff-Backbone, ein Pipeline-Netz, welches reinen Wasserstoff innerhalb Europas transportieren soll. Dadurch gewinnen Wasserstoff-Durchflussmesser immer mehr an Bedeutung.
Die zur Durchflussmessung am häufigsten eingesetzten Technologien sind das Ultraschall-Messverfahren, die Messung nach dem Coriolis-Prinzip und das Schwebekörper-Verfahren. Unter Berücksichtigung von Druck- und Temperaturverhältnissen lässt sich dann die exakte Gasmenge berechnen.
Für die Zwischenspeicherung und den Transport von Flüssigwasserstoff, flüssigen Wasserstoffderivaten oder auch flüssigen organischen Wasserstoffträgern (LOHC) werden spezielle Tanks mit ausgereifter Sensorik zur Füllstandsmessung und sicherer Überwachung benötigt. Die Wahl des geeigneten Messgeräts richtet sich nach dem jeweiligen Einsatzbereich. Gilt es lediglich einen Trockenlauf oder eine Überfüllung zu erfassen bzw. zu verhindern, sind meist Grenzschalter ausreichend. Muss der exakte Füllstand des Wasserstofftanks gemessen werden, können z. B. hydrostatische Füllstandssensoren oder ein Schwimmerschalter zum Einsatz gebracht werden.
Alle Sensoren, die in Wasserstoff-Lösungen eingesetzt werden, sollten regelmäßig kalibriert werden, um den hohen Anforderungen in H2-Infrastrukturen zu genügen und präzise Messungen sicherzustellen. Schließlich kann eine alterungsbedingte Drift zu Änderungen der Empfindlichkeit und Genauigkeit führen. Die Häufigkeit der Kalibrierung hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie dem Sensortyp, den Einsatzbedingungen und den spezifischen Anforderungen der Anwendung. In sicherheitskritischen Anwendungen, wie in der chemischen Industrie oder bei der Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff, ist eine regelmäßige und sorgfältige Kalibrierung besonders wichtig.
Je nach individuellen Anforderungen kommen in Wasserstoff-Anwendungen in der Regel mehrere unterschiedliche Sensorarten zum Einsatz. Je besser diese aufeinander abgestimmt sind, umso besser ist die Prozesseffizienz. Auch eine Automatisierung und eine Auswertung der Prozessdaten über moderne Cloud-Lösungen sind möglich. Um der Komplexität aller Anforderungen gerecht zu werden, kann es hilfreich sein, sich an einen erfahrenen Sensorhersteller zu wenden.
